0 引言
圆柱凸轮机构是一种在机械工程中应用广泛的传动机构，其结构紧凑，又有良好的动力学性能，其中圆柱凸轮是一种具有等宽凸轮槽的构件，一般多为主动件。在设计凸轮机构时，必须根据从动件运动的要求设计出适当的圆柱凸轮槽曲线，才能确保从动件实现设计要求的运动规律。为了保证圆柱滚子从动件在凸轮槽中能够始终平稳运动，在利用四轴加工中心加工圆柱凸轮时，应使凸轮槽的工作表面始终保持严格平行，并且凸轮槽中任何位置的宽度要相等。本文以低速运动的送料机构为例，采用近似方法，将圆柱凸轮展开，提出了基于CAXA的圆柱凸轮沟槽设计与加工方法。
1 确定参数
在某送料机构中，利用圆柱凸轮机构完成往复送料工作，圆柱凸轮做等角速度旋转运动，送料盒做往复直线运动。送料盒行程为120mm，往复一次为一个周期，每个周期为12秒，其中送料盒在上极限位置停留2秒，下极限位置停留2秒。据此可知，在该圆柱凸轮机构中，送料盒做往复直线移动源于从动件滚子沿圆柱凸轮槽的运动，圆柱凸轮旋转一周的过程中，送料盒的移动规律为：上升—静止一下降—静止。
据此，可以得出：推程运动角φt=120°，远休止角φy=60°，回程运动角φh=120°，近休止角φj=60°，升程H=120mm，并且φt+φy+φh+φj=360°。从动件滚子中心的运动轨迹按照周长展开的曲线如图1所示。
图1 滚子中心运动轨迹曲线
根据送料机构的运动要求，设计圆柱凸轮半径R=100mm，槽宽a=32mm，槽深b=28mm，凸轮长度L=190mm。由于送料机构载荷较小，而锥度配合能够传递一定的扭矩，并且对中性好，方便更换与拆卸，因此圆柱凸轮与传动轴之间采用1:20标准锥度配合，锥孔的大径为80mm。根据以上参数，完成单滚子直动从动件圆柱凸轮的实体造型。
2 建立模型
应用CAXA制造工程师建立圆柱凸轮沟槽模型的过程如下：
1)绘制空间曲线
利用直线、圆弧、等距、镜像、偏移等命令完成空间曲线，如图2所示，该曲线实质是滚子中心的运动轨迹线。为了绘图的方便，该曲线是对图1中的曲线进行变形，使曲线对称。
图2 空间曲线
2)凸轮槽实体建模
利用线面映射将曲线映射到圆柱曲面上，利用偏移和等距命令完成沟槽轮廓，采用直纹面方式将曲线整个包起来，利用曲面加厚完成凸轮沟槽实体的建模，如图3所示。将完成的凸轮沟槽实体另存为X_J格式的文件，命名为凸轮沟槽实体。
图3 凸轮沟槽实体
3)圆柱凸轮实体建模
利用拉伸增料和拉伸除料的方式，完成带锥孔的圆柱的实体建模。对带锥孔的圆柱和凸轮沟槽实行布尔减运算，获得圆柱凸轮实体，如图4所示。
图4 布尔运算获得圆柱凸轮实体
3 数控加工
在CAXA制造工程师中，选择多轴加工中的四轴曲线加工，根据表1所示工艺卡片，对圆柱凸轮沟槽曲线的加工参数进行设置：采用环线走刀方式，利用φ20mm的平底立铣刀沿沟槽中心线开槽，分别用φ18mm、φ16mm和φ14mm的平底立铣刀进行粗加工、半精加工和精加工，完成刀具路径设置。根据XHA714加工中心的参数和数控系统要求，完成机床设置和后置处理，最终生成开槽、粗加工、半精加工和精加工等四个加工程序。
表1 加工圆柱凸轮沟槽工艺卡片
上述四个工步中，除了开槽采用等价加工，其刀具的几何特征参数与从动件的几何特征参数相一致，其他三个工步均采用非等价加工，需要采用非等价刀具完成空间凸轮槽的加工，其主要原因是由于凸轮槽的宽度大于铣刀直径。为了减少无效的非等价加工造成的损失，在VERICUT中构建XHA714加工中心的参数，对以上四个工步的程序进行仿真验证，通过对加工参数反复修正优化，获得有效程序。在XHA714加工中心完成上述四个工步，所加工的圆柱凸轮在送料机构中的运动规律符合设计要求。
4 结论
1)对于低速运转的圆柱凸轮，可以采用近似方法建立模型；
2)利用CAXA制造工程师能够完成圆柱凸轮沟槽设计，生成有效的程序；
3)为了保证沟槽轮廓面的加工质量，加工速度不宜太快。
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本文标题：基于CAXA的圆柱凸轮沟槽设计与加工
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