文章编号:1001-2265(2010)10-0091-03

收稿日期:2010-04-16作者简介:王卫兵(1974󰀁),男,江西南昌人,江西赣江职业技术学院副教授,硕士,主要从事机械设计与制造相关技术的研究,(E-mail)w_olive@sina.com。圆柱分度凸轮的精确建模与数控编程

王卫兵,董燕,胡志新

(江西赣江职业技术学院,南昌󰀁330108)

摘要:应用UG的二次开发工具UG/Grip开发了圆柱分度凸轮的建模系统,实现了圆柱分度凸轮的

三维数字化精确建模,再利用UGCAM模块的可变轴曲面轮廓铣对凸轮沟槽进行数控编程与加工,

提高了圆柱分度凸轮数控加工的质量和效率。关键词:圆柱分度凸轮;二次开发;多轴编程;UG/Grip

中图分类号:TH16;TG65󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

PreciseModelingandNCProgrammingofCylindricalIndexingCamBasedonApplicationDevelopmentofUnigraphics

WANGWei󰀁bing,DONGYan,HUZhi󰀁xing

(JiangxiGanjiangVocationalCollege,Nanchang330108,China)Abstract:Onthebasisoftheanalysisofsurfacecharacteristicsforcylindricalindexingcam,hasestab󰀁

lishedmodelingsystemofthreedimensionaldigitizationmodelforcylindricalindexingcambyUG/

GripofUGre󰀁developmenttool.Onthebasisofdiscussingfour󰀁axismachiningapproachofcylindrical

indexingcamgroove,thefour󰀁axistoolpathofthecylindricalindexingcamisgeneratedbyvariablecontourmachiningschemainUnigraphics.

Keywords:cylindricalindexingcam;UG/Grip;NCprogramming;re󰀁developmentofunigraphics

0󰀁引言

圆柱分度凸轮机构用于两垂直交错轴间的间隙

分度步进运动,具有定位精度高、承载能力大、运动

平稳等特点。广泛应用于各种机床与机械设备的间隙步进机构与步进供料装置等[1]。圆柱分度凸轮是

机构中的关键部件,决定了整个机构的运动学和动

力学性能。因此,对凸轮廓面的精确设计与数控加工精度保证的研究至关重要。

使用常规的CAD建模工具进行圆柱分度凸轮的

三维造型比较困难,采用传统的加工方法也难以保

证凸轮槽的加工精度。龙村等[2]、李俊源[3]分别在AutoCAD与SolidWorks环境下,利用VBA开发了圆

柱凸轮的三维CAD系统,未能实现造型与编程的集

成。为了达到较高的凸轮廓面精度,必须对圆柱分

度凸轮进行数控加工。圆柱凸轮沟槽的数控加工传统上采用三轴联动的范成等径加工或非等径加工,

通过工件的旋转,铣刀作XY联动,切割加工出凸轮

的沟槽[4󰀁5]。等径加工的刀具直径必须与滚子相等,由于不可避免的刀具磨损,因此很难保证加工精度。

非等径加工存在的问题有:一是不能按照零件的精确形状进行走刀;二是由于零件的旋转与主轴的移

动不能完全同步产生较大误差;三是切削过程中不

同的切削位置其实际的切削进给并不相等。因而这

种加工方法的精度受到限制。UGNX是广泛应用于机械工程领域的集成化

CAD/CAM/CAE软件,其提供UG/Grip可以对软件

功能进行二次开发,以增强UG的功能,并实现用户化的定制[6]。本文利用UG/Grip编程工具开发了圆

柱分度凸轮辅助建模系统,可方便地实现不同结构

参数的圆柱分度凸轮精确建模,再利用UGNX加工

模块的可变轴曲面轮廓铣编制凸轮沟槽的多轴加工程序。

1󰀁圆柱分度凸轮精确建模

1󰀁1󰀁圆柱分度凸轮的方程[1󰀁2]

圆柱分度凸轮机构的坐标系包括有:与机架相

连的定坐标系X0Y0Z0,与凸轮相连的动坐标系󰀁91󰀁2010年第10期󰀁工艺与装备󰀁X1Y1Z1,与分度盘相连的动坐标X2Y2Z2。

分度盘上的滚子曲面在X2Y2Z2坐标系中的表达式如下:x2=Rp2+Rccos󰀁

y2=Rrsin󰀁

z2=-r(1)

式中:r󰀁󰀁󰀁滚子上一啮合点至分度盘基准面的距离;

Rp2󰀁󰀁󰀁分度盘节圆半径;

Rr󰀁󰀁󰀁滚子半径;󰀁󰀁󰀁󰀁滚子啮合角。

凸轮沟槽的中心线在X1Y1Z1坐标系中的表达

式如下:x2=(x2cos󰀁+py2sin󰀁-c)+(z2+A)sin󰀁y2=(-x2cos󰀁-py2sin󰀁+c)+(z2+A)cos󰀁

z2=px2sin󰀁-y2sin󰀁(2)

式中:p󰀁󰀁󰀁凸轮的旋向系数,左旋为󰀁1󰀁,右旋为󰀁-1󰀁;

󰀁󰀁󰀁󰀁分度盘转角;

󰀁󰀁󰀁󰀁圆柱凸轮转角;

c󰀁󰀁󰀁中心距;A󰀁󰀁󰀁凸轮轴线至分度盘基准面距离。

1󰀁2󰀁基于UG/Grip的圆柱分度凸轮建模系统开发

建模思想:在圆柱分度凸轮建模中,关键在于沟

槽的中心确定。凸轮结构确定后,大部分的距离参数都可以直接指定。而圆柱凸轮转角󰀁、滚子啮合角󰀁是与分度盘转角󰀁相关联的。取󰀁为可变参数,按

照方程式计算得到沟槽底的一条曲线,在曲线上按

一定的间隔创建一系列的离散点,并保存点坐标;再将r加上凸轮的厚度与间隙,按同一方程式计算得到

在凸轮以外的并与底部曲线上的离散点相对应的

点,同样将其保存;然后读取点数据,连接对应点构建一系列直线;通过这些直线创建曲面。完成一段

的曲面创建后,可以再指定滚子曲线偏置参数、凸轮

的结构参数与运动参数来创建下一个曲面。所有曲

面连接后就完成确定了沟槽的中心。利用UG/Grip编写圆柱分度凸轮模型的建模程

序,流程如图1所示。

1󰀁3󰀁圆柱分度凸轮三维设计

创建GRIP程序并经过编译、

链接、调试后,就可以在UGNX中执行,并可以在UGNX中创建对应的

菜单与工具条。调用圆柱分度凸轮建模工具后,按

以下步骤创建一个圆柱分度凸轮三维实体模型。

(1)指定分度期曲线的圆柱分度凸轮机构的结构参数和运动参数,如图2所示;

(2)输入建立曲线组需要更改的变量生成一个凸轮运动曲面;

(3)指定下一滚子曲线建立需要更改的变量,创

建下一个曲面;

(4)指定转盘停歇期曲线的圆柱分度凸轮机构

的结构参数和运动参数;(5)输入建立曲线组需要更改的变量生成曲面,

生成的曲面如图3所示;

图3󰀁生成凸轮运动曲面󰀁92󰀁󰀁工艺与装备󰀁组合机床与自动化加工技术(6)创建圆柱体;

(7)缝合曲面,加厚曲面并进行布尔求差运算,完成的圆柱分度凸轮如图4所示。

图4󰀁生成圆柱分度凸轮

2󰀁圆柱分度凸轮数控编程与加工

随着4轴机床与5轴机床的普及,采用多轴联动

方式进行圆柱分度凸轮加工成为可能,利用UGNX

加工模块提供的可变轴曲面轮廓铣功能,可以实现

复杂零件的多轴加工自动编程[7]。

圆柱分度凸轮采用四轴联动加工时,以圆柱端面中心为原点,轴心方向为X轴正方向,绕X轴方向

旋转为A轴方向,即第4轴。X、Y、Z轴联动控制刀

具在工件上形成沟槽的轮廓曲线,与A轴联动控制

刀具相对于工件做旋转运动。为了保证加工精度,将凸轮的沟槽分成粗加工

与精加工两步,粗加工时沿凸轮沟槽的中心线进行

开粗,因而选择可变轮廓铣的󰀁曲线/点󰀁驱动方式;

精加工则沿沟槽侧的廓面进行加工,选择可变轮廓

铣的󰀁表面积󰀁驱动方式,沿面进行加工。在UGNX中对圆柱分度凸轮进行数控加工编程

流程归纳如下:

(1)从建模状态转到加工环境。设置加工环境

为多轴加工环境󰀁mill_multi󰀁axis󰀁。(2)新建加工刀具。分别创建粗加工使用的平

底刀与精加工使用的平底刀。

(3)新建几何体。包括坐标系几何体与铣削部

件几何体、毛坯几何体。其中的毛坯为根据转子外围最大轮廓构造一个圆柱体。

(4)创建粗加工的多轴加工刀轨。创建可变轮

廓铣操作󰀁Variable_contour󰀁;选择沟槽底面为切削

区域几何体;更改驱动方法为󰀁曲线/点󰀁,选择沟槽

中心线为驱动几何体;刀轴为󰀁远离曲线󰀁使刀轴始终正对轴心线;设置余量为󰀁0󰀁5󰀁,指定为多重深度

切削;再设置其他相关的切削参数与非切削移动参

数、进给与速度参数;确定生成刀轨如图5所示。

(5)创建廓面精加工的多轴加工刀轨。创建可变轮廓铣操作󰀁Variable_contour󰀁;选择驱动方法为󰀁表面积󰀁,依次拾取沟槽侧的廓面为驱动几何体;

设图5󰀁粗加工刀轨置驱动参数,再设置刀轴为󰀁远离曲线󰀁,设置其他相

关的切削参数与非切削移动参数、进给与速度参数;

确定生成刀轨如图6所示。同样方法再创建另一个廓面的精加工多轴加工刀轨。

图6󰀁精加工刀轨(6)后置处理。对刀具轨迹进行干涉检查、确认及仿真,最后通过后置处理输出NC加工程序,如图

7所示为后置处理产生的4轴加工数控程序。

图7󰀁数控程序(下转第97页)󰀁93󰀁2010年第10期󰀁工艺与装备󰀁测模型的进行显著性检验,多元线性回归模型的检

验主要包括回归方程显著性检验(F检验)和回归系

数显著性检验(T检验),表3为显著性检验结果。表3󰀁方差分析方差来源平方和自由度均方F比显著性回归0󰀁87640󰀁2192󰀁4890󰀁001剩余0󰀁31240󰀁088总计1󰀁1888󰀁󰀁从方差分析表(F检验)中看出,F=2󰀁489,显著

性P=0󰀁001,说明所求回归方程的线性回归高度较

为显著。另外,通过对回归系数进行T检验发现,回

归系数a1、a2、a4高度显著,而a3的显著性不明显,

即在TiA1N涂层硬质合刀具高速铣削Incone718镍

基高温合金的加工中在高速铣削过程中,切削速度

v,进给量f,径向切深ae对刀具寿命的影响较大,轴

向切深ap对刀具寿命影响不显著。因此,切削加工

前对切削用量进行合理的选择与优化是很有必要

的。

6󰀁结束语

高速切削刀具系统是高速加工中心中一个重要

的组成部分,在高的主轴回转速度下,刀具系统是否

稳定直接影响着产品加工精度和生产效率的提高,

通过高速铣削试验及分析:

(1)高温是提高材料化学活性,导致磨损的直接

原因;

(2)刀具耐用度受切削速度v的影响比较大,进

给量f次之,轴向切深ap最小,高速环境下刀具主要呈现后刀面磨损;

(3)刀具系统的不平衡对精度有很大的影响,因

此加工前必须对刀具系统动平衡进行测试和补偿。[参考文献][1]刘战强,艾兴.高速切削刀具磨损寿命的研究[J].工具技术,2001,35(12):3-7.[2]华小红.高速切削刀具材料的性能及合理选择[J].农业装备技术,2008,34(1):31-32.[3]王先逵.机械加工工艺手册单行本(高速切削)[M].北京:机械工业出版社,2008.[4]郑堤,孙令贻.基于加工尺寸检测数据的刀具磨损及寿命研究[J].组合机床与自动化加工技术,2002(8):32-35.[5]刘战强,艾兴.高速切削刀具的动平衡[J].新技术新工艺,2001(11):18-20.[6]陈世平,廖林清,侯智.高速切削刀具系统动平衡研究与分析[J].机床与液压,2005(10):32-33.[7]秦哲,王成勇,等.高速铣削刀具悬伸量试验研究[J].工具技术,2004,38(9):76-78.[8]H.Aknouche,A.Outahyon,C.Nouveau.etc.Toolweareffectoncuttingforces:InroutingprocessofAleppopinewood[J].journalofmaterialsprocessingtechnology209(2009):2918-2922.[9]张义平.钛合金高速铣削刀具磨损的试验研究[J].工具技术,2007,41(1):55-58.[10]吴德林,周云飞.高速铣削刀具磨损寿命实验及建模研

究[J].制造技术与机床,2008(11):84-87.

(编辑󰀁赵蓉)

(上接第93页)

3󰀁结束语

本文利用UG软件内嵌的UG/Grip开发了圆柱

分度凸轮建模工具,实现圆柱分度凸轮的精确建模,

通过用户输入凸轮的结构参数与运动参数来创建能符合分度运动要求的圆柱分度凸轮。设计的圆柱分

度凸轮通过UGCAM模块中的可变轴轮廓铣进行多

轴数控编程,实现圆柱分度凸轮的建模与数控一体化。将程序输出到4轴联动的加工中心进行凸轮加

工,加工的凸轮质量较高,在高速运转时分度精确,

运行平稳。[参考文献][1]彭国勋,肖正扬.自动机械的凸轮机构设计[M].北京:机械工业出版社,1990.[2]龙村,张高峰.基于AUTOCAD软件的圆柱凸轮CAD[J].现代机械,2004(6):45-46.[3]李俊源.基于SolidWorks的圆柱凸轮三维参数化设计的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2007(7):33-35.[4]滕皓,蔡卫东,郭培全.圆柱分度凸轮非等径数控加工自动编程[J].济南大学学报(自然科学版),2003(2):188-190.[5]金作成,陈龙宝.圆柱分度凸轮机构的设计及凸轮的数控加工[J].机械传动,2002(4):50-53.[6]王庆林.U

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加工中的应用[J].制造业自动化,2007(9):52-56.

(编辑󰀁赵蓉)󰀁97󰀁2010年第10期󰀁工艺与装备󰀁