CN100462881C - 摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法，按以下步骤进行：(1)生成空间凸轮机构运动关系的3D展开线；(2)生成3D展开线的数控刀路；(3)编辑数控程序；(4)加工空间凸轮工件；所述步骤(2)生成3D展开线的数控刀路，其特点是先将与展开方向平行的3D展开线的直线部分切割成小直线段，以保证均由小直线段来拟合光滑3D展开曲线的数控加工刀路；步骤(3)编辑数控程序，其特点是在每一个直线加工程序段中插入调用圆加工子程序指令，并根据空间凸轮凹槽宽度尺寸及加工刃具尺寸，手工编写圆加工子程序，该圆的圆心既是上个小直线段的终点，也是下个小直线段的起点。该方法切实可行，且误差小、效率高。

Description

摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，涉及一种机械零件的加工方法，特别是一种摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法。

背景技术

目前，空间凸轮的制造设备主要是数控机床或专用机床，采用的方法一般是共轭创成法(亦称范成法)。空间凸轮廓面和从动件滚子表面是一对共轭曲面。在一般情况下，共轭曲面的加工按共轭运动方法进行，即刀具曲面与工件按给定的共轭运动进行相对创成运动，刀具曲面在相对运动中包络加工出凸轮廓面。通常采用的刀具的特征几何参数(如半径)与摆动从动件(滚子)的特征几何参数相一致，称为等径刀具。用等径刀具进行的加工称为等径加工。显然，等径加工可以准确加工出空间凸轮的复杂廓面。虽然等径加工简单而明了，但在实际加工中经常遇到非等径加工的情况：如①刀库中刀具有限，不一定有等径刀具可选；②加工时不可避免的机械磨损，造成刀具半径发生变化；③对于从动件(滚子)半径较大的空间凸轮，制造等径刀具不现实。另外，空间凸轮属于非标准件、非系列化的机械产品，一般是单件小批量生产，制造等径刀具就意昧着延长生产周期，提高生产成本。这是与现代制造快速响应市场需要、低成本的特点不适应的。由此可见，开展空间凸轮的非等径加工的研究具有重要的现实意义。

空间凸轮一般分为直动从动件空间凸轮和摆动从动件空间凸轮两种类型。很多资料中都对空间凸轮凹槽的非等径加工进行了分析和研究，如【1】何有钧等.空间凸轮刀位补偿加工方式中理论加工误差的研究.中国机械工程.2001.9；【2】尹明富等.空间凸轮的精密加工和非等径数控加工刀位控制新方法.新技术新工艺.2002.7；【3】郭培全等.弧面分度凸轮的非等径数控加工自动编程.制造技术与机床.2004.8；【4】郭为忠.空间凸轮廓面非等价加工的基本原理.三峡大学学报.2001.4；【5】高秀兰等.圆柱滚子空间凸轮的两重包络法加工分析与改进.轻工机械.2005.2；【6】滕皓等.圆柱分度凸轮非等径数控加工自动编程.济南大学学报.2003.6。总而言之，空间凸轮凹槽的非等径加工目前可采用的方法有3种：第一种方法是凸轮廓面按自由曲面处理，采用端面铣刀或球头刀加工，这使凸轮与刀具之间失去了包络性质，是一种点位加工方式，其数据处理量大，加工效率低，加工精度较难保证；第二种方法是通过刀位来补偿刀径偏差，称为偏距法，刀具和工件按共轭运动来实现廓面加工，但受廓面加工误差范围的限制，无法保证高精度空间凸轮加工的要求；第三种方法就是两重包络法，刀径可选范围大，无理论误差，柔性好，但据申请人所知，目前还仅停留在理论研讨的层面上，在实际的非等径加工中未见有切实可行的技术解决方案。

如何用非等径刀具数控加工摆动从动件空间凸轮凹槽，这是许多生产企业均面临的实际问题。摆动从动件空间凸轮的非等径刀具数控加工须采用四轴数控加工，相应的数控设备可以是现有技术的四轴铣床或四轴加工中心。但关键是如何得到相应的数控程序，目前尚无通用CAM软件可直接生成该加工的数控程序。查阅相关文献如【6】刘德福等.空间凸轮数控加工的几个关键问题.机械传动.2003.3；【7】李俭等.圆锥凸轮廓面的数控加工方法研究.成都大学学报(自然科学版).2005.12等；但均未见有切实可行的数控加工的技术解决方案。【8】本发明人的公开号为CN101008439A名称为“摆动从动件圆柱凸轮凹槽的加工方法”的发明专利申请，解决了空间凸轮的等径加工问题，但它为一种粗加工方案，仍未解决高精度空间凸轮的非等径加工问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能提高加工效率，保证加工精度，避免从动件的设计运动轨迹与实际工作过程中运动轨迹之间产生误差，且在实际生产中切实可行的摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法。

本发明的技术解决思路是，对本发明人的在先发明专利申请《摆动从动件圆柱凸轮凹槽的加工方法》的进一步拓展，在原有的基础上，对与展开方向平行的3D展开线的直线部分切割成小直线段，再应用通用CAM软件根据所得3D展开线生成用小直线段拟合的数控加工刀路，进行数控编程，在数控程序中插入调用子程序指令，并根据空间凸轮凹槽宽度尺寸、加工刃具尺寸及加工余量，手工编写圆加工子程序，在四轴数控机床上，加工出符合精度要求的摆动从动件空间凸轮凹槽。

本发明的技术解决方案是，提供一套切实可行的摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法，按以下步骤进行：

(1)生成空间凸轮机构运动关系的3D展开线；

(2)生成3D展开线的数控刀路；

(3)编辑数控程序；

(4)加工空间凸轮工件；

其中步骤(1)和步骤(4)与《摆动从动件圆柱凸轮凹槽的加工方法》中的步骤(1)和步骤(4)完全相同(只是步骤(1)、(4)中的“圆柱凸轮”改为“空间凸轮”)；

本发明方法的特点是：

所述步骤(2)生成3D展开线的数控刀路，指：

用通用CAM软件，对摆动从动件运动轨迹的3D展开线进行数控编程，以铣刀的运动模拟摆动从动件的运动，完成圆柱凸轮凹槽的范成法加工。

首先必须对所得到的3D展开线进行旋转，将3D展开线及展开面绕展开方向(Y轴)旋转90°，至展开面中间凸起(即沿+Z向凸起)，将与展开方向平行的3D展开线的直线部分切割成小直线段，以保证均由小直线段来拟合光滑3D展开曲线的数控加工刀路，拟合的直线段越小，加工刀路精度越高，用三轴铣刀路的轮廓铣加工方式，选用直径为零的铣刀生成加工刀路。这里尤其要注意的是，不能选用与实际加工相符的立铣刀，不然会发生刀路的偏移。

所述步骤(3)编辑数控程序，指

对生成的加工刀路进行后置处理，得到三轴数控程序，并对其进行编辑，在每一个直线加工程序段中插入调用圆加工子程序指令，并根据空间凸轮凹槽宽度尺寸及加工刃具尺寸，手工编写圆加工子程序，该圆的圆心既是上个小直线段的终点，也是下个小直线段的起点，用A替换该程序中的Y，用Y替换该程序中的Z，X不变；并手工加入Z向的进、退刀，即可得到用于空间凸轮凹槽加工的非等径四轴数控程序。

本发明摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法与现有技术相比，具有以下独创的思路和显著的优点：

由于本发明遵循摆动从动件相对于空间凸轮运动的规律，创造性地提出了在摆动从动件空间凸轮机构的运动过程按3D原则展开的方案基础上，基于通用的CAM软件，通过对数控程序的编辑，得到了能完全实现摆动从动件空间凸轮非等径数控加工的四轴程序；在通用四轴数控机床上，加工出完全符合精度要求的摆动从动件空间凸轮凹槽，所以，用本方法加工出的摆动从动件空间凸轮的凹槽精度高，彻底避免了受廓面加工误差范围的限制，提高了加工效率。

本发明提供了一套切实可行的具有具体技术实施方案的摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法，易于实现，容易掌握，解决了困扰本行业企业多年来渴望解决但一直未能妥善解决的技术难题，必将有助于相关产品的技术提升，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法所涉及到的摆动从动件空间凸轮机构的主视结构示意图。

图2是本发明方法所涉及到的摆动从动件空间凸轮机构的俯视结构示意图。

图3是本发明方法的摆杆支点的运动轨迹图。

图4是本发明方法的摆动从动件相对空间凸轮的运动过程展开示意图。

图5是本发明方法的摆杆摆角曲线示意图。

图6是本发明方法的摆杆摆角曲线的3D展开线示意图。

图7是本发明方法的从动件位移曲线示意图。

图8是本发明方法的从动件位移曲线的3D展开线示意图。

图9是本发明方法的展开线直线部分切割成小直线段，并生成加工刀路示意图。

图10是本发明方法的非等径数控加工程序说明示意图。

图中所示：1、空间凸轮，2、从动件，3、刀具，4、小直线段，5、摆杆，6、展开面，7、展开线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细说明，但本发明不仅局限与以下实施例。

在图1、图2中，空间凸轮的轴线为Z轴，空间凸轮轴线与摆杆摆动轴线的公垂线为X轴，Y轴可根据右手法则来决定，建立笛卡儿直角坐标系如图所示。设其摆杆的摆角为ψ；摆杆长度l为；从动件半径为r；空间凸轮转角为φ；摆杆旋转轴到空间凸轮旋转轴的距离为a；空间凸轮外圆半径为R。当空间凸轮1绕Z轴按图2所示φ方向旋转时，带动摆动从动件2沿空间凸轮1的凹槽，在摆杆5摆动的平面内，绕支点0作圆弧运动，这即是摆动从动件空间凸轮机构的运动过程。

依据本发明的技术解决方案，摆动从动件空间凸轮凹槽的加工方法的具体实施步骤为：

(1)生成空间凸轮机构运动关系的3D(即3维)展开线

①展开摆动从动件相对空间凸轮的转动运动

用反转法，设空间凸轮不动，从动件(如滚子)、摆杆机架(所述摆杆机架由摆杆、铰接点和铰接固定点组成)绕空间凸轮轴以反方向转动一周，摆杆支点的运动轨迹如图3中双点划线，为一圆周。将该双点划线圆周展开成双点划线直线，令其与从动件及摆杆运动平面垂直，如图4所示，该双点划线直线方向(也即圆柱凸轮旋转的展开方向)平行于坐标的Y轴方向，摆动从动件相对空间凸轮旋转，并随摆杆摆动运动过程，则被展开成半径为摆杆长l(本例中长度设为100毫米)的空间展开面6(见图4)。

②生成运动关系的3D展开线7(见图6)

根据摆动从动件空间凸轮机构所实现的控制目标不同，通常可用摆杆摆角曲线或摆动从动件位移曲线来描述其运动规律，以下分别对这两种情况进行展开，摆杆摆角曲线的3D展开线或摆动从动件位移曲线的3D展开线：

a.生成摆杆摆角曲线的3D展开线

按空间凸轮转角与摆杆的摆角的运动关系，绘制摆杆摆角曲线(见图5)，摆杆摆角曲线图以空间凸轮转角φ为横坐标，摆杆的摆角ψ为纵坐标；φ的范围为[0，360]单位为毫米(角度数值以毫米为单位绘制)，摆角ψ按比例2π * l/360放大(即将角度转换为弧长)，本例中摆杆长度l为100毫米，摆角ψ的范围为[-20°，20°]，换算得范围为[-34.9，34.9]其单位为毫米，绘制的摆杆摆角曲线，凸轮的推程和回程均为匀速；如图5所示，其中推程(AB)——从动件在空间凸轮凹槽的推动下，由最低位置被推到最高位置，其相应的空间凸轮转角称为推程运动角(160°)；远休(BC)——从动件处于最高位置而静止不动的这一过程，与之相应的空间凸轮转角称为远休止角(40°)；回程(CD)——从动件又由最高位置回到最低位置的这一过程，相应的凸轮转角称为回程运动角(90°)；近休(DE)——从动件处于最低位置而静止不动的这一过程，相应的空间凸轮转角称为近休止角(70°)。

再用通用CAD软件的曲线粘贴功能，本例中运用Cimatron it软件，进入用户程序：USER→geometry→wrap.d1l，将绘制的摆杆摆角曲线(平面图形)，粘贴在半径为摆杆长(100毫米)的展开圆柱面上，其φ轴沿空间母线(或圆柱轴线)方向，得到的3D展开线即为摆杆摆角曲线的3D展开线(见图6)，任意圆柱凸轮转角φ值，均能在该展开线上找到其对应的摆杆摆角ψ；从而确定了从动件的位置，本例中摆杆摆动轴到空间凸轮旋转轴的距离α为95毫米。该位置可用坐标值表示为：

$\left\{\begin{array}{c}X=95-100\cos \mathrm{\ψ}\\ Y=\mathrm{\φ}\\ Z=100\sin \mathrm{\ψ}\end{array}\right.$ ①

式中：φ与ψ满足空间凸轮转角与摆杆的摆角的运动关系。或

b.生成摆动从动件位移曲线的3D展开线

空间凸轮转角与摆动从动件位移之间的关系曲线，绘制摆动从动件位移曲线平面图，以空间凸轮转角φ为横坐标，摆杆从动件的位移S为纵坐标；φ的范围为[0，360]，单位为毫米(角度数值以毫米为单位绘制)；位移S按所给位移长绘制，单位为毫米，如图7。

再用通用CAD软件的曲线投影功能，本例中运用Cimatron it软件，在其CAD模块下，选用方向投影，将绘制的摆动从动件位移曲线(平面图形)，投影到半径为摆杆长(l为100毫米)的3D展开面上，其φ轴与空间凸轮轴线平行，得到的3D展开线即为摆动从动件位移曲线的3D展开线(见图8)，任意圆柱凸轮转角φ值，均能在该展开线上找到其对应的摆杆从动件的位移S；从而确定了从动件的位置，该位置可用坐标值表示为：

$\left\{\begin{array}{c}X=95-\sqrt{{100}^2-S^2}\\ Y=\mathrm{\φ}\\ Z=S\end{array}\right.$ ②

式中：φ与S满足圆柱凸轮转角与摆动从动件位移之间的运动关系。

(2)生成3D展开线的数控刀路

用通用CAD/CAM软件Cimatron it，对摆动从动件运动轨迹的3D展开线进行数控编程，以铣刀的运动模拟摆动从动件的运动，完成空间凸轮凹槽的范成法加工。

首先必须对所得到的3D展开线进行旋转，将3D展开线及展开面绕展开方向(Y轴)旋转90°，至展开面中间凸起(即沿+Z向凸起)，将与展开方向平行的3D展开线直线部分切割成小直线段(见图9)，以保证均由小直线段4来拟合光滑3D展开曲线的数控加工刀路，拟合的直线段越小，加工刀路精度越高，用三轴铣刀路的轮廓铣加工方式，选用直径为零的铣刀3生成加工刀路。这里尤其要注意的是，不能选用与实际加工相符的立铣刀，不然会发生刀路的偏移。

(3)编辑数控程序

用通用CAD/CAM软件Cimatron it对加工刀路进行后置处理，设定程序段序号为“0”即生成程序段序号均为“N0”的数控程序，得到了三轴数控程序，并在每一个直线加工程序段中插入调用圆加工子程序指令，具体操作方法是，删除一部分“N0”，其余“N0”用“M98P2G90G01”替换，并根据空间凸轮凹槽宽度尺寸及加工刃具尺寸，手工编写圆加工子程序“00002”，该圆程序的圆心既是上个小直线段的终点，也是下个小直线段的起点，得到的刀路如图10所示，但该刀路是由展开及变换后的从动件运动轨迹生成的，无法直接用于加工，故数控程序也应做相应的编辑，用A(转动轴)替换该程序中的Y，用Y替换该程序中的Z，X不变；并手工加入Z向的进、退刀，完成整个四轴加工的数控程序的编辑，即可得到用于空间凸轮凹槽加工的非等径四轴数控程序如下(该程序可用于FANUC系统的数控铣床，程序编写可参见《FANUC数控编程手册》或【8】王爱玲等.现代数控编程技术及应用.国防工业出版社.2005)。

原生成数控程序：

％

00100

N0 G90 G80 G00 G17 G40 M23

N0 G43 H03 Z100.0 S1000 M03

N0 G00 X-34.876 Y0.0 Z100.0 M09

N0 Z1.0

N0 G01 Z-0.519 F150

N0 X-34.81 Y4.609 Z-0.501 F500

N0 X-34.69 Y9.217 Z-0.469

N0 X-34.585 Y11.514 Z-0.441

...

N0 X-34.804 Y340.446 Z-0.499 F250

N0 X-34.836 Y350.207 Z-0.508

N0 X-34.876 Y360.0 Z-0.519

N0 G00 Z100.0

N0 M30

％

编辑后数控程序(其中Z均为手工加入的进、退刀)：

％

00100

G90 G54 G00

Y100.0 S1000 M03

G00 X-34.876 A0.0 Y-0.519 Z100.0 M08

Z1.0

G01 Z-12.F150

M98 P2 G90 G01 X-34.81 A4.609 Y-0.501 F500

M98 P2 G90 G01 X-34.69 A9.217 Y-0.469

M98 P2 G90 G01 X-34.585 A11.514 Y-0.441

...

M98 P2 G90 G01 X-34.804 A340.446 Y-0.499 F250

M98 P2 G90 G01 X-34.836 A350.207 Y-0.508

M98 P2 G90 G01 X-34.876 A360.0 Y-0.519

G00 Z100.0

M30

％

调用的圆加工子程序

％

00002

G91 G01 X5.F600.

G02 X0.Y0.I-5.J0.

X-5.

M99

％

(4)加工空间凸轮工件

选用四轴数控铣床或四轴加工中心，其第四轴必须为A轴，用铣刀或砂轮对空间凸轮工件进行数控加工。设定加工坐标：在装夹空间凸轮工件后，将X坐标加工零点设在空间凸轮工件两端面之间的中点处(根据编程位置设定)；Y坐标加工零点设在工件旋转轴上；Z坐标加工零点设在工件最高点；A坐标加工零点可不设定，使用机床默认零点。执行编辑后的数控程序，即可加工完成摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工。

Claims (1)

1.一种摆动从动件空间凸轮凹槽的非等径数控加工方法，按以下步骤进行：

(1)生成空间凸轮机构运动关系的3D展开线；

(2)生成3D展开线的数控刀路；

(3)编辑数控程序；

(4)加工空间凸轮工件；

其特征在于：

所述步骤(2)生成3D展开线的数控刀路，指

用通用CAM软件，对摆动从动件运动轨迹的3D展开线进行数控编程，首先必须对所得到的3D展开线进行旋转，将3D展开线及展开面绕展开方向旋转90°，至展开面中间凸起，并将与展开方向平行的3D展开线的直线部分切割成小直线段，以保证均由小直线段来拟合光滑3D展开曲线的数控加工刀路，拟合的直线段越小，加工刀路精度越高，用三轴铣刀路的轮廓铣加工方式，选用直径为零的铣刀生成加工刀路；

所述步骤(3)编辑数控程序，指

对生成的加工刀路进行后置处理，得到三轴数控程序，并对其进行编辑，在每一个直线加工程序段中插入调用圆加工子程序指令，并根据空间凸轮凹槽宽度尺寸及加工刃具尺寸，手工编写圆加工子程序，该圆的圆心既是上个小直线段的终点，也是下个小直线段的起点，用A替换该程序中的Y，用Y替换该程序中的Z，X不变；并手工加入Z向的进、退刀，即可得到用于空间凸轮凹槽加工的非等径四轴数控程序。

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