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基于UG的圆柱凸轮参数化建模与仿真加工_图文

第 10 期 2010 年 10 月
文章编号: 1001-3997 (2010 ) 10-0207-03

机械设计与制造 Machinery Design & Manufacture

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基于 UG 的圆柱凸轮参数化建模与仿真加工 *
高东强 黎忠炎 毛志云 (陕西科技大学, 西安 710021 )

Parametric modelling and simulation machining of the cylindrical cam based on ug
GAO Dong-qiang, LI Zhong-yan, MAO Zhi-yun (Shanxi University of Science & Technology, Xi’ an 710021, China ) 【摘 要】以直动滚子从动件圆柱凸轮为例介绍了基于 UG 的圆柱凸轮参数化建模方法,并通过运动 仿真对建模结果进行分析验证, 以及运用 UG/CAM 模块对圆柱凸轮的加工刀轨进行了模拟, 为空间凸轮机 构的设计与数控加工提供了参考依据。 关键词: UG; 圆柱凸轮; 参数化; 数控加工 【Abstract】 T he article takes cylindrical cam with rectilinear translating follower as an example to introduce the method of the cylindrical cam parametric modelling based on UG, through motion simulation to analyze and verify the results of modelling, and use UG/CAM module for the tool path of cylindrical cam machining to simulate, which provides a reference for the design and nemercial control machining of the spatial cam mechanism. Key words: UG; Cylindrical cam; Parametric; NC machining 中图分类号: TH16 文献标识码: A
此, 寻求一种三维的凸轮设计与建模方法已成为设计者十分关注 目前, 国内外能够实现三维造型设计的软件有很多, 的问题之一。 UG、 Solidworks 等。本文主要以 UG 为平台, 介绍了直动 如 Pro/e、 滚子从动件圆柱凸轮三维模型参数化设计的方法, 并通过仿真过程 对运动结果与设计的一致性进行验证,以及运用 UG/CAM 模块对 圆柱凸轮的加工轨迹进行了模拟。

1 引言
凸轮机构作为机械式信息贮存与传递的基本元件,因结构 紧凑、 能够实现各种复杂运动等优点, 被广泛应用于机械自动化 及运动传输领域。传统的凸轮机构设计多采用作图法和解析法, 它们都是基于二维的设计方法, 多用于平面凸轮的设计。随着现 代机械传动的快速发展,空间凸轮机构的应用已越来越广泛, 因
*来稿日期: 2009-12-29

******************************************************* 是脱层材料的边界, 材料脱层损失后, 该微裂纹也就没有了。 裂纹成核点在微动疲劳中, 应与微动有关。但微动的作用, 可看 作是—种裂纹成核点形成的外界推动力, 而裂纹成核点形成的微 观机理应是共性的。无论是普通疲劳还是微动疲劳, 裂纹成核点 及微裂纹的萌生点都应在这样的点上: 该点所承受的应力比该点 周围的应力高, 是应力集中点。 一个构件宏观上的应力集中,一般发生在承力截面突变的 地方以及其他一些地方, 是人们已熟知的并可计算出来。在微动 疲劳中, 还有微动力引起的宏观应力集中以及微动表面上的局部 应力集中点。 微动刚开始时, 先是在微动表面上凸峰点接触, 摩擦 系数小因而摩擦力小, 即微动力小。 随着循环次数增加, 凸峰点消 失, 实际接触面积增大, 摩擦系数增大, 切向力增大。微裂纹往往 是在若干次微动循环之后产生。有的学者从实验结果得出, 产生 微裂纹的微动循环次数约占疲劳寿命总循环数的千分之一。 若总 寿命为 107 次循环, 则数千次循环便可产生微裂纹。 不同工况下的管螺纹,由于微动的激烈程度及各因素的综 合作用的差异, 微动对疲劳强度的影响程度相差较大, 一般使疲 严重的下降到低一个数量级。 劳强度下降 30%一 50%,

5 降低微动损害的措施

根据以上的分析情况可知, 在不考虑环境气体成分、 高温、 湿 度及腐蚀介质的情况下,影响管螺纹微动损伤和微动疲劳强度、 寿 命的主要控制参数有: (1 ) 接触表面及其附近地区的应力场, 即应力 的大小和分布情况。 (2 ) 在载荷循环中, 接触表面上的相对滑动量的 人小和分布。 (3 ) 接触表面的摩擦系数。 (4 ) 材料性质。 针对以上影响因素, 为提高管螺纹的密封性能, 实际应用中 应注意从三个途径来解决: ①提高内外螺纹牙型和尺寸的加工要 求, 使其尽可能一致, 但有一定的限度, 即在经济和可能的条件下 保证在一定的公差范围之内; ②内外螺纹旋合后, 通过一定的旋 紧力矩使内外螺纹本身的材料产生一定的变形来填补个部位的 间隙; ③在内外螺纹间加入具有可塑性的密封填料。

参考文献
1 李旭春, 郝永忠.石油油管螺纹密封初探.机械工艺师, 2000 (3 ) 2 李旭春. 影响油管螺纹密封性能的各种因素. 油气田地面工程, 1999, 18 (5 ) 3 刘巨保, 张薇, 王世永.套管钻井中连接螺纹力学分析及设计计算.大庆 石油学院学报, 2006, 30 (1 ) 4 何明鉴. 机械构件的微动疲劳.北京: 国防工业出版社, 1994

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高东强等: 基于 UG 的圆柱凸轮参数化建模与仿真加工 2.2 创建凸轮三维模型

第 10 期

2 基于 UG 的设计方法与三维造型
对于凸轮的设计, 其关键是建立凸轮工作部分的轮廓曲线, 圆柱凸轮是在圆柱表面按理论轮廓曲线轨迹建立凹槽或是凸橼, 当凸轮绕定轴转动时带动滚子从动件实现各种不同的运动规律。 基于 UG 的圆柱凸轮参数化设计与建模主要是应用 UG 建 模中的规律曲线功能, 通过建立 UG 表达式来生成凸轮的理论轮 回转、 曲线缠绕以及布尔运算等操作, 建立 廓曲线, 再采用扫掠、 圆柱凸轮的三维实体模型。 如要设计一单滚子直动从动件圆柱凸 槽宽 a=24mm, 槽深 b=20mm, 轮, 已知滚子从动件行程 h=30mm, 滚子从动件运动规律: 凸轮基圆半径 r=60mm, 推程为余弦加速运动, 推程角 准1=60°; 远休止角 准2=160°; 回 程也为余弦加速运动, 回程角 准3=60°; 近休止角 准4=80°。

(1 ) 应用 UG 的规律曲线功能, 按上步建立的 UG 表达式生 成四段规律的样条曲线, 如图 2 所示。通过 UG 规律曲线功能得 到圆柱凸轮的理论轮廓曲线后, 可以由两种不同的方式来建立三 维实体模型: 一是线—面—体的创建方法, 其基本操作是先由理 论轮廓曲线得到凸轮槽底部曲面, 再通过加厚片体得到凸轮槽实 体, 最后创建圆柱体并与凸轮槽实体进行布尔运算; 二是引导截 面法, 即建立凸轮槽的截面曲线, 然后运用扫掠选项得到凸轮槽 实体, 而最后一步与一相同。需要注意的是在这里绝不能通过拉 伸命令来创建凸轮槽实体,因为该操作所得到的实体是不等宽 的。下面我们主要以第二种方式来示例操作: (2 ) 为了得到槽宽 a=24mm, 槽深 b=20mm 的沟槽, 我们应用到 UG 建模中的扫掠功 能, 如图 2 所示在 XOZ 平面创建长 24mm、 宽 20mm 的矩形, 并以 圆柱凸轮理论轮廓曲线为引导线进行扫掠, 定位方法选择按矢量 z 方向定位, 得如图 3 (a ) 所示三维实体 。 (3 ) 创建底圆半径 r = 60mm 的圆柱体 (保证所求理论轮廓曲线与圆柱体同轴 ) , 然后使 其与上步图 3 (a ) 所示三维实体进行布尔运算, 得到如图 3 (c ) 所 示的三维模型。

2.1 推导 UG 表达式
参考[1]建立圆柱凸轮理论轮廓曲线的参数方程: x=rcosj y=rsinj z=s 式中: r — 基圆半径; j — 凸轮转角; s—升程; x、 y、 z—曲线上任意点坐标。 建立理论轮廓曲线参数方程后, 接下来的工作是根据从动 件运动规律推导升程 s 的表达式[2], 推程 (余弦加速度 ) : π s= h 1-cos 准 φ 2 1 远休止期: s=h 回程 (余弦加速度 ) : π s= h 1-cos 准 φ 2 3 近休止期: s=0 对于其它运动规律的公式推导可参阅[2]。 以上参数方程和表达式是应用 UG 建模生成凸轮轮廓曲线 的理论基础, 为了方便操作, 必须将以上各式转化成 UG 可以识 别的表达式, 如图 1 所示, 当凸轮从动件的运动规律及参数发生 改变时,只需在 UG 表达式文件中更改相关公式和数据即可, 真 正实现了圆柱凸轮建模的参数化、 系统化。
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(0°燮j燮360° )

zc yc

zc xc yc xc

zc yc xc

(a )

(b )

(c )

图 3 圆柱凸轮三维实体模型

燮 燮 燮 燮 燮 燮 燮 燮

0, 准1 燮 φ缀 燮

3 运动仿真及分析
运动仿真模块是 CAE 应用软件, 主要用于建立运动机构模 型, 分析其运动规律。基于 UG 的运动仿真可以进行机构的干涉 分析,跟踪零件的运动轨迹,分析机构运动过程中零件位移、 速 度、 加速度、 作用力、 反作用力以及力矩等的变化规律。通过运动 仿真结果, 可以对零件的结构及材料等属性进行修改, 并将所修 改的参数直接反映到装配主模型上, 以完成最终的优化设计。 基于 UG 的运动仿真主要分为三个过程: 一是前处理, 包括 创建连杆 (Links ) 、 运动副 (joints ) 和定义运动驱动 (Motion Driver ) ; 二是运动仿真, 主要有关节运动 (Articulation ) 和运动仿 真 (Animation ) 两种形式, 其中前者是基于位移的运动, 后者是基 于时间的运动; 三是运动分析, 即以图表 (Graphing ) 和电子表格 (Spreadsheet Run ) 等形式分析相关零件的运动规律。

0, 准3 燮 φ缀 燮

[degrees]a1=60 [degrees]a2=160 [degrees]a3=60 [degrees]a4=80 [mm]h=30 [degrees]j1=a1*t [degrees]j2=a1+a2*t [degrees]j3=a1+a2+a3*t [degrees]j4=a1+a2+a3+a4*t [mm]r0=40 (h/2 ) * (1-cos (180*t ) ) [mm]s1= [mm]s2= (h/2 ) * (1-cos (180 ) ) [mm]s3= (h/2 ) * (1-cos (180*t ) [mm]s4= (h/2 ) * (1-cos (0 ) ) t=0 [mm]x1=r0*cos (j1 ) [mm]x2=r0*cos (j2 ) [mm]x3=r0*cos (j3 ) [mm]x4=r0*cos (j4 ) [mm]y1=r0*sin (j1 ) [mm]y2=r0*sin (j2 ) [mm]y3=r0*sin (j3 ) [mm]y4=r0*sin (j4 ) [mm]z1=s1 [mm]z2=s2 [mm]z3=s3 [mm]z4=s4

3.1 前处理
如图 4 所示创建连杆,将圆柱凸轮定义为 L001,滚子定义为 L002, 并在圆柱凸轮上创建旋转副 J001, 添加驱动类型为恒定, 初速
zc xc

度 180r/min。 在滚子上创建一个移动副 J002, 需注意的是移动副 J002 的运动方向设定为沿圆柱凸轮的母线方向。 为了保证凸轮与滚子在整 个运动过程中始终是彼此接触, 还需创建一个 3D 接触 C001。

3.2 运动仿真
打开解算方案窗口, 选择基于时间的机构运动仿真, 定义时间为 2s, 步长为 100, 其它选择默认值, 点击确认进行运动方案求解。

图 1 凸轮理论轮廓曲线的 UG 表达式性 图 2 圆柱凸轮理论轮廓曲线

No.10 Oct.2010 3.3 运动分析

机械设计与制造

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何” “ ;驱动方式” 设为 “曲面区域” 方式,并选取凸轮槽底部曲面为 “驱动 几何” ; 要特别注意的是 “ , 刀位” 要设为 “上 (on ) ” ,以保证刀轨的连续; 也可以自行设置; “投影矢量” 设为刀轴; “刀轴” 设为离开直线” , 并设 定该直线为通过凸轮截面的中心线。生成刀具轨迹如图 6 ( a ) 所示。

干涉分析: 干涉检查 ( Interference ) 功能用于比较一对实体或是 图表分析: UG 仿真中的图表功能 (Graphing ) 用于对选定运 动副 (joints ) 的位移、 速度、 加速度等进行分析, 并以图表的形式 系统反应给操作者。 滚子沟槽式圆锥凸轮仿真中主要是对移动副 J002 进行分析, 其结果如图 5 所示。
名称 状态

选按刀路, 参数设为 10, 切削与进给速度可选择默认值, 片体, 并检查其干涉重叠量, 本例主要对滚子和凸轮槽进行干涉分析。 “步进方式”

g001 motion-1 Links Loo1 Loo2 Joints J001 J002 Connectors C001 Solution-1 Solution-2

002 zc xc yc
Active

001

(a ) 粗加工刀轨

(b ) 精加工刀轨

图 6 生成刀具轨迹图

4.2 精加工 (采用 “等径加工” )
(b )

(a ) 图 4 创建连杆

选用 Ф24 的立铣刀, 进入创建可变轴轮廓铣操作对话框。 选 取回转凸轮为 “工件几何” “驱动方式” ; 设为 “曲线/点” 方式,并选 取凸轮理论轮廓曲线为 “驱动几何” “步进方式” ; 选按刀路, 参数 设为 4; 投影矢量和刀轴的设置与粗加工一致; 将 “部件余量” 设 为 0mm,取消 “部件余量偏置” 选项。生成刀具轨迹如图 6(b)所示。 完成上述操作后, 为了更加直观地观察刀具轨迹结果, 我们 可以对工件进行仿真加工, 如图 7 所示。在确认刀具轨迹正确无 误后, 即可生成 NC 数控代码。

(a ) 位移

(b ) 速度

图 5 移动副分析结果图

当发现运动仿真的结果与理论设计的要求不相符时,只需返回 到建模模块中更改相关设计参数, 然后再重新进行运动方案的解算和 反复验证, 直至达到我们理想的设计结果。 分析, 如此反复修改、

4 仿真加工
UG 软件的 CAM 模块是 UGNX 的计算机辅助制造模块。它 数控车、 数控电火花线切割编程。UGNX 的 CAM 可以为数控铣、 模块提供了全面的、 易于使用的功能, 以解决数控刀轨的生成、 加 工仿真和加工验证等问题。 UG/CAM 系统的加工模块主要分为铣削加工、 车削加工、 点 位加工和线切割加工四大类, 而在空间凸轮的加工过程中主要用 到的是铣削加工, 又因为空间凸轮结构的特殊性 (大多数的空间 凸轮机构都属于回转类零件 ) ,我们一般选用三轴以上的可变轴 铣削加工, 如本文中对单滚子直动从动件圆柱凸轮的加工就采用 四轴铣加工。 基于 UG 的圆柱凸轮数控加工主要分为粗加工和精加工两 部分, 驱动类型可选择按 “曲线/点” 方式或是 “曲面区域” 方式, 前 者主要是以分层铣削的方式进行加工, 相当于传统加工方式中的 展成加工法, 要求刀具的直径必须等于凸轮槽的宽度; 而后者主 要以侧面铣削的方式进行加工, 即所谓的 “非等径加工” , 刀具直 径不必与凸轮槽的宽度相等。
图 7 仿真加工

5 结束语
通过以上实例可以看出,应用 UG 对圆柱凸轮的参数化建模 不仅保证了凸轮的设计精度,而且在很大程度上简化了设计步骤, 对于不同特征的圆柱凸轮, 只需设计者更改相关几何参数及运动规 律。设计结果通过运动仿真, 以动画和图表的形式形象直观的再现 机构的运动过程, 使设计者可以方便地观察、 研究机构在各种条件 下所发生的运动和现象, 以保证设计的准确性。 最后, 运用 UG/CAM 模块对圆柱凸轮进行仿真加工,并通过 UG 后处理生成相应的 NC 程序代码, 进一步保证了加工过程的准确性和可操作性。

参考文献
1 郜海超, 袁守华.基于 solidworks 圆柱凸轮建模的优化设计 [J] .中原工学 院报, 2008 (4 ) 2 石永刚, 吴央芳.凸轮机构设计与应用创新 [ M ] .北京:机械工业出版社, 2007 3 胡小康, 徐六飞 .UG NX4 运动分析培训教程 [ M ] . 北京 : 清华大学出版 2006 社, 4 Der Min Tsay,Bor Jeng Lin.Improving the geometry design of cylindrical cams using nonparametric rational B -splines. Computer -Aided Design, Volume 28, Issue 1, January 1996: 5~15 5 李军.谈圆柱凸轮的数控加工 [J] .工程科学, 2008 (2 ) 6 刘昌祺, (日) 牧野洋, 曹西京.凸轮机构设计 [ M ] . 北京: 机械工业出版 2005 社,

4.1 粗加工 (采用 “非等径加工” )
选用 Ф10 的端铣刀 ,侧面余量 1.0 mm。侧面选用较大的余 量是为了在加工较深位置时,防止圆弧进刀时引起侧面过切。 进入创建可变轴轮廓铣操作对话框。选取回转凸轮为“工件几


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