【摘要】
本文介绍了一种计算机辅助设计圆柱凸轮的方法,先推导出凸轮的曲线方程,然后再阐述计算机软件生成凸轮的步骤。
【关键词】
圆柱凸轮 计算机辅助设计 曲线方程
图1
图2
图3
图4
随着现代计算机辅助设计的发展,越来越多的设计都要靠计算机来完成,从而大大提高了设计效率和设计精度。由于对凸轮的加工要求较高,所以凸轮的设计要很精确,特别是双面凸轮与双滚子配合的凸轮机构。凸轮与滚子接触的两个面加工起来比较困难,因此既要保证两个滚子与接触面紧密结合,又要保证双面凸轮与双面滚子在共同运动过程中不被卡死。本文介绍的凸轮计算机辅助设计方法,就解决了凸轮设计与加工的问题。
一、圆柱凸轮的曲线方程
在凸轮设计中常用的凸轮曲线有:等速直线、等加速、等减速(抛物线)、余弦加速度(简谐)、正弦加速度(摆线)。在设计凸轮时通常将几种曲线组合,组合时曲线在区间内连续,各拼结点(如A、B)处的速度相等,下面就“抛物线——直线——抛物线”组合的运动方程加以推导。
设计一个圆柱凸轮,其从动件在升程时按“抛物线(等加速)——直线——抛物线(等减速)”运动,运动区间分别为:00~500,500~800,800~1300,升程h=62mm,凸轮运动角β=1300。凸轮曲线图如图1所示。
1.在等加速抛物线阶段(00~500)
假设有与其相等的等减速段,则运动角β1=2×500=1000,行程为2h1。
S1=4h1(θ/1000)2
对上式求导得速度方程为:S1′(θ)=8h1θ/1002
当θ=500时,[S1′(θ)]A=(1/25)h1
2.在等速阶段(500~800)
相应的运动角β2=θ-500,设从A点开始计算的位移为S2,由于在A点等加速抛物线与等速阶段的速度相等,即:
S2′(θ)=[S1′(θ)]A=(1/25)h1
S2=(1/25)h1(θ-500)
当θ=800时,S2=(6/5)h1=h2
3.在等减速抛物线阶段(500~800)
假设有与其相等的等加速段,则运动角β3=2×(1300-800)=1000,行程为2h3。从B点开始计算的位移为S3,则
S3=2h3{1-2(1-[(θ-500)/1000]2)-h3}
对上式求出速度方程为:S3′(θ)=13h3/125-h3θ/1250
当θ=800时,[S3′(θ)]B=(1/25)h3
在B点直线段与抛物线的速度相等,A点与B点的速度相等,即:
[S1′(θ)]A=[S1′(θ)]B=[S3′(θ)]B=(1/25)h3=(1/25)h1
故h3=h1
4.求h1,h2,h3
由于h=h1+h2+h3,h2=(6/5)h1,h3=h1
故h=h1+(6/5)h1+h1=62mm
解得:h1=155/8,h2=93/4,h3=155/8。
5.曲线方程式
把h1,h2,h3分别带入S1,S2,S3中得:
00~500:S=155/2(θ/1000)2
500~800:S=31/40(θ-500)
800~1300:S=155/8-155/2{1-[(θ-500)/1000]2}
二、根据曲线方程在EXCEL中计算数据
利用EXCEL强大的数据计算功能可以计算处凸轮的数据,如图2。其中X代表图1中的横坐标θ,Y代表图1中的纵坐标S,升程S中的数据由曲线方程计算得出。在凸轮转角一栏是以10为单位,根据需要可以把单位分得更小,这样在曲线上的数据点就更多,在数控机床加工时就更精确。
三、建立凸轮模型
当在EXCEL中处理好凸轮数据以后把表中的笛卡儿坐标数据导入PRO/E软件中生成凸轮,具体操作如下:
1.建立凸轮圆柱体
先建立凸轮基体。如图3所示。
2.插入“图形”
当凸轮基体建立以后,在PRO/E工作界面中依次点击:“插入——模型基准——图形”,给图形命名为“图1”。进入“图形”工作界面后先插入坐标系,然后绘制一条样条曲线,双击样条曲线进行编辑。以笛卡儿坐标保存一个后缀名为*.pts的文件,把EXCEL中的笛卡儿坐标数据复制到文件中。在“图形”工作界面中再打开*.pts文件退出后就生成一条曲线。
编辑曲线还可以打开曲率分析工具,观看曲率线。如果曲率不光滑,说明EXCEL表中某处数据输入有错误,应该返回进行检查。
3.变截面扫描
在PRO/E工作界面中依次点击:“插入——可变截面扫描”,创建扫描的截面,在绘制扫描截面的截面中选择一尺寸,给其加入关系式“sd**=2+evalgraph(“图形1”,trajpar*N)。其中N代表EXCEL中X坐标的最后一个数据,即凸轮曲线平面坐标的X方向长度。关系式中“图形1”表示引用前面创建的“图形1”。最后就生成了图4的凸轮三维图形。
利用计算机辅助设计的方法制作出的凸轮,无论加工精度还是工作效率都有很大提高,如果数控加工系统与相关软件连接,可以直接对PRO/E中的三维模型进行加工,另外,也可以把EXCEL中的数据拷入数控加工系统进行加工。
[作者简介]张思韦,工程师,现任职于上海烟草机械有限责任公司,主要从事烟机设备的设计开发工作。