基于Vericut的圓柱溝槽凸輪的加工仿真

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

在機(jī)械工程的應(yīng)用中，圓柱溝槽凸輪機(jī)構(gòu)是一種被廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[8]，可用于機(jī)械機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)控制[7]，擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和良好的動(dòng)力學(xué)性能的特點(diǎn)[6]，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)不同規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)當(dāng)中，一般圓柱溝槽凸輪多為主動(dòng)件。在設(shè)計(jì)圓柱溝槽凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，需要依據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)的要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的圓柱溝槽凸輪的曲線，從而確保實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

實(shí)際加工之前，利用加工仿真軟件模擬加工既可以比較清晰直觀地展示加工過(guò)程，又可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性[5]。Vericut軟件是一種擁有強(qiáng)大功能的數(shù)控加工仿真軟件，能夠真實(shí)地模擬數(shù)控加工過(guò)程，并且可以對(duì)結(jié)果得以分析和驗(yàn)證。本文就采用Vericut軟件建立相應(yīng)的加工圓柱溝槽凸輪的五軸機(jī)床，分析凸輪加工，編寫相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程。

1 參數(shù)確認(rèn)

在圓柱溝槽凸輪機(jī)構(gòu)中，圓柱溝槽凸輪做等角速度的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與之相配合的從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到控制從動(dòng)件規(guī)律性轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，如圖1示意圖所示。

在機(jī)構(gòu)當(dāng)中，主動(dòng)件帶動(dòng)從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)，為了能夠加工出符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主動(dòng)件，需要分清運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)狀況。以圓柱溝槽凸輪為參考，將從動(dòng)件的輪齒部分視為在凸輪溝槽里滑動(dòng)的滑塊，滑塊滑動(dòng)時(shí)帶動(dòng)從動(dòng)件整體轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡即可以勾勒出凸輪中的齒槽形狀，從而反求出圓柱溝槽凸輪。本文所求的圓柱溝槽凸輪當(dāng)中，滑塊需要做四種運(yùn)動(dòng)，如圖2運(yùn)動(dòng)示意圖所示，分別是沿著軸向運(yùn)動(dòng)1、圍繞著軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)2、做垂直軸的上下運(yùn)動(dòng)3、和滑塊作自我旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)4。

圖1 圓柱溝槽凸輪機(jī)構(gòu)

圖2 滑塊運(yùn)動(dòng)

本文中的圓柱溝槽凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪直徑d為72mm、軸長(zhǎng)L為41、槽寬B為11.5mm、槽最大深度Hmax為12mm和與之傳動(dòng)的從動(dòng)件直徑D為160mm?；瑝K圍繞著軸旋轉(zhuǎn)的角度θ與滑塊做自我旋轉(zhuǎn)的角度γ的關(guān)系如圖3所示，以垂直軸線的角度γ為0°，偏左為正，偏右為負(fù)，以凸輪中間位置為旋轉(zhuǎn)角度θ的零點(diǎn)，從右向左看順時(shí)針為正?；瑝K圍繞著軸旋轉(zhuǎn)的角度θ與軸向移動(dòng)距離x的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖4所示，以凸輪右邊為x的零點(diǎn)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)可以制作做一條螺旋線，從圖中可以看出在-90≤θ≤90時(shí)，x一直是10.5mm，滑塊一直處于凸輪中間位置，說(shuō)明此時(shí)從動(dòng)件是不運(yùn)動(dòng)，直到x變化，從動(dòng)件才得以運(yùn)動(dòng)。

圖3 自我旋轉(zhuǎn)隨軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡

圖4 軸向移動(dòng)隨軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡

2 數(shù)控仿真機(jī)床設(shè)立

2.1 凸輪加工機(jī)床模型

在建立機(jī)床模型之前，需要確定機(jī)床有幾根軸，軸與軸之間如何聯(lián)動(dòng)以及位置關(guān)系。本文中凸輪加工需要至少四個(gè)運(yùn)動(dòng)方式上的加工，再加上定位退刀方向上的一個(gè)運(yùn)動(dòng)，一共需要機(jī)床五根軸。刀具的運(yùn)動(dòng)和凸輪槽中的滑塊運(yùn)動(dòng)有著相似的情況，所以只將凸輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)定義在毛坯運(yùn)動(dòng)軸上，其余運(yùn)動(dòng)定義在刀具上，分別建立機(jī)床X、Y、Z、A、C五軸，其中A、C是毛坯和刀具的旋轉(zhuǎn)軸。

Vericut軟件中無(wú)法建立足夠復(fù)雜的模型，本文利用NX軟件的強(qiáng)大建模功能建立出凸輪加工機(jī)床的三維模型，之后將NX中建立的各個(gè)模型部件以STL的格式導(dǎo)入VERICUT軟件當(dāng)中，分別設(shè)立在不同的運(yùn)動(dòng)軸之下，得到Vericut環(huán)境下的凸輪加工機(jī)床模型，如圖5所示。

圖5 凸輪加工機(jī)床模型

2.2 刀具和毛坯的設(shè)立

鑒于溝槽凸輪與從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)狀況，本次選擇立銑刀作為加工刀具，模擬滑塊相對(duì)凸輪的運(yùn)動(dòng)狀況加工出符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的溝槽。本文的圓柱溝槽凸輪的槽寬是11.5mm，考慮實(shí)際加工的需求，需要留有余量對(duì)槽兩邊進(jìn)行再次精加工，所以選擇直徑11mm的立銑刀，對(duì)槽兩邊各留有加工余量0.25mm。銑刀的刀刃長(zhǎng)度要大于最大槽深12mm，這里設(shè)立刀刃長(zhǎng)度40mm，銑刀總長(zhǎng)80mm。

圓柱溝槽凸輪的直徑是72mm，軸長(zhǎng)是41mm，建立直徑72mm、軸長(zhǎng)41mm的毛坯模型，并將其以igs的格式導(dǎo)入Vericut中，裝夾到旋轉(zhuǎn)軸A之下。

3 機(jī)床程序的計(jì)算和編寫

3.1 初加工

毛坯裝夾在機(jī)床中，其軸線是沿著x軸，由于存在凸輪槽寬的情況，需要對(duì)凸輪槽寬補(bǔ)償，則可依照公式1，將程序走刀X方向的位移設(shè)為52.5mm。

為了便于編寫程序，將之前的滑塊圍繞著軸旋轉(zhuǎn)的角度θ全部正數(shù)化。由于為了圓柱溝槽凸輪和從動(dòng)件緊密傳動(dòng)，從動(dòng)件本身是一個(gè)圓形狀，所以溝槽底部也呈現(xiàn)相應(yīng)的圓弧狀，如圖6所示，從動(dòng)件半徑R、槽深最大值Hmax、槽深值H以及軸線方向的位移相對(duì)中間的偏移值ΔX。根據(jù)槽深的公式(2)計(jì)算出軸線方向上不同位移的槽深值。

圖6 槽深示意圖

初始加工數(shù)據(jù)計(jì)算后，編寫機(jī)床程序如下：

N110 X-312.25 A0 C30 Y28.4292549990408

N120 X-312.75 A-290 C30 Y28.2574261065812

N130 X-325.75 A-335 C5 Y25.0225506869208

N140 X-335.5 A-367.5 C-5 Y24.0562697893074

N150 X-338.5 A-390 C0 Y24

N160 X-338.5 A-480 C0 Y24

N170 X-338.5 A-570 C0 Y24

N180 X-341.5 A-592.5 C5 Y24.0562697893074

N190 X-351.25 A-625 C-5 Y25.0225506869208

N200 X-364.25 A-670 C-30 Y28.2574261065812

N210 X-364.75 A-960 C-30 Y28.4292549990408

3.2 精加工

在初加工中已經(jīng)將溝槽的軌跡基本加工出來(lái)了，基于實(shí)際加工的要求，需要對(duì)槽兩邊再次精加工，取得良好的表面。第一節(jié)參數(shù)中提到兩邊的加工余量各自都是0.25mm。本文中凸輪溝槽的初加工軌跡在其表面是一條螺旋線，而要對(duì)槽兩表面進(jìn)行精加工，其加工軌跡也是平行于初加工軌跡的螺旋線，如圖7所示。

圖7 加工軌跡

對(duì)槽兩邊加工，要確保兩邊的滑塊自轉(zhuǎn)角度和初加工一致。這里的一致不是指沿著軸線方向角度一樣，而是指三條螺旋線的垂直方向上的角度一致，所以不是簡(jiǎn)單的改變軸向位移的數(shù)據(jù)就行，需要根據(jù)相同的滑塊自轉(zhuǎn)角度重新計(jì)算新的軸旋轉(zhuǎn)角度θ'以及新的軸向位移X'，公式分別如下：

式中，θ'表示軸旋轉(zhuǎn)角度，θ1、θ2表示一段螺旋線的首尾旋轉(zhuǎn)角度，ΔB表示加工余量（正的表示加工槽左面，負(fù)的表示加工槽右面），X1、X2表示一段螺旋線的首尾軸向位移，d表示凸輪直徑，H表示槽的深度。

計(jì)算過(guò)程結(jié)束，將數(shù)據(jù)編入G代碼中，加工槽左面程序如下：

N330 X-312.5 A0 C30

N340 X-312.999998818294 A-289.998629217449 C30

N350 X-325.96974701918 A-334.77613903386 C5

N360 X-335.716967972946 A-367.263023416063 C-5

N370 X-338.742268358636 A-389.882174799091 C0

N380 X-338.75 A-480 C0

N390 X-338.75 A-570 C0

N400 X-341.742282176499 A-592.382388780947 C5

N410 X-351.467814095954 A-624.769573841739 C-5

N420 X-364.472240938788 A-669.795819855581 C-30

N430 X-364.999998824588 A-959.998636519252 C-30

加工槽右面時(shí)，將其加工余量數(shù)值改成負(fù)數(shù)，其余參數(shù)不變，即可生成加工程序，程序如下：

N440 X-364.500001175412 A-960.001363480748 C-30 Y28.4292549990408

N450 X-364.027759061212 A-670.204180144419 C-30 Y28.2574261065812

N460 X-351.032185904046 A-625.230426158261 C-5 Y25.0225506869208

N470 X-341.257717823501 A-592.617611219053 C5 Y24.0562697893074

N480 X-338.25 A-570 C0 Y24

N490 X-338.25 A-480 C0 Y24

N500 X-338.257731641364 A-390.117825200909 C0 Y24

N510 X-335.283032027054 A-367.736976583937 C-5 Y24.0562697893074

N520 X-325.53025298082 A-335.22386096614 C5 Y25.0225506869208

N530 X-312.500001181706 A-290.001370782551 C30 Y28.2574261065812

N540 X-312 A0 C30 Y28.4292549990408

4 機(jī)床仿真加工

在Vericut軟件中選擇多軸加工中的五軸曲線加工，根據(jù)實(shí)際要求對(duì)其進(jìn)行初加工以及精加工，并對(duì)其相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，采用螺旋線走刀方式，用直徑11mm的立銑刀進(jìn)行加工。如圖8所示，分別是圓柱溝槽凸輪仿真加工過(guò)程以及其加工結(jié)果。

圖8 圓柱溝槽凸輪仿真加工

根據(jù)圓柱溝槽凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理，建立相應(yīng)的仿真加工模型，通過(guò)Vericut這一軟件實(shí)現(xiàn)圓柱溝槽凸輪數(shù)控加工仿真，直觀地展現(xiàn)出圓柱溝槽凸輪加工的完整流程。通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證圓柱溝槽凸輪設(shè)計(jì)的合理性以及程序編寫的正確性，同時(shí)起著優(yōu)化程序以及輸出程序的作用，為實(shí)際加工提供可靠的程序。