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一種數(shù)控凸輪軸銑床數(shù)據(jù)處理軟件的使用方法

2020-5-12 來源：江西應(yīng)用工程職業(yè)學(xué)院作者：童　勛

摘要：介紹一種使用全數(shù)字控制加工凸輪軸凸輪的銑削方法，由該原理制造的數(shù)控銑床可替代用機(jī)械靠模車削凸輪的傳統(tǒng)工藝，使凸輪加工實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：凸輪軸；銑床；數(shù)控

　0 引言

在數(shù)控技術(shù)未普及以前，各類凸輪零件（發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、平板凸輪、圓柱凸輪、凸輪槽等）的凸輪廓形加工均采用靠模仿形加工。這種工藝方法十分落后，不但靠模制造復(fù)雜、調(diào)整困難、更換產(chǎn)品品種時(shí)費(fèi)工費(fèi)時(shí)，更大的缺陷是精度低、表面粗糙度差，靠模成形加工大大地阻礙了零件質(zhì)量的提高。即使在數(shù)控技術(shù)發(fā)展日新月異的今天，部分凸輪加工可以在普通數(shù)控銑床和加工中心上加工，但就其質(zhì)量而言仍然存在著 “表面波紋” 的一致命缺陷。

而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的凸輪廓形加工，以上數(shù)控設(shè)備卻無法實(shí)現(xiàn)。利用三坐標(biāo)數(shù)控凸輪軸銑床的三坐標(biāo)兩兩聯(lián)動(dòng)（一軸旋轉(zhuǎn)，一軸直線運(yùn)動(dòng)）可實(shí)現(xiàn)各類凸輪的自動(dòng)銑削加工，不但解決了一般數(shù)控銑床的 “表面波紋”，而且還可以實(shí)現(xiàn)凸輪軸的凸輪廓形加工；既克服了數(shù)控銑床的兩軸直線插補(bǔ)所產(chǎn)生的“波紋”，又大大降低了設(shè)備制造費(fèi)用，使凸輪零件的制造成本降低１００～２００％，而質(zhì)量提高１個(gè)數(shù)量級(jí)。

１、機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖１　機(jī)床形狀

１．１　利用全功能斜置導(dǎo)軌數(shù)控車床作為主體結(jié)構(gòu)，將原主軸的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)改為數(shù)控伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

１．２　在拖板橫向滑頭上設(shè)置一個(gè)動(dòng)力銑削頭。

１．３　采用三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)。

ａ．Ｘ軸，驅(qū)動(dòng)拖板橫向滑頭；

ｂ．Ｙ軸，驅(qū)動(dòng)拖板縱向移動(dòng)；

ｃ．Ｚ軸，驅(qū)動(dòng)主軸。

１．４　增加一個(gè)軸類加工的輔助中心支承機(jī)構(gòu)。

１．５　其它：床身、床腳、冷卻、液壓、潤滑、照明等均與原數(shù)控車床相同。

１．６　機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)

圖２　機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)

２、加工的凸輪結(jié)構(gòu)

包括平板凸輪、平板槽凸輪、園柱槽凸輪、汽車剎車凸輪軸、發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸等（見圖３）。

圖３　各類凸輪形狀

３、加工原理

如圖４，若圓盤一方面繞自身軸心作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面整體作相對(duì)于ＸＯＹ坐標(biāo)的等速直線運(yùn)動(dòng)，而盤上某點(diǎn) Ｏ相對(duì)于ＸＯＹ坐標(biāo)不動(dòng)，那么，Ｏ點(diǎn)在圓盤上留下的軌跡應(yīng)是一條阿基米德螺線（等速曲線）ＯＡ：ρ＝ρ０／ａ０（ρ＝ｖｔ?。幔埃剑鳎簟?rho;０為常量）我們常見的平板凸輪槽，其凸輪曲線太多近似阿基米德螺旋線。根據(jù)以上原理，如果將零件的加工模擬以上方法，將Ｏ點(diǎn)視為刀具，即可加工出我們所需的凸輪槽。一般數(shù)控車床均具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)加工功能，凡具有以上二種功能的數(shù)控機(jī)床，均可以利用其直線、圓弧插補(bǔ)功能實(shí)現(xiàn)

凸輪槽加工。如圖５中，利用其單軸運(yùn)動(dòng) （Ｚ軸旋轉(zhuǎn)）實(shí)現(xiàn)圓弧ＡＤ和ＢＣ的等程凸輪槽加工，利用Ｚ軸和Ｘ軸的直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn) ＡＢ和ＤＣ的升程凸輪槽加工。

圖４　加工原理圖

圖５　平板槽凸輪加工理圖

４、加工方法

４．１　平板凸輪、平板槽凸輪的加工

將工件用三爪卡盤裝夾在Ｚ軸上，銑刀主軸軸線與Ｚ軸軸線平行，利用Ｚ、Ｘ坐標(biāo)的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。

４．２　圓柱凸輪（或螺旋槽）的加工

將工件裝夾于三爪卡盤與尾架頂尖之間，銑刀軸線垂直于工件軸線，利用Ｚ、Ｙ兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。

４．３　凸輪軸（各類發(fā)動(dòng)機(jī)中的零件）的加工

將凸輪軸裝于卡盤與尾架頂尖之間，較細(xì)長軸中間置以輔助支承，利用Ｚ、Ｘ軸的聯(lián)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)Ｙ軸可軸向換位，達(dá)到自動(dòng)加工全部凸輪的目的。

５、凸輪廓形坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算

用數(shù)控加工首先要知道凸輪廓形的每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，選取的坐標(biāo)點(diǎn)越多，精度則越高。下面以一個(gè)偏心輪為例，計(jì)算偏心輪廓形極坐標(biāo)點(diǎn)，編制一個(gè)廓形極坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算程序。

５．１　建立數(shù)學(xué)模型

　　Ｐ（ｉ）點(diǎn)為偏心輪廓形上任意一點(diǎn)，偏心量為Ｅ，最大外徑為Ｄ。在 △ＯＰＯ′中，根據(jù) 余弦定理，｜ＯＰ｜=式中：ＯＰ為Ｐ點(diǎn)到軸心點(diǎn) Ｏ的極徑，Ｅ為偏心量，θ

為極徑繞Ｏ點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度，當(dāng)Ｏ極徑繞軸心Ｏ旋轉(zhuǎn)時(shí)，每轉(zhuǎn)△θ對(duì)應(yīng)一個(gè)｜ＯＰ｜值。函數(shù) Ｐ（θ）就是Ｐ點(diǎn)的極坐標(biāo)方程。

圖６　偏心輪數(shù)學(xué)模型圖

５．２　編制計(jì)算程序

圖７　流程圖

根據(jù)上式｜ＯＰ｜繞Ｏ點(diǎn)每轉(zhuǎn)△θ對(duì)應(yīng)一個(gè) Ｐ（θ）值。利用循環(huán)語句，取 △θ＝１，即每轉(zhuǎn)一度計(jì)算一個(gè)極徑值Ｐ（θ），一周?。常叮?deg;。程序如下：

其它形狀的凸輪也可用類似方法計(jì)算。

５．３　程序界面及計(jì)算結(jié)果

在圖８所示界面中輸入相應(yīng)值，點(diǎn)擊確定即可計(jì)算出偏心輪輪廓軌跡坐標(biāo)。圖８中所顯示的為Ｅ＝４．２，Ｄ＝３８，Ｒ＝１５的計(jì)算結(jié)果。

圖８　計(jì)算結(jié)果界面顯示

６、凸輪廓形的加工數(shù)據(jù)處理

偏心輪廓形軌跡是一組連續(xù)規(guī)則的曲線，而大部分凸輪廓形的升程部分是一種無規(guī)則的曲線軌跡，如汽車中的凸輪，這些軌跡一般都不能用一般函數(shù)關(guān)系式表述。數(shù)控機(jī)床的曲線加工運(yùn)動(dòng)是由兩坐標(biāo) （對(duì)于多維曲線是三坐標(biāo)以上）插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。根據(jù)本機(jī)特點(diǎn)，兩坐標(biāo)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)是一軸旋轉(zhuǎn)，一軸直線運(yùn)動(dòng)，由其所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡為阿基米德螺旋線，而絕大多數(shù)凸輪的升程軌跡均可用阿基米德螺旋線分段逼近計(jì)算。本機(jī)凸輪廓形加工數(shù)據(jù)處理實(shí)質(zhì)上就是基于阿基米德螺旋線，將凸輪廓形的不規(guī)則的無數(shù)點(diǎn)的集合劃分成若干段，每段包含一個(gè)阿基米德螺旋線，只是每段的阿基米德螺旋線的Ｋ值不同而已。由阿基米德螺旋線分段逼近計(jì)算的凸輪形狀誤差可小于０．０１ｍｍ，遠(yuǎn)高于凸輪的精銑加工標(biāo)準(zhǔn)。

７、數(shù)據(jù)加工程序處理

以上處理的凸輪廓形極坐標(biāo)點(diǎn)均為廓形的實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)，由于加工中存在刀具半徑干涉問題，刀具中心的運(yùn)動(dòng)不能按實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)以不產(chǎn)生干涉為原則，這樣才能加工出符合圖紙要求的凸輪廓形。計(jì)算模型如圖９所示，圖中Ｏ為凸輪軸心，Ｏ′刀具中心，當(dāng)?shù)毒呃@凸輪廓形滾動(dòng)時(shí)，｜ＯＯ′｜＝Ｏ′Ｐ２＋ＯＰ２槡＋２Ｏ′Ｐ·ＯＰ·ｃｏｓθ 。

圖９　刀具軌跡計(jì)算模型

７．１　程序流程圖

由于計(jì)算工作量十分龐大，下面繪制一程序圖來表達(dá)。（這里僅僅列出處理阿基米德螺旋線分段逼近計(jì)算銑削凸輪的刀具軌跡子程序）。

圖１０　程序流程圖

７．２　源程序

下面摘錄的是計(jì)算由阿基米德螺旋線分段逼近計(jì)算的銑削凸輪形狀的源程序。每段阿基米德螺旋線Ｋ值均可使凸輪形狀誤差小于０．０１ｍｍ。

綜合處理程序包含前面所述的兩個(gè)子程序，因此，在綜合處理程序中，用戶只要輸入幾個(gè)已知的參量，如偏心量、偏心輪的最大直徑、凸輪升程數(shù)據(jù)、凸輪形狀對(duì)稱與否、刀具直徑、端銑或周邊銑方式等，就可直接獲得簡單的加工程序。此軟件操作既簡單又便捷，易學(xué)易會(huì)。為了滿足各層次用戶的要求，軟件采用窗口式的會(huì)話操作，操作人員只需單擊幾個(gè)按鍵，或用鼠標(biāo)輕點(diǎn)幾個(gè)圖標(biāo)，就可輕而易舉地獲得凸輪的加工參數(shù)程序。軟件系統(tǒng)主界面如圖１１所示：

圖１１　軟件系統(tǒng)主界面

　　計(jì)算出凸輪的廓形極坐標(biāo)后，還應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)控加工程序，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特征，符合本機(jī)床原理的阿基米德螺旋線的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)用數(shù)控的直線插補(bǔ)即可實(shí)現(xiàn)。不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，其凸輪形狀也不盡相同。凸輪升程有平面測量、滾子測量、點(diǎn)測量之分，由于軟件考慮到了以上各種因素，因而該軟件具有良好的通用性。某凸輪加工通過數(shù)據(jù)處理軟件處理好的加工子程序如下：

７．３　自動(dòng)生成主程序

圖１２　數(shù)控加工主程序生成界面

　　為了方便用戶，軟件備有自動(dòng)生成主程序功能。用戶只需按界面的文本編輯對(duì)話框中的提示輸入相應(yīng)的值即可自動(dòng)生成主程序（見圖１２數(shù)控加工主程序生成界面）。生成的某凸輪軸主程序如下：

８、加工實(shí)例

根據(jù)以上原理開發(fā)的數(shù)控凸輪軸銑床，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到驗(yàn)證。實(shí)踐證明，利用以上方法加工出的凸輪廓形無論在幾何精度，還是表面粗糙度都有顯著提高，一舉解決了凸輪廓形加工難題，由此加工的凸輪尺寸精度提高２倍以上，表面粗糙度提高１個(gè)數(shù)量級(jí)，生產(chǎn)效率提高２倍以上，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。圖１３是一種凸輪加工的圖形模擬軌跡。

圖１３　凸輪加工圖形模擬軌跡

　　充分利用ＣＮＣ數(shù)控資源，將機(jī)床主軸的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)改為數(shù)控伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使傳統(tǒng)的雙軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橐惠S旋轉(zhuǎn)、一軸直線運(yùn)動(dòng)的雙軸聯(lián)動(dòng)，從而可以方便地利用阿基米德螺旋線實(shí) 現(xiàn)凸輪廓形的分段逼近計(jì)算控制。這符合ＣＮＣ數(shù)控系統(tǒng)的控制規(guī)律，易于實(shí)踐數(shù)控化。

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