Pro/E野火版2.0在凸輪加工和改進(jìn)中的應(yīng)用

    一、凸輪原始圖樣要求和加工方法改進(jìn)分析

    1. 凸輪的原始圖樣資料和技術(shù)要求

    凸輪的原始圖樣資料如圖1示，圖樣要求是：355°～185°為R55的圓弧，185°～235°為過(guò)渡段，235°～305°為半徑為R37的圓弧，305°～355°為過(guò)渡段。其中過(guò)渡段為5°均分，各特征點(diǎn)間通過(guò)樣條曲線連接。 
 

圖1 凸輪原始圖樣

    2. 線切割加工試制和問(wèn)題分析

    我們的線切割機(jī)床所用的軟件為CAXA的電子圖板，按圖樣要求做出圖形，其中過(guò)渡段為先做出特征點(diǎn)，然后通過(guò)各特征點(diǎn)做樣條與兩段圓弧相連，這樣鉬絲的軌跡曲線就形成了。隨后上毛胚試制，加工后發(fā)現(xiàn)凸輪輪廓表面有棱，不順滑。分析其原因?yàn)椋菏紫仍�始凸輪過(guò)渡曲線特征點(diǎn)數(shù)值不合適，因原圖樣描繪時(shí)間較早，為手工繪制的樣條曲線，造成曲線上特征點(diǎn)取值誤差大；其次就是圓弧與樣條曲線為直接相連，無(wú)法保證相切，故接縫處凸棱和凹棱較明顯。另外，線切割加工的不足是無(wú)法滿足表面粗糙度和加工效率的協(xié)調(diào)。

    3. 數(shù)控銑床加工凸輪的分析

    若采用配備了數(shù)控分度頭的數(shù)控銑床代替原來(lái)的靠模加工方法和線切割，不僅大大提高加工效率，降低了對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求，并且可以提高加工精度和保證表面光滑度要求。

    但因?yàn)橥馆喌臄?shù)控加工程序一般采用手工編制，其缺點(diǎn)是數(shù)控銑床軟件編譯采用直線插補(bǔ)，特征點(diǎn)間為直線連接，因手工編程方式的局限性，無(wú)法得到足夠的坐標(biāo)點(diǎn)，這樣就導(dǎo)致加工后的凸輪輪廓有一定偏差，導(dǎo)致凸輪表面出現(xiàn)接棱。原圖樣是按5°為間隔進(jìn)行分度，間隔較大，數(shù)據(jù)不能直接使用，若編程員對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行手工插值細(xì)化，則編程復(fù)雜，工作量太大，且數(shù)據(jù)校對(duì)困難，易出錯(cuò)。若能通過(guò)軟件獲得數(shù)控銑床可識(shí)別的文件，則將大大簡(jiǎn)化編程過(guò)程。

    二、運(yùn)用Pro/ENGINEER野火2.0

    針對(duì)傳統(tǒng)的線切割與數(shù)控銑床加工方法的綜合對(duì)比，以及對(duì)線切割試制樣品的分析，決定充分利用Pro/ENGINEER野火2.0和Excel軟件完成凸輪數(shù)據(jù)完善、軟件模擬和自動(dòng)生成數(shù)控銑床可以識(shí)別和使用的數(shù)據(jù)表。

    1. 使用Pro/ENGINEER進(jìn)行原始數(shù)據(jù)分析和校正

    根據(jù)線切割試制結(jié)果，我們初步斷定原始數(shù)據(jù)取值不合適。為了驗(yàn)證此推論，我們決定按照凸輪圖樣在Pro/ENGINEER野火2.0版中進(jìn)行三維仿真。

    進(jìn)入軟件后點(diǎn)擊文件、新建，選新建零件，在名稱中輸入CAM001后進(jìn)入繪圖模式，然后點(diǎn)拉伸特征并進(jìn)入草繪環(huán)境。在草繪環(huán)境下，按設(shè)計(jì)圖樣進(jìn)行繪圖，先作出內(nèi)孔φ55以及R55和R37大小兩個(gè)圓弧，接著按圖給出過(guò)渡段5°一個(gè)特征點(diǎn)共18個(gè)。然后通過(guò)大小圓弧的端點(diǎn)和特征點(diǎn)作出兩段樣條曲線，這樣拉伸用草圖就生成了，如圖2所示。點(diǎn)擊確定后進(jìn)行實(shí)體拉伸，輸入拉伸厚度尺寸10得到三維模型如圖3示。 
 

圖2 凸輪草繪圖
 
圖3 原始的凸輪三維圖

    從圖3中可以明顯看出凸輪表面凹凸明顯，不順滑，尤其是過(guò)度段與圓弧相接處明顯有棱邊，與采用線切割加工出的凸輪輪廓十分接近。

    根據(jù)仿真效果和凸輪的工作時(shí)序要求，現(xiàn)決定用Pro/ENGINEER軟件在保證大小圓弧段的時(shí)序前提下進(jìn)行數(shù)值微調(diào)，使凸輪曲面更滑順。把明顯的凹凸部位數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，并增加樣條曲線和圓弧連接點(diǎn)為相切關(guān)系，修改后的圖樣和三維模型如圖4、圖5示。 
 

圖4 修改特征點(diǎn)后的圖樣

圖5 數(shù)據(jù)修正后的凸輪三維圖

    從圖5可以明顯看出，修正后凸輪三維效果已經(jīng)非常接近理想值，表面比較光順，接下來(lái)就是如何把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成數(shù)控銑床可識(shí)別的文本坐標(biāo)格式，并進(jìn)行校正了。

    這里我們借助Excel表格的統(tǒng)計(jì)和函數(shù)關(guān)系便可方便地得出點(diǎn)的坐標(biāo)，所用的Excel計(jì)算表如圖6示。

    其中，A項(xiàng)為均分360個(gè)點(diǎn)的角度；B項(xiàng)為點(diǎn)的弧度（使用函數(shù)Fx=RADIANS（A：A））；C項(xiàng)為點(diǎn)的角度對(duì)應(yīng)得余玄值，使用函數(shù)Fx=COS（B：B）；D項(xiàng)為點(diǎn)的角度對(duì)應(yīng)得正玄值，使用函數(shù)Fx=SIA（B：B）；E項(xiàng)為點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極徑，其中樣條曲線段采用一條極徑按角度陳列后與曲線所截成的線段長(zhǎng)；F項(xiàng)為點(diǎn)的橫坐標(biāo)，使用函數(shù)Fx=E*C；G項(xiàng)為點(diǎn)的縱坐標(biāo)，使用函數(shù)Fx=E*D；H、L項(xiàng)為點(diǎn)的第三方向坐標(biāo)均為0（此項(xiàng)目的是為數(shù)據(jù)倒入Pro/ENGINEER中校核使用）；J、K兩項(xiàng)為圓整小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)，使用函數(shù)Fx=ROUND（F，3）和 Fx=ROUND（G，3）。這樣就完成數(shù)據(jù)計(jì)算和轉(zhuǎn)換。 
 

圖6 Excel點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算

    3. 利用Pro/ENGINEER進(jìn)行修正后數(shù)據(jù)校驗(yàn)

    經(jīng)過(guò)Excel轉(zhuǎn)換后圓周360個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)就得到了。為了校驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性和進(jìn)一步完善凸輪表面順滑度，現(xiàn)利用Pro/ENGINEER軟件生成通過(guò)360個(gè)點(diǎn)的曲線得到三維實(shí)體。

    進(jìn)入Pro/ENGINEER程序，新建零件CAM002，然后進(jìn)入草繪，建一個(gè)水平和垂直的中心線，在交點(diǎn)上放置一個(gè)坐標(biāo)系，再用樣條曲線在屏幕上任意點(diǎn)擊幾下作一個(gè)封閉曲線，此時(shí)注意必須保證剛建立的坐標(biāo)系在曲線框內(nèi)部如圖7示。選中曲線，按下鼠標(biāo)右鍵選修改進(jìn)入曲線屬性界面，展開(kāi)文件菜單如圖8示，再點(diǎn)箭頭選中圖中所建坐標(biāo)系。最后再點(diǎn)擊保存按鈕，就把此曲線的上幾個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值保存下來(lái)，名稱可設(shè)為CAM_line.pts。 
 

圖7 封閉曲線
 

圖8 曲線屬性

    使用記事本程序打開(kāi)CAM_line.pts文件，可以看到Pro/ENGINEER中樣條曲線特征所使用的文件格式如圖9示。 
 

圖9  樣條曲線特征所使用的文件格式

    然后把Excel得到的360個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)X、Y、Z按次序通過(guò)寫(xiě)字板程序轉(zhuǎn)換后，粘貼到CAM_line.pts文件，替換掉其中點(diǎn)坐標(biāo)值后再保存CAM_line.pts文件。此時(shí)要注意，必須保證第一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)與最后一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)一致，才能形成封閉曲線。

    接下來(lái)再次回到Pro/ENGINEER中的圖8界面，選OPEN文件打開(kāi)剛保存的CAM_line.pts文件，出現(xiàn)“文件包含不同的點(diǎn)數(shù)，是否繼續(xù)?”提示，選取是。此時(shí)凸輪數(shù)據(jù)就調(diào)入Pro/ENGINEER中，若數(shù)據(jù)正確就可以得到如圖10示的規(guī)則曲線圖。 
 

圖10 凸輪曲線調(diào)入

    此時(shí)再利用曲線屬性中的曲率顯示，對(duì)曲率變化轉(zhuǎn)折大的地方進(jìn)行拖動(dòng)，使整體曲率變化平穩(wěn)，曲率圖越規(guī)則，則表示凸輪光順度越好，再次選取3點(diǎn)擬合，修改后凸輪曲線就和理想狀態(tài)就十分接近。最后確定退出草繪，拉伸后就得到校正后的凸輪模型。經(jīng)過(guò)修正后凸輪的三維模型如圖11所示，從圖中可以看出凸輪表面光順度比較理想。 
 

圖11 修正后凸輪模型

    我們采用的數(shù)控銑床可識(shí)別的文件為點(diǎn)的坐標(biāo)尺寸文本表，可識(shí)別格式為：X+點(diǎn)的橫坐標(biāo)+空格+Y+點(diǎn)的縱坐標(biāo)。下面就是導(dǎo)出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)控文本格式的過(guò)程。

    把修改后凸輪曲線數(shù)據(jù)重新保存一次，用寫(xiě)字板打開(kāi)后，復(fù)制粘貼到Excel中，用合并字符串函數(shù)，CONCATENATE進(jìn)行合并，如圖12示。

    現(xiàn)把圖12中C列第二項(xiàng)邊框向下拉伸，所有特征點(diǎn)坐標(biāo)就完成合并，把C例復(fù)制粘貼到新文檔中單獨(dú)保存為純文本文件后，即可直接輸入數(shù)控銑床，利用銑床程序添加刀補(bǔ)半徑，即可顯示出完整的刀具軌跡了。而對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求就相對(duì)低的多，主要任務(wù)就是把零件找正裝卡到位即可。

    通過(guò)對(duì)加工后零件的檢測(cè)和裝機(jī)試驗(yàn)，改善效果比較理想，滾子在凸輪表面運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，達(dá)到預(yù)期效果。

圖12 數(shù)據(jù)合并

    三、結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)Pro/ENGINEER、Excel、寫(xiě)字板軟件的綜合應(yīng)用，完成凸輪的仿真、改進(jìn)、校正和數(shù)控?cái)?shù)據(jù)的輸出，大大降低了手工編程的復(fù)雜程度，保證零件的加工精度，提高效率，降低對(duì)操作工人技術(shù)水平的要求。