自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)及仿真＊

王智森 韋洪新 汪兆棟

（景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

凸輪機(jī)構(gòu)作為一種常用的機(jī)械自動(dòng)化控制裝置，組成結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低及可靠性高，廣泛應(yīng)用在機(jī)床、航空、船舶、紡織和印刷等領(lǐng)域[1]。由于從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于凸輪廓線形狀，通過(guò)合理優(yōu)化凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性適應(yīng)實(shí)際工況要求，其中面臨的難題是凸輪廓線設(shè)計(jì)[2]。傳統(tǒng)的圖解法繪制凸輪廓線工作量大、精度低，而解析法可以精確計(jì)算凸輪廓線坐標(biāo)，因此解析法常用于凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)[3]。如圖1所示，進(jìn)刀凸輪和圓柱凸輪是單軸六角自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架的關(guān)鍵零部件之一，廓線設(shè)計(jì)和工藝精度至關(guān)重要，影響車(chē)床自動(dòng)換刀效率[4]。按照加工順序預(yù)先在轉(zhuǎn)塔刀架上安裝好6把刀具，切削一次后，利用凸輪、槽輪等機(jī)構(gòu)配合刀架退回并轉(zhuǎn)位，自動(dòng)換刀再次切削，完成工件一次裝夾中較復(fù)雜型面的加工，因此轉(zhuǎn)塔刀架的凸輪廓線設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

圖1 單軸六角自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架凸輪機(jī)構(gòu)

近年來(lái)研究學(xué)者進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)借助的工具很多，如Matlab、Adams和SolidWorks等，效果卻不理想，一是設(shè)計(jì)單一化，只能實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的凸輪廓線設(shè)計(jì)，可視化界面操作性不強(qiáng)，推廣度不高；二是功能欠完善，沒(méi)有做到參數(shù)化設(shè)計(jì)，軟件工程不能實(shí)現(xiàn)凸輪廓線生成、數(shù)據(jù)輸出、運(yùn)動(dòng)特性分析及仿真的一體化實(shí)用流程[5-7]。本文以單軸六角自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架的凸輪為研究對(duì)象，通過(guò)VB一體化協(xié)同編程完成凸輪廓線參數(shù)化設(shè)計(jì)的可視化界面軟件工程，根據(jù)所需工況選擇從動(dòng)件推程、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)多功能化的使用要求，具體技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)流程圖

1 凸輪機(jī)構(gòu)組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

為了滿(mǎn)足自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架工況要求，確定凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和凸輪廓線坐標(biāo)方程，實(shí)現(xiàn)凸輪廓線的精確設(shè)計(jì)。有關(guān)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，近年來(lái)許多國(guó)家如中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)和日本等做過(guò)大量的研究，設(shè)計(jì)出了幾十種曲線[8]。目前研究成熟的從動(dòng)件推程、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性如表1所示。

表1 從動(dòng)件推程、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性

結(jié)合從動(dòng)件沖擊特性和適用場(chǎng)合情況，選擇等速運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)和五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)這3種典型曲線自由組合設(shè)計(jì)9類(lèi)凸輪廓線，覆蓋低、中、高速場(chǎng)合且滿(mǎn)足不同沖擊條件。從動(dòng)件等速運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)和五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的推程運(yùn)動(dòng)方程分別為式（1）～（3），回程運(yùn)動(dòng)方程同理推導(dǎo)，推程、回程曲線圖呈對(duì)稱(chēng)性。

2 凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

基于VB軟件開(kāi)發(fā)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可視化界面軟件工程，使用SStab控件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)多分支任務(wù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率?？梢暬缑孳浖こ淘O(shè)計(jì)分為3個(gè)模塊：從動(dòng)件推程、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇模塊；凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)輸入模塊；功能實(shí)現(xiàn)模塊。其中功能實(shí)現(xiàn)模塊包括廓線生成、數(shù)據(jù)輸出、運(yùn)動(dòng)特性分析和運(yùn)動(dòng)仿真4項(xiàng)。凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)初始參數(shù)如表2所示。

表2 凸輪初始設(shè)計(jì)參數(shù)

為了保證凸輪機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中不產(chǎn)生自鎖導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)中規(guī)定了凸輪壓力角的許用值，即從動(dòng)件作推程運(yùn)動(dòng)時(shí)[ α]=30°～40°，作回程運(yùn)動(dòng)時(shí)[α]=70°～80°?？紤]到凸輪廓線參數(shù)化設(shè)計(jì)要求工作可靠，因此選取從動(dòng)件推程、回程許用壓力角邊界值，即[ α]分 別為 30°、 8 0°。根據(jù)從動(dòng)件推程、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇模塊組合的9類(lèi)曲線方程需要編寫(xiě)9段代碼，以其中較復(fù)雜的簡(jiǎn)諧與五次多項(xiàng)式組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律為例，主干代碼如表3所示。

表3 簡(jiǎn)諧與五次多項(xiàng)式組合主干代碼

通過(guò)界面布局、程序編程和可行編譯，并調(diào)試工程運(yùn)行穩(wěn)定性，得到自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)的可視化界面軟件工程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件工程

2.1 凸輪廓線生成

為了使程序精簡(jiǎn)化，編寫(xiě)了model函數(shù)和model1函數(shù)作為共享模塊，方便主程序調(diào)用。model函數(shù)存放凸輪理論與實(shí)際廓線坐標(biāo)值、壓力角、曲率半徑，model1函數(shù)打印輸出凸輪廓線、各項(xiàng)數(shù)據(jù)及運(yùn)動(dòng)特性曲線。其中實(shí)現(xiàn)凸輪廓線生成代碼如表4所示。

表4 凸輪廓線生成代碼

設(shè)定可視化界面軟件工程中凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)初始值：推程運(yùn)動(dòng)角 δ1=90°、 遠(yuǎn)休止角 δ2=90°、回程運(yùn)動(dòng)角 δ3=100°、 近休止角δ4=80°、基圓半徑R0=50 mm、滾子半徑Rr=10 mm、偏距（左偏置為正）e=20 mm、凸輪角速度ω=1 rad/s和從動(dòng)件升程h=15 mm。分別選擇9類(lèi)不同組合的從動(dòng)件推程、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)行可視化界面軟件工程，生成9類(lèi)不同組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪理論、實(shí)際廓線如圖4所示。凸輪廓線生成模塊過(guò)程直觀，運(yùn)行平穩(wěn)，用戶(hù)可以根據(jù)工況要求實(shí)時(shí)調(diào)試。

圖4 不同組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律生成的凸輪廓線

2.2 凸輪數(shù)據(jù)輸出

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出是凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，用戶(hù)通過(guò)可視化界面軟件工程生成了適合工況場(chǎng)合的凸輪廓線，將凸輪廓線坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)出才能進(jìn)行凸輪實(shí)體加工制造。數(shù)據(jù)輸出包括凸輪轉(zhuǎn)角、從動(dòng)件位移、從動(dòng)件速度、壓力角、曲率半徑、凸輪理論和實(shí)際廓線坐標(biāo)。凸輪數(shù)據(jù)輸出模塊主干代碼如表5所示。

表5 凸輪數(shù)據(jù)輸出模塊主干代碼

根據(jù)上述設(shè)定的凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)初始值，選擇從動(dòng)件推程為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律、回程為五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律為例，運(yùn)行軟件工程，實(shí)時(shí)輸出凸輪數(shù)據(jù)如圖5所示，將其中凸輪實(shí)際廓線坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)換成通用的DXF格式文件就能用于凸輪三維建模和實(shí)體加工。

圖5 凸輪數(shù)據(jù)

2.3 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析驗(yàn)證

為了研究自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，需要對(duì)推桿位移、速度和加速度曲線進(jìn)行分析，便于用戶(hù)根據(jù)實(shí)際工況要求設(shè)計(jì)凸輪，如不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，返回可視化界面軟件工程重新調(diào)整參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)一體化設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。運(yùn)動(dòng)分析模塊主干代碼如表6所示。

表6 運(yùn)動(dòng)分析模塊主干代碼

將輸出的推桿位移、速度和加速度值顯示在同一個(gè)坐標(biāo)系中，直觀分析凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度。以從動(dòng)件推程、回程組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的3種即等速-五次多項(xiàng)式、簡(jiǎn)諧-五次多項(xiàng)式及五次多項(xiàng)式-五次多項(xiàng)式為例，得到不同組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖6所示。由圖可知：在凸輪各項(xiàng)初始設(shè)計(jì)參數(shù)相同情況下，五次多項(xiàng)式-五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的推桿速度及加速度均不會(huì)發(fā)生突變，運(yùn)行平穩(wěn)且無(wú)沖擊。如圖7所示，將2.2節(jié)VB軟件工程輸出的凸輪實(shí)際廓線坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Working Model中進(jìn)行仿真，以簡(jiǎn)諧與五次多項(xiàng)式組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律為例，驗(yàn)證推桿運(yùn)動(dòng)特性分析正確性。

圖6 不同組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)特性曲線

圖7 Working Model推桿運(yùn)動(dòng)特性分析

按照VB軟件工程設(shè)定的凸輪參數(shù)，設(shè)置Working Model中凸輪角速度 ω為1 rad/s，運(yùn)行得到一個(gè)工作周期內(nèi)推桿的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖8所示。由圖8可知：Working Model簡(jiǎn)諧與五次多項(xiàng)式組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律下推桿位移、速度曲線與VB軟件工程運(yùn)動(dòng)特性分析結(jié)果完全擬合。

圖8 推桿運(yùn)動(dòng)特性曲線

2.4 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

凸輪仿真模塊直觀顯示設(shè)計(jì)凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果，檢驗(yàn)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性，便于用戶(hù)根據(jù)自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架所需工況實(shí)時(shí)調(diào)試凸輪參數(shù)，得到滿(mǎn)足推桿行程的凸輪廓線。編寫(xiě)的凸輪仿真模塊主干代碼如表7所示。

表7 凸輪仿真模塊主干代碼

運(yùn)行軟件工程，得到凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真如圖9所示。該模塊有演示和暫停功能，其中演示功能實(shí)時(shí)模擬顯示凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，便于用戶(hù)查看推桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否合理。通過(guò)車(chē)床廠家對(duì)該軟件工程進(jìn)行評(píng)測(cè)，用戶(hù)反饋界面易于操作、設(shè)計(jì)省時(shí)便捷、功能模塊實(shí)用。

圖9 凸輪仿真

3 結(jié)語(yǔ)

單軸六角自動(dòng)車(chē)床轉(zhuǎn)塔刀架是一種常用的自動(dòng)換刀裝置，凸輪機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)塔刀架的核心部件之一，配合完成退刀、轉(zhuǎn)位和換刀動(dòng)作。為了滿(mǎn)足各類(lèi)工況的運(yùn)動(dòng)控制條件，通過(guò)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線自由組合設(shè)計(jì)凸輪廓線。研究基于VB開(kāi)發(fā)可視化界面軟件工程實(shí)現(xiàn)凸輪廓線生成、數(shù)據(jù)輸出、運(yùn)動(dòng)特性分析及仿真4個(gè)功能模塊的一體化協(xié)同設(shè)計(jì)方法，得到9種從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性的凸輪廓線參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)果，為同類(lèi)型自動(dòng)化裝置提供參考的實(shí)用價(jià)值。