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Pro/E野火版2.0在凸轮加工和改进中的应用 |
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作者：中国空空导弹研究院 李丽 |
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笔者所在的中国空空导弹研究院一车间承制的某设备上所用的一种凸轮，自20世纪90年代以来一直采用靠模法加工。由最初经过多次试制和手工修锉并装机试验，得到一个相对理想的模型，以后加工就采用按图样留一定余量先粗加工，然后有操作工人按模型进行靠模加工和修锉，最后把凸轮表面打磨光滑。这样存在的问题就是加工难度高，对操作工人技术水平要求高，并且加工周期长，精度低，废品率高。随着数控机床和线切割设备的普及，采用线切割或数控加工的必要性和优势就越来越大。
一、凸轮原始图样要求和加工方法改进分析
1. 凸轮的原始图样资料和技术要求
凸轮的原始图样资料如图1示，图样要求是：355°～185°为R55的圆弧，185°～235°为过渡段，235°～305°为半径为R37的圆弧，305°～355°为过渡段。其中过渡段为5°均分，各特征点间通过样条曲线连接。
图1 凸轮原始图样
2. 线切割加工试制和问题分析
我们的线切割机床所用的软件为CAXA的电子图板，按图样要求做出图形，其中过渡段为先做出特征点，然后通过各特征点做样条与两段圆弧相连，这样钼丝的轨迹曲线就形成了。随后上毛胚试制，加工后发现凸轮轮廓表面有棱，不顺滑。分析其原因为：首先原始凸轮过渡曲线特征点数值不合适，因原图样描绘时间较早，为手工绘制的样条曲线，造成曲线上特征点取值误差大；其次就是圆弧与样条曲线为直接相连，无法保证相切，故接缝处凸棱和凹棱较明显。另外，线切割加工的不足是无法满足表面粗糙度和加工效率的协调。
3. 数控铣床加工凸轮的分析
若采用配备了数控分度头的数控铣床代替原来的靠模加工方法和线切割，不仅大大提高加工效率，降低了对操作工人的技术水平要求，并且可以提高加工精度和保证表面光滑度要求。
但因为凸轮的数控加工程序一般采用手工编制，其缺点是数控铣床软件编译采用直线插补，特征点间为直线连接，因手工编程方式的局限性，无法得到足够的坐标点，这样就导致加工后的凸轮轮廓有一定偏差，导致凸轮表面出现接棱。原图样是按5°为间隔进行分度，间隔较大，数据不能直接使用，若编程员对凸轮轮廓进行手工插值细化，则编程复杂，工作量太大，且数据校对困难，易出错。若能通过软件获得数控铣床可识别的文件，则将大大简化编程过程。
二、运用Pro/ENGINEER野火2.0
针对传统的线切割与数控铣床加工方法的综合对比，以及对线切割试制样品的分析，决定充分利用Pro/ENGINEER野火2.0和Excel软件完成凸轮数据完善、软件模拟和自动生成数控铣床可以识别和使用的数据表。
1. 使用Pro/ENGINEER进行原始数据分析和校正
根据线切割试制结果，我们初步断定原始数据取值不合适。为了验证此推论，我们决定按照凸轮图样在Pro/ENGINEER野火2.0版中进行三维仿真。
进入软件后点击文件、新建，选新建零件，在名称中输入CAM001后进入绘图模式，然后点拉伸特征并进入草绘环境。在草绘环境下，按设计图样进行绘图，先作出内孔φ55以及R55和R37大小两个圆弧，接着按图给出过渡段5°一个特征点共18个。然后通过大小圆弧的端点和特征点作出两段样条曲线，这样拉伸用草图就生成了，如图2所示。点击确定后进行实体拉伸，输入拉伸厚度尺寸10得到三维模型如图3示。
图2 凸轮草绘图
图3 原始的凸轮三维图
从图3中可以明显看出凸轮表面凹凸明显，不顺滑，尤其是过度段与圆弧相接处明显有棱边，与采用线切割加工出的凸轮轮廓十分接近。
根据仿真效果和凸轮的工作时序要求，现决定用Pro/ENGINEER软件在保证大小圆弧段的时序前提下进行数值微调，使凸轮曲面更滑顺。把明显的凹凸部位数值进行调整，并增加样条曲线和圆弧连接点为相切关系，修改后的图样和三维模型如图4、图5示。
图4 修改特征点后的图样
图5 数据修正后的凸轮三维图
从图5可以明显看出，修正后凸轮三维效果已经非常接近理想值，表面比较光顺，接下来就是如何把数据转成数控铣床可识别的文本坐标格式，并进行校正了。
2. 利用Excel进行数据计算并转换成点坐标尺寸
为了便于数据导入Pro/ENGINEER进行验证，并生成数控所用的数据点坐标文本，同时为保证凸轮表面光滑度，需要给出足够多的坐标点，通常按照1°的间隔把圆周分为360个数据点，此时把圆弧部分也给均分的目的是保证与样条连接近似为相切关系，同时也可以一次把整个轮廓给加工出来。
这里我们借助Excel表格的统计和函数关系便可方便地得出点的坐标，所用的Excel计算表如图6示。
其中，A项为均分360个点的角度；B项为点的弧度（使用函数Fx=RADIANS（A：A））；C项为点的角度对应得余玄值，使用函数Fx=COS（B：B）；D项为点的角度对应得正玄值，使用函数Fx=SIA（B：B）；E项为点对应的极径，其中样条曲线段采用一条极径按角度陈列后与曲线所截成的线段长；F项为点的横坐标，使用函数Fx=E*C；G项为点的纵坐标，使用函数Fx=E*D；H、L项为点的第三方向坐标均为0（此项目的是为数据倒入Pro/ENGINEER中校核使用）；J、K两项为圆整小数点后位数，使用函数Fx=ROUND（F，3）和 Fx=ROUND（G，3）。这样就完成数据计算和转换。
图6 Excel点坐标值计算
3. 利用Pro/ENGINEER进行修正后数据校验
经过Excel转换后圆周360个特征点坐标数据就得到了。为了校验数据的合理性和进一步完善凸轮表面顺滑度，现利用Pro/ENGINEER软件生成通过360个点的曲线得到三维实体。
进入Pro/ENGINEER程序，新建零件CAM002，然后进入草绘，建一个水平和垂直的中心线，在交点上放置一个坐标系，再用样条曲线在屏幕上任意点击几下作一个封闭曲线，此时注意必须保证刚建立的坐标系在曲线框内部如图7示。选中曲线，按下鼠标右键选修改进入曲线属性界面，展开文件菜单如图8示，再点箭头选中图中所建坐标系。最后再点击保存按钮，就把此曲线的上几个特征点的坐标值保存下来，名称可设为CAM_line.pts。
图7 封闭曲线
图8 曲线属性
使用记事本程序打开CAM_line.pts文件，可以看到Pro/ENGINEER中样条曲线特征所使用的文件格式如图9示。
图9样条曲线特征所使用的文件格式
然后把Excel得到的360个点坐标X、Y、Z按次序通过写字板程序转换后，粘贴到CAM_line.pts文件，替换掉其中点坐标值后再保存CAM_line.pts文件。此时要注意，必须保证第一个点坐标与最后一个点坐标一致，才能形成封闭曲线。
接下来再次回到Pro/ENGINEER中的图8界面，选OPEN文件打开刚保存的CAM_line.pts文件，出现“文件包含不同的点数，是否继续?”提示，选取是。此时凸轮数据就调入Pro/ENGINEER中，若数据正确就可以得到如图10示的规则曲线图。
图10 凸轮曲线调入
此时再利用曲线属性中的曲率显示，对曲率变化转折大的地方进行拖动，使整体曲率变化平稳，曲率图越规则，则表示凸轮光顺度越好，再次选取3点拟合，修改后凸轮曲线就和理想状态就十分接近。最后确定退出草绘，拉伸后就得到校正后的凸轮模型。经过修正后凸轮的三维模型如图11所示，从图中可以看出凸轮表面光顺度比较理想。
图11 修正后凸轮模型
4. 数据转化成数控铣床识别格式
我们采用的数控铣床可识别的文件为点的坐标尺寸文本表，可识别格式为：X+点的横坐标+空格+Y+点的纵坐标。下面就是导出数据，转化成数控文本格式的过程。
把修改后凸轮曲线数据重新保存一次，用写字板打开后，复制粘贴到Excel中，用合并字符串函数，CONCATENATE进行合并，如图12示。
图12 数据合并
现把图12中C列第二项边框向下拉伸，所有特征点坐标就完成合并，把C例复制粘贴到新文档中单独保存为纯文本文件后，即可直接输入数控铣床，利用铣床程序添加刀补半径，即可显示出完整的刀具轨迹了。而对操作工人的技术水平要求就相对低的多，主要任务就是把零件找正装卡到位即可。
通过对加工后零件的检测和装机试验，改善效果比较理想，滚子在凸轮表面运动平稳，达到预期效果。
三、结束语
通过Pro/ENGINEER、Excel、写字板软件的综合应用，完成凸轮的仿真、改进、校正和数控数据的输出，大大降低了手工编程的复杂程度，保证零件的加工精度，提高效率，降低对操作工人技术水平的要求。
原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)
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(5/19/2006) |
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