基于Pro/E 5.0的圆柱凸轮多种建模方法及其多轴仿真加工研究

申鹏

摘要：圆柱凸轮是一个圆柱体上开有凹槽的构件，其轮廓曲线是一条封閉的空间曲线且具较复杂的数学关系。其建模过程相对复杂，本文基于Pro/E5.0，研究了三种不同的建模方法，并进行了四轴仿真加工，生成了数控加工的程序，为同类型零件建模和数控加工提供了参考依据。

Abstract： Cylindrical cam is a member with grooves on a cylinder， and its profile curve is a closed space curve and has a more complicated mathematical relationship. The modeling process is relatively complicated. Based on Pro/E5.0， this paper studies three different modeling methods， and carries out four-axis simulation processing， and generates a numerical control processing program for modeling and numerical control processing of the same type of parts. Provide reference basis.

关键词：Pro/E 5.0;圆柱凸轮;建模;多轴;仿真加工

Key words： Pro/ENGINEER wildfire 5.0;cylindrical cam;modeling;multi-axis;simulation processing

中图分类号：TG659                                        文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）23-0128-03

0  引言

凸轮分为盘型凸轮和圆柱凸轮，圆柱凸轮具有所占空间小、结构紧凑、传递力矩大等优点，在各种小型机器中得到广泛应用。圆柱凸轮的轮廓曲线是一条封闭的空间曲线，采用传统的方法很难获得精确的轮廓数据以满足数控编程的需要，这给加工制造带来了很大困难[1-2]。为了克服这一难题，本文结合文献[3]利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0研究了圆柱凸轮的包络曲线建模方法、可变截面扫描建模方法、环形折弯建模方法三种不同的建模方法。同时利用该软件对圆柱凸轮进行了四轴仿真加工和数控程序的生成，为同类型零件建模和数控加工提供了参考依据。

1  圆柱凸轮零件结构分析

圆柱凸轮零件的零件图形如图1所示：其结构特点是在一个直径尺寸为？覬100mm圆柱体上开有一个宽度为12mm深度为10mm的凹槽，该凹槽按照一定的规律紧密缠绕在圆柱体周围。采用传统方法完成该圆柱凸轮零件的建模和加工均存在一定的难度。因此，需要用一些特殊的方法。

2  圆柱凸轮的三种建模方法

2.1 圆柱凸轮包络曲线建模方法

在Pro/ENGINEER Wildfire 5.0软件中，提供了一种通过将原有基准曲线印贴到曲面上命令，即创建包络（印贴）曲线，就像将贴花转移到曲面上一样。基准曲线只能在可展开的曲面（如平面、圆锥面和圆柱面）上印贴。同时包络曲线将保持原曲线的长度。

经过分析对比，圆柱凸轮的基本体圆柱直径已知，可根据圆周长公式：

计算得出该圆柱体外圆柱的周长为100πmm，由于圆柱体高度尺寸为100mm，因此展开平面图中的矩形尺寸应为100πmm×100mm。根据展平面开图中所标注的尺寸以及A1、A2、A3、A4各点的角度值？兹Ai，可以按照比例换算确定其坐标位置，换算公式如下：

例如A1点的角度值为64°，可按上述公式换算出A1点的纵坐标值：XA1=55.85mm。

同理，A2、A3、A4各点的坐标值分别为XA2=99.74mm、XA3=216.42mm、XA4=258.31mm。

根据上分析和尺寸，可在100πmm×100mm的矩形平面内绘制出凹槽轮廓曲线S1，再利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0软件的包络曲线功能将曲线曲线S1包络投影到外圆柱面上得到空间曲线S2。以此包络曲线曲线S2为轨迹线，再绘制10mm×12mm的矩形作为截面，利用软件的扫描（切口）命令，即可得到圆柱凸轮如图2。

该方法建模基本步骤为：选择一个绘图平面，绘制圆？覬100mm→拉伸为？覬100mm×100mm圆柱体→选择穿过圆柱体中心轴线的平面根据换算尺寸绘制圆柱凸轮凹槽轮廓展开曲线S1→在编辑菜单中选择包络命令，将曲线S1投影到圆柱体外圆面得到凹槽轮廓展开曲线空间曲线S2→利用扫描-切口命令选择凹槽轮廓展开曲线空间曲线S2为扫引轨迹，绘制10mm×12mm的矩形作为截面得到圆柱凸轮→孔命令绘制？覬20通孔。注意事项如下：

①各点坐标值的正确换算，否则无法精确绘制圆柱凸轮。②为防止运用包络曲线命令时选错圆柱面，？覬20通孔应在最后绘制。

2.2 圆柱凸轮环形折弯建模方法

环形折弯（Toroidal Bend）命令是一种改变模型形狀的操作，它可以对实体特征、曲面和基准曲线进行环状的折弯变形[4]。

因此，可在上述建模方法的基础上，在100πmm×100mm的矩形内绘制平面展开后的凹槽轮廓曲线S3，将矩形拉升高度50mm，得到一个长方体T，利用扫描切口命令在该长方体T上绘制凹槽的平面展开形状，再利用环形折弯命令沿着C轴折弯360°即可绘制出圆柱凸轮。（图3）

该方法建模基本步骤为：选择一个绘图平面，绘制100πmm×100mm的矩形→拉伸100π×100×50mm长方体T→选择长方体表面为绘图平面，根据换算尺寸绘制圆柱凸轮凹槽轮廓展开曲线S3→利用扫描-切口命令选择凹槽轮廓展开曲线S3为扫引轨迹，绘制10mm×12mm的矩形作为截面得到圆柱凸轮凹槽平面展开形状→在“插入”-“高级”中选择“环形折弯”命令，在“参照”选项卡下勾选“实体几何”，内部定义“轮廓截面”时，添加坐标系，使用移动和调整确保坐标系的X轴与草绘方向重合，折弯类型选择“360°弯折”，选择长方体左右两个端面得到圆柱凸轮→孔命令绘制？覬20通孔。注意事项如下：①各点坐标值的正确换算，否则无法精确绘制圆柱凸轮。②使用环形折弯命令时， “参照”选项卡下勾选“实体几何”，内部定义“轮廓截面”时，添加坐标系，使用移动和调整确保坐标系的X轴与草绘方向重合，折弯类型选择“360°弯折”，否则不能正确绘制圆柱凸轮。③为防止运用环形折弯命令时选错参照，？覬20通孔应在最后绘制。

2.3 圆柱凸轮可变截面扫描建模方法

由于上述两种建模方法在绘制圆柱凸轮凹槽轮廓线时，均需要按照比例换算出相关点的坐标值，不能直接利用图4中已有尺寸进行绘制，增加了部分计算量。为了提高建模的效率，可充分利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0提供的函数关系式功能，绘制圆柱凸轮凹槽轮廓线时，无需换算尺寸，直接根据平面开图中所给出的尺寸进行绘制。在使用可变截面扫描时添加函数关系即可绘制出所需圆柱凸轮。

该方法建模基本步骤为：选择一个绘图平面，绘制两个同心圆？覬100mm、？覬20mm→拉伸至高度为100mm的空心圆柱体→插入-模型基准-图形，添加坐标系，根据零件图平面展开所示注尺寸绘制圆柱凸轮凹槽轮廓展开曲线S4→利用可变截面扫描命令选择圆柱体一个端面边线为原点轨迹→点击控制面板上的“草绘”，绘制10mm×12mm的矩形作为截面，同时点击工具-关系，为尺寸S5添加函数关系：sd5=evalgraph（“cam”，trajpar*360）→移除材料得到圆柱凸轮。

注意事项如下：①根据零件图平面展开所示注尺寸绘制圆柱凸轮凹槽轮廓展开曲线S4时，应先插入坐标系。②使用可变截面扫描命令选择圆柱体一个端面边线为扫引轨迹时， 不要按住CTRL选择另外一个半圆弧，这样系统并不能认为这是原点轨迹。而是通过点击“细节”，点击“基于规则”-“相切”。

3  圆柱凸轮四轴仿真加工

利用上述三种建模方法均可进行圆柱凸轮零件的三维实体建模。由于圆柱凸轮零件的结构特殊，传统的普通设备已无法满足设计精度要求。目前，圆柱凸轮主要是在多轴数控机床上通过联动的方式加工成形，数控程序的编制是圆柱凸轮加工的关键。利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0的制造功能，可完成凸轮零件的四轴仿真加工与自动编程[5]。

主要步骤为，新建“制造文件”，选择已经建模完成的圆柱凸轮零件为参照模型，设置毛坯为？覬100mm×110mm圆柱体，将工件坐标系原点设置在毛坯左端面中心处ACS1，设置机床类型为：铣削、四轴、使用旋转输出、旋转轴A轴。在操作设置中，机床零点选为已设定的坐标系ACS1，退刀曲面选择球面，已完全包含圆柱凸轮为宜。NC序列选择曲面铣削，加工轴为4轴，依次定义参数、曲面、四轴平面、定义切削。利用屏幕演示进行仿真切削加工观察刀轨，利用NC检查借助VeryCut平台观看去除材料仿真加工演示。最终加工效果如图5。仿真无误后可在编辑—CL数据—输出-NC序列，输出数控程序。

4  结论与展望

本文利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0的建模功能模块，研究了圆柱凸轮的包络曲线建模方法、可变截面扫描建模方法、环形折弯建模方法三种不同的建模方法。同时，结合相关数控技术利用该软件的加工功能模块对圆柱凸轮进行了四轴仿真加工和数控程序的生成，为同类型零件建模和数控加工提供了参考依据。

参考文献：

[1]余晶.基于UG NX 的圆柱凸轮多轴加工方法的研究[J].现代制造技术与装备，2017（06）.

[2]雷蔓，刘毅，孟泰，张涛，张玉平.正弦曲线圆柱凸轮的建模及其四轴数控加工[J].时代农机，2017，44（07）.

[3]淮妮.直动尖顶从动件圆柱凸轮的参数化设计[J].内燃机与配件，2017（08）.

[4]詹友刚.Pro/ENGINEER中文野火版5.0高级应用教程[M].机械工业出版社，2010.

[5]刘伟淋，程璋.圆柱凸轮的四轴联动加工与仿真技术[J].新技术新工艺，2015（01）.