一種數控凸輪軸銑床數據（jù）處理軟件的使用（yòng）方法
2020-5-12 來源： 江西應用工程職業學院 作者：童 勳
摘要：介紹一種（zhǒng）使用全數字控製加工凸輪軸凸輪的銑削方法，由該原理製造的數控銑床可（kě）替代用機械靠模車削凸輪的傳統（tǒng）工藝，使（shǐ）凸輪加（jiā）工實現完全自動化。
關鍵詞：凸輪軸；銑床；數控
0 引言
在數控技術未普及以前，各（gè）類凸輪零件（發（fā）動機凸輪（lún）軸、平板（bǎn）凸輪、圓柱凸輪、凸輪槽等）的凸輪廓形加工（gōng）均采（cǎi）用靠模仿形加工。這種工藝方法十分落後，不但靠模製造複雜、調整困難、更換產品 品種時費工費時，更大的缺陷是精度低、表麵粗糙度差，靠模成形加工大大（dà）地阻礙了（le）零（líng）件質（zhì）量的提 高。即使在數控技術發展日新月異的今天，部分凸輪加工可以在普通數控銑床和加工中心上加工，但就其質量而（ér）言仍然存（cún）在著 “表麵（miàn）波紋” 的一致命缺陷。
而對於發動機凸輪軸的（de）凸輪廓形（xíng）加工，以上數控設備卻（què）無（wú）法實現。利用三（sān）坐標數控（kòng）凸輪軸銑（xǐ）床的三坐（zuò）標兩兩聯動（一軸旋轉，一軸直線運動）可實現各類凸輪（lún）的自（zì）動銑 削加工，不但解決了（le）一般數控 銑床的 “表麵波紋”， 而且還可以實現凸輪軸的凸輪廓形加工；既克服了（le）數控銑床的（de）兩軸直線插補所產生的（de）“波（bō）紋”，又大大降低了設（shè）備（bèi）製造費用，使凸輪零件的製造成本降低１００～２００％， 而質（zhì）量提高１個數量級。
１、機床結構（gòu）
圖１ 機床（chuáng）形狀
１．１ 利用全功能斜置導軌數（shù）控車床作為主體結構，將原主軸的交流電機（jī）驅（qū）動改為數控伺（sì）服（fú）電機驅（qū）動。
１．２ 在拖板橫向滑頭上設置（zhì）一個動力銑削頭。
１．３ 采用三坐標數控係統。
ａ．Ｘ軸，驅動拖板橫向滑（huá）頭；
ｂ．Ｙ軸，驅動拖板縱向移動；
ｃ．Ｚ軸，驅動主軸。
１．４ 增加（jiā）一個軸類加工（gōng）的輔助中（zhōng）心支承機構（gòu）。
１．５ 其它：床身、床（chuáng）腳、冷卻、液壓、潤滑、照明等均與原數（shù）控（kòng）車床相（xiàng）同。
１．６ 機床傳（chuán）動係統（tǒng）
圖２ 機床傳動係統
２、加工的凸輪結構（gòu）
包括平板凸輪、平板槽凸輪、園柱槽凸（tū）輪、汽車刹車凸輪軸、發動機凸輪軸等 （見圖３）。
圖（tú）３ 各類凸輪形狀
３、加工原理
如圖４，若圓盤一方麵繞自身軸心（xīn）作等速回轉運（yùn）動，另一方麵整體作相對於 ＸＯＹ 坐（zuò）標的等速直線運動，而盤上某點 Ｏ 相對於 ＸＯＹ 坐（zuò）標不動，那麽，Ｏ 點在圓（yuán）盤上留下的軌跡應是一條阿基（jī）米德螺線 （等速曲線）ＯＡ：ρ＝ρ０／ａ０（ρ＝ｖｔ ａ０＝ｗｔ ρ０為常量）我們常見（jiàn）的平板凸輪槽，其凸輪曲線太多近似（sì）阿基米德螺旋線。根據以上原理，如果將零（líng）件的加工模（mó）擬以上（shàng）方法，將 Ｏ 點視為刀具，即可加工出我們（men） 所 需 的 凸 輪 槽。一 般（bān）數控車床均具有直線（xiàn）插補、圓弧插補加工功能，凡具有以上二種功能的（de）數控機床，均（jun1）可以利用（yòng）其直（zhí）線（xiàn）、圓弧（hú）插補（bǔ）功能實（shí）現
凸輪槽加（jiā）工。如圖５中，利用其單軸運動 （Ｚ軸旋（xuán）轉）實（shí）現圓弧 ＡＤ 和 ＢＣ的等程凸輪槽加工，利用 Ｚ軸和 Ｘ 軸的直線插補運動可實（shí）現 ＡＢ和 ＤＣ的（de）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（lún）、平板（bǎn）槽凸輪的加工
將（jiāng）工 件 用 三 爪 卡 盤 裝 夾 在 Ｚ 軸 上，銑 刀 主 軸（zhóu） 軸 線 與（yǔ） Ｚ軸軸線平行（háng），利用 Ｚ、Ｘ 坐標的插補運動即可實現。
４．２ 圓柱凸輪 （或螺旋（xuán）槽）的加工
將工件裝夾於三爪卡盤與尾架頂（dǐng）尖之間，銑（xǐ）刀軸線垂直於工件軸線，利用 Ｚ、Ｙ 兩坐標聯動即可實現。
４．３ 凸輪軸 （各（gè）類（lèi）發（fā）動機中的零件）的加工
將凸（tū）輪軸裝（zhuāng）於卡（kǎ）盤與（yǔ）尾架頂尖之間，較細長軸中間置以輔（fǔ）助支承，利用 Ｚ、Ｘ 軸的聯動，即可實現Ｙ軸可（kě）軸向換位，達到自動加工全部凸輪（lún）的（de）目的。
５、凸輪廓形坐標點計算
用數控加工首先要知道凸輪廓（kuò）形的每個坐標點，選取的坐標點越多，精度則越高。下麵以一個偏心輪為例，計算偏心輪廓（kuò）形（xíng）極坐標點，編製一個廓形極坐標點的計算程序。
５．１ 建立數學模型
Ｐ （ｉ）點為偏心輪廓形上任意一點，偏心量為 Ｅ，最大外 徑 為 Ｄ。 在 △ＯＰＯ′中， 根 據 餘 弦 定 理，｜ ＯＰ ｜=式中：ＯＰ為 Ｐ點到軸心點 Ｏ 的極（jí）徑，Ｅ 為（wéi）偏心（xīn）量，θ
為極徑繞 Ｏ點（diǎn）旋轉的角度（dù），當Ｏ 極（jí）徑繞（rào）軸心Ｏ旋轉時，每轉△θ對應一（yī）個｜ＯＰ｜值。函數 Ｐ（θ）就（jiù）是（shì） Ｐ 點的極坐標方程。
圖６ 偏心輪（lún）數學（xué）模型圖
５．２ 編製計算程序
圖７ 流程圖（tú）
根據上式｜ＯＰ｜繞 Ｏ 點每轉△θ對應一個 Ｐ （θ）值。利用循環語 句，取 △θ＝１，即每轉一度計算一個（gè）極徑值Ｐ（θ），一周取３６０°。程（chéng）序（xù）如下：
其它形狀的凸輪也可用類（lèi）似（sì）方法計算。
５．３ 程序界麵及計算結果
在圖８所示界麵中（zhōng）輸入相應值，點擊確定即可計算出偏心輪（lún）輪廓軌跡坐標。圖８中所顯示的為 Ｅ＝４．２，Ｄ＝３８，Ｒ＝１５的計算結果。
圖（tú）８ 計算結果界麵顯示（shì）
６、凸輪廓形的加工數據處理
偏心輪廓形軌跡是一組（zǔ）連續規則的曲線，而大部分凸輪廓形的升程部分是一種無規則的曲線軌跡，如（rú）汽車中的凸輪，這些軌（guǐ）跡一般都不能用一般函數（shù）關係式表述。數控機床的曲線加工運動是由兩坐標 （對（duì）於多維曲線是三坐標（biāo）以上）插補運動所產生的。根據本（běn）機特點，兩坐標插補運動是一軸旋轉，一軸直線運動，由其所產生的運動（dòng）軌跡為阿基米德螺旋線，而（ér）絕大多數凸輪的升程軌跡（jì）均可用阿基米德螺旋線（xiàn）分段（duàn）逼近計算。本（běn）機凸輪（lún）廓形加工數據處理實（shí）質上就是基於阿基米德螺旋線，將（jiāng）凸輪廓形（xíng）的不規則的無（wú）數點（diǎn）的（de）集合劃分（fèn）成若幹段，每段包含一個阿（ā）基米德螺旋線，隻是每段的阿基（jī）米德螺旋線的 Ｋ 值不（bú）同而已。由阿基米德（dé）螺旋線分段 逼 近 計算的凸輪形狀誤差可小於０．０１ｍｍ，遠高（gāo）於凸輪的精（jīng）銑加工標準。
７、數據加工程序（xù）處理
以上處理的凸輪廓形極坐標點均為廓形的實（shí）際坐標點，由於加工中存在刀具半徑（jìng）幹涉問題，刀具（jù）中心的運動不（bú）能（néng）按實際坐標點運動，刀具的（de）運動軌跡應以不（bú）產生幹涉（shè）為原則（zé），這（zhè）樣才能加工出符合（hé）圖紙要求的凸輪廓形。計算模型如圖９所示，圖中 Ｏ 為凸輪軸心（xīn），Ｏ′刀具中心，當刀具繞（rào）凸輪廓形（xíng）滾動時，｜ＯＯ′｜＝ Ｏ′Ｐ２＋ＯＰ２槡＋２Ｏ′Ｐ·ＯＰ·ｃｏｓθ 。
圖９ 刀具軌跡計算模型
７．１ 程（chéng）序流程（chéng）圖
由於計算工（gōng）作量十分龐大，下麵繪製一（yī）程序圖來（lái）表達。（這裏僅僅列出處理阿基米德（dé）螺旋線分段逼近計算銑削凸輪的刀具軌跡（jì）子程序）。
圖１０ 程序流程圖
７．２ 源程序
下麵摘（zhāi）錄的是計算（suàn）由阿（ā）基米（mǐ）德螺（luó）旋線分段逼近計算的銑削凸輪形狀的源程序。每段阿基米德螺旋線 Ｋ值均（jun1）可使凸輪形狀誤差小於０．０１ｍｍ。
綜合處理程（chéng）序包含前麵所述的兩（liǎng）個子程序，因此，在綜合（hé）處理程序中，用戶隻要（yào）輸（shū）入幾個已知（zhī）的參量，如偏心量、偏心輪的最大直徑、凸輪升程數據、凸輪形狀對稱（chēng）與否、刀具直徑、端銑或周邊銑方式等，就可直接獲得簡（jiǎn）單的加工程序。此軟件操作既簡單又便捷，易學易會。為了滿足各層次用戶的要求，軟件（jiàn）采用（yòng）窗口式的會話操作，操作人員隻需單擊幾個按鍵，或用鼠標輕點（diǎn）幾個圖（tú）標，就可輕而易舉地獲得凸輪的加工參數程序。軟件係統主界麵如圖１１所示：
圖１１ 軟件係統主界麵
計算出凸輪的廓形極坐標後，還應（yīng）將其轉化為數控加工程序，根據數（shù）控係統的特征，符合本（běn）機床原理的阿基米德螺旋線的插補運動用數控的直（zhí）線插（chā）補即可實現。不同的發動機，其凸（tū）輪形狀也不盡相同。凸輪升程有平麵測量、滾子測量（liàng）、點測量（liàng）之分，由於軟件考慮到了以上各種因素（sù），因而該軟件具有良（liáng）好的通用性。某凸輪（lún）加工通過數據處理軟件處理好的加工子程序如下：
７．３ 自動生（shēng）成主程序
圖１２ 數控加工主（zhǔ）程序生成界麵
為了方便用戶，軟件備有（yǒu）自動生（shēng）成主程序（xù）功能。用戶隻需按界（jiè）麵的文本編輯對（duì）話框中的提示輸入相應的值即可自動生成主程序 （見圖１２數控加工主程序生成界麵）。生成的某（mǒu）凸輪軸主程序如下：
８、加工實例
根據以上原理（lǐ）開發的數控凸輪軸銑床，在生產（chǎn）實踐中得到驗證。實踐證明（míng），利用以上方法加工出的凸輪廓形（xíng）無論在幾何精度，還是表麵粗糙度（dù）都有顯著提高（gāo），一舉解決了凸輪廓形加工（gōng）難題，由此加工的凸輪尺寸（cùn）精度提高２倍以上，表麵粗糙度提高１個數量級，生產效率提高２倍以上（shàng），具有明顯的（de）經濟效益和（hé）社會效益。圖１３是一種凸輪加工的圖形模（mó）擬軌跡。
圖１３ 凸輪加（jiā）工圖形模擬軌跡
充分利（lì）用 ＣＮＣ數（shù）控資源，將機床主軸的（de）交流電機驅動改為數控伺服電機驅動，使傳統的雙軸直線插補運動變為一軸旋轉、一軸直線運動的雙軸聯動，從而（ér）可以方便地利用阿基米德螺旋（xuán）線 實 現凸輪廓形的分段逼（bī）近計算控製。這符合ＣＮＣ數控（kòng）係統的控製規律，易於實踐數控化。
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