基于mastercam的平面凸轮NC加工

2015-01-02李江平

科技视界 2015年1期

李江平

（广东省科学技术职业学院，广东珠海 519090）

0 前言

凸轮机构广泛应用于纺织机械、印刷机械、食品机械、内燃机、自动化仪表以及各种轻工机械中。凸轮机构之所以得到了如此广泛的应用，是因为它兼有传动、导向及控制机构的各种功能，可以驱动从动件实现复杂的运动规律。以前受到设计和加工条件的限制,往往采用作图法设计凸轮轮廓和划线加工凸轮的方法。随着机械不断朝着高速、精密、自动化方向发展,对凸轮机构的转速和精度要求也不断提高,因此利用计算机辅助设计和应用数控机床加工凸轮是很有必要的。建立专用的凸轮CAD/CAM软件,在生产实践中会改善加工精度,降低制造成本和缩短产品开发周期，本人在进行数控铣加工编程中，采用了Mastercam中的MILL模块进行凸轮数控铣床编程，就是使用MILL模块中的Fplot工采用Fplot绘制出平面凸轮曲线，改善加工精度,降低制造成本和缩短产品开发周期.

1 Fplot介绍

本文以Mastercam9.0中文版为例介绍如何使用Mastercam中Fplot程序绘制复杂曲线与曲面，Fplot是一个函数绘图程序。它利用方程和选择建立相应的几何图形（包括点，线，样条曲线，曲面曲线，参数曲面或NURBS曲面）。该方程采用普通的代数符号。

2 eqn文件介绍

我们可以用普通文本编辑软件如记事本或写字板打开扩展名为eqn的文件，首先进入mastercam安装文件夹如D：mastercam9Chooks目录，可以看见几个扩展名为eqn的文件，有CANDY、CHIP、DRAIN、ELLIPSD、fplot、INVOL、SINE 等几个 eqn 文件。

3 复杂曲线的绘制

本文以sine.eqn为例介绍曲线的绘制，从fplot主菜单中选择“Get eqn”，然后输入“sine.eqn”文件的名称。选择“Plot it”创建线段构成一个周期的正弦波。按Alt-F1的，将线段适合屏幕大小。结果如图1。

图 1 sin(x)曲线

图2 sine.eqn文件

那我们查看一下sin.eqn文件到底是如何编写的。我们用记事本打开sin.eqn文件，可以看到以下内容，第一行step_var1=x表示第一个参数为x,第二行step_size1=0.2表示x的步进值为0.2,第三行lower_limit1=0表示x的变化范围最小值为0，第四行upper_limit1=6.28319表示x的变化范围最大值为6.28319，第五行geometry=lines表示绘制的几何图形为线，第六行 angles=radians表示角度采用弧度。第七行 origin=0,0,0表示图形原点为x=0,y=0,z=0。第八行 y=sin(x)表示绘制的线采用的方程为sin(x)。把sin.eqn看懂了，就很容易绘制其它的方程曲线了。

4 凸轮的绘制

在凸轮机构中，最常用的就是平面凸轮机构，要设计平面凸轮的轮廓曲线。设计方法通常有图解法和解析法两种。作图法简便易行、直观，作图误差较大，精度较低，适用于低速对从动件运动规律要求不高的一般精度凸轮设计；对于精度要求高的高速凸轮、靠模凸轮等，必须用解析法列出凸轮的轮廓曲线方程，用计算机辅助设计精确地设计凸轮机构。如设计下面的偏置滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线，已知偏距e=10mm，基圆半径r0=40mm，行程h=25mm，滚子半径rT=10，厚度为20mm。凸轮以角速度ω顺时针转动，从动件的运动规律为：

运动阶段 1，推程 Φ=180°、凸轮转角 φ(°)为 0～180，运动形式：等加速-等减速运动，运动方程方程：s=(2h/Φ2)φ2=(2*25/1802)φ2（0≤φ≤90）或 s=h-2h(Φ-φ)2/Φ2=25-2*25*(180-φ)2/1802（90≤φ≤180）

运动阶段 2，远休止 ΦS=30°、凸轮转角 φ(°)为 180～210，运动形式：静止不动，运动方程方程：s=h=25（180≤φ≤210）

运动阶段 3，回程 Φ=90°、凸轮转角 φ(°)为 210～300，运动形式：等加速-等减速运动，运动方程方程： s=h-(2h/Φ2)/φ2=25-(2*25/180)2/(φ-210)2（210≤φ≤300）或 s=2h(Φ’-φ’)2/Φ’2=2*25*(90-(φ-210))2/902（210≤φ≤300）

运动阶段 4，远休止 ΦS=60°、凸轮转角 φ(°)为 300～360，运动形式：静止不动，运动方程方程： s=0（300≤φ≤360）

凸轮轮廓曲线零件图如下图。

图3 凸轮轮廓曲线零件图

1）凸轮轮廓曲线的极坐标方程

位移S方程如上已经给出

3）根据凸轮轮廓曲线的直角坐标方程分别建立6段凸轮曲线方程如下图

图4 6段凸轮曲线eqn方程

由6段凸轮曲线eqn方程生成的理论凸轮曲线如下图11。

图5 凸轮理论轮廓曲线

4）对于滚子从动件，我们得到理论轮廓线后，直接用offset(偏移)命令，出现提示：“指定偏移距离或[通过(T)]＜通过＞：”，输入滚子半径rT=10㎜，选择轮廓曲线作为偏移对象，指定内侧为偏移方向，即可得到凸轮的实际轮廓曲线。

5）拉伸草图轮廓，完成凸轮参数化建模。选择【插人】/【拉伸】命令或者单击工具栏中的拉伸按钮后，拉伸指定轮廓至指定高度20mm，完成凸轮实体建模。

6）生成凸轮中心孔。利用拉伸去除，生成凸轮中心孔，完成凸轮的建模。

图6 凸轮实际曲线

图7 凸轮实际外形

图8 生成的凸轮

5 加工方法的确定

加工平面凸轮一般采用两轴联动的数控铣床,大型平面凸轮可用等高垫垫在工作台上,中心孔找正后,确定坐标原点,用压板螺丝在凸轮的工艺孔上压住即可;而小型凸轮,一般用心定位,压紧即可。加工圆柱凸轮宜采用四轴(X,Y,Z轴与绕X旋转的A轴)或带数控转盘的3坐标,2坐标以上联动的数控铣床加工比较合适,根据槽宽及形状选择不同大小的刀具或成形刀具。为了加工方便,安装时,凸轮的轴线应平行于机床的X轴,由夹盘和顶尖夹紧工件。

6 工件装夹方案

由于该零件为小型凸轮，宜采用心轴定位，螺栓压紧即可。设定工件上表面与孔φ10H20轴线的交点为工件坐标系的原点。

7 加工顺序及进给路线

该凸轮的加工路线包括深度切入进给和平面切削，切削加工时当刀具至指定深度后，刀具在XY平面内运动，铣削凸轮轮廓。

8 选择刀具及切削用量

8．1 选择切削刀具

铣削刀具和刀具材料主要根据零件材料的切削加工性、工件表面几何形状和尺寸大小选择，由于零件材料为铝，切削加工性能较好。可采用整体式JT-MW型刀具系统，选用φ10mm的硬质合金键槽铣刀。数控铣床为华兴SK712A。

8．2 选择切削用量

依据零件材料铝的切削性能，硬质合金刀具材料的特性及加工精度要求确定切削用量。凸轮两侧面各留1mm精铣余量；切削速度和进给速度的选择应考虑刀具的工作效率和寿命，粗铣时主轴转速取1000r/min，进给速度取 50mm/min，精加工前，检测零件几何尺寸，依据检测结果决定刀具长度和刀具半径的偏置量，精铣时主轴转速取1000r/min，铣刀进给速度取 30mm/min，保证尺寸精度和表面质量符合图纸的加工要求。