基于mastercam的平面凸輪NC加工

李江平

（廣東省科學技術職業學院，廣東 珠海 519090）

0 前言

凸輪機構廣泛應用于紡織機械、印刷機械、食品機械、內燃機、自動化儀表以及各種輕工機械中。凸輪機構之所以得到了如此廣泛的應用，是因為它兼有傳動、導向及控制機構的各種功能，可以驅動從動件實現復雜的運動規律。以前受到設計和加工條件的限制,往往采用作圖法設計凸輪輪廓和劃線加工凸輪的方法。隨著機械不斷朝著高速、精密、自動化方向發展,對凸輪機構的轉速和精度要求也不斷提高,因此利用計算機輔助設計和應用數控機床加工凸輪是很有必要的。建立專用的凸輪CAD/CAM軟件,在生產實踐中會改善加工精度,降低制造成本和縮短產品開發周期，本人在進行數控銑加工編程中，采用了Mastercam中的MILL模塊進行凸輪數控銑床編程，就是使用MILL模塊中的Fplot工采用Fplot繪制出平面凸輪曲線，改善加工精度,降低制造成本和縮短產品開發周期.

1 Fplot介紹

本文以Mastercam9.0中文版為例介紹如何使用Mastercam中Fplot程序繪制復雜曲線與曲面，Fplot是一個函數繪圖程序。它利用方程和選擇建立相應的幾何圖形（包括點，線，樣條曲線，曲面曲線，參數曲面或NURBS曲面）。該方程采用普通的代數符號。

2 eqn文件介紹

我們可以用普通文本編輯軟件如記事本或寫字板打開擴展名為eqn的文件，首先進入mastercam安裝文件夾如D：mastercam9Chooks目錄，可以看見幾個擴展名為eqn的文件，有CANDY、CHIP、DRAIN、ELLIPSD、fplot、INVOL、SINE 等幾個 eqn 文件。

3 復雜曲線的繪制

本文以sine.eqn為例介紹曲線的繪制，從fplot主菜單中選擇“Get eqn”，然后輸入“sine.eqn”文件的名稱。選擇“Plot it”創建線段構成一個周期的正弦波。按Alt-F1的，將線段適合屏幕大小。結果如圖1。

圖 1 sin(x)曲線

圖2 sine.eqn文件

那我們查看一下sin.eqn文件到底是如何編寫的。我們用記事本打開sin.eqn文件，可以看到以下內容，第一行step_var1=x表示第一個參數為x,第二行step_size1=0.2表示x的步進值為0.2,第三行lower_limit1=0表示x的變化范圍最小值為0，第四行upper_limit1=6.28319表示x的變化范圍最大值為6.28319，第五行geometry=lines表示繪制的幾何圖形為線，第六行 angles=radians表示角度采用弧度。第七行 origin=0,0,0表示圖形原點為x=0,y=0,z=0。第八行 y=sin(x)表示繪制的線采用的方程為sin(x)。把sin.eqn看懂了，就很容易繪制其它的方程曲線了。

4 凸輪的繪制

在凸輪機構中，最常用的就是平面凸輪機構，要設計平面凸輪的輪廓曲線。設計方法通常有圖解法和解析法兩種。作圖法簡便易行、直觀，作圖誤差較大，精度較低，適用于低速對從動件運動規律要求不高的一般精度凸輪設計；對于精度要求高的高速凸輪、靠模凸輪等，必須用解析法列出凸輪的輪廓曲線方程，用計算機輔助設計精確地設計凸輪機構。如設計下面的偏置滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線，已知偏距e=10mm，基圓半徑r0=40mm，行程h=25mm，滾子半徑rT=10，厚度為20mm。凸輪以角速度ω順時針轉動，從動件的運動規律為：

運動階段 1，推程 Φ=180°、凸輪轉角 φ(°)為 0～180，運動形式：等加速-等減速運動，運動方程方程：s=(2h/Φ2)φ2=(2*25/1802)φ2（0≤φ≤90）或 s=h-2h(Φ-φ)2/Φ2=25-2*25*(180-φ)2/1802（90≤φ≤180）

運動階段 2，遠休止 ΦS=30°、凸輪轉角 φ(°)為 180～210，運動形式：靜止不動，運動方程方程：s=h=25（180≤φ≤210）

運動階段 3，回程 Φ=90°、凸輪轉角 φ(°)為 210～300，運動形式：等加速-等減速運動，運動方程方程： s=h-(2h/Φ2)/φ2=25-(2*25/180)2/(φ-210)2（210≤φ≤300） 或 s=2h(Φ’-φ’)2/Φ’2=2*25*(90-(φ-210))2/902（210≤φ≤300）

運動階段 4，遠休止 ΦS=60°、凸輪轉角 φ(°)為 300～360，運動形式：靜止不動，運動方程方程： s=0（300≤φ≤360）

凸輪輪廓曲線零件圖如下圖。

圖3 凸輪輪廓曲線零件圖

1）凸輪輪廓曲線的極坐標方程

位移S方程如上已經給出

3）根據凸輪輪廓曲線的直角坐標方程分別建立6段凸輪曲線方程如下圖

圖4 6段凸輪曲線eqn方程

由6段凸輪曲線eqn方程生成的理論凸輪曲線如下圖11。

圖5 凸輪理論輪廓曲線

4）對于滾子從動件，我們得到理論輪廓線后，直接用offset(偏移)命令，出現提示：“指定偏移距離或[通過(T)]＜通過＞：”，輸入滾子半徑rT=10㎜，選擇輪廓曲線作為偏移對象，指定內側為偏移方向，即可得到凸輪的實際輪廓曲線。

5）拉伸草圖輪廓，完成凸輪參數化建模。選擇【插人】/【拉伸】命令或者單擊工具欄中的拉伸按鈕后，拉伸指定輪廓至指定高度20mm，完成凸輪實體建模。

6）生成凸輪中心孔。利用拉伸去除，生成凸輪中心孔，完成凸輪的建模。

圖6 凸輪實際曲線

圖7 凸輪實際外形

圖8 生成的凸輪

5 加工方法的確定

加工平面凸輪一般采用兩軸聯動的數控銑床,大型平面凸輪可用等高墊墊在工作臺上,中心孔找正后,確定坐標原點,用壓板螺絲在凸輪的工藝孔上壓住即可;而小型凸輪,一般用心定位,壓緊即可。加工圓柱凸輪宜采用四軸(X,Y,Z軸與繞X旋轉的A軸)或帶數控轉盤的3坐標,2坐標以上聯動的數控銑床加工比較合適,根據槽寬及形狀選擇不同大小的刀具或成形刀具。為了加工方便,安裝時,凸輪的軸線應平行于機床的X軸,由夾盤和頂尖夾緊工件。

6 工件裝夾方案

由于該零件為小型凸輪，宜采用心軸定位，螺栓壓緊即可。設定工件上表面與孔φ10H20軸線的交點為工件坐標系的原點。

7 加工順序及進給路線

該凸輪的加工路線包括深度切入進給和平面切削，切削加工時當刀具至指定深度后，刀具在XY平面內運動，銑削凸輪輪廓。

8 選擇刀具及切削用量

8．1 選擇切削刀具

銑削刀具和刀具材料主要根據零件材料的切削加工性、工件表面幾何形狀和尺寸大小選擇，由于零件材料為鋁，切削加工性能較好。可采用整體式JT-MW型刀具系統，選用φ10mm的硬質合金鍵槽銑刀。數控銑床為華興SK712A。

8．2 選擇切削用量

依據零件材料鋁的切削性能，硬質合金刀具材料的特性及加工精度要求確定切削用量。凸輪兩側面各留1mm精銑余量；切削速度和進給速度的選擇應考慮刀具的工作效率和壽命，粗銑時主軸轉速取1000r/min，進給速度取 50mm/min，精加工前，檢測零件幾何尺寸，依據檢測結果決定刀具長度和刀具半徑的偏置量，精銑時主軸轉速取1000r/min，銑刀進給速度取 30mm/min，保證尺寸精度和表面質量符合圖紙的加工要求。

9 刀具路徑生成

圖9 刀具路徑

10 結束語

基于mastercam凸輪的計算機輔助設計和制造為凸輪的設計和加工提供了較大的方便，能很好保證凸輪的設計要求和加工質量。

圖10 刀具參數1

圖11 刀具參數2

致謝：

在此感謝宋教授對我論文提出的寶貴意見，以及賴老師及黃東老師、鄒偉全老師對我的大力幫助。

［1］王衛兵,主編.mastercam數控加工實例教程[M].清華大學出版社.

［2］候克青.機械設計基礎課程實訓指導[M].北京：煤炭工業出版社,2005.