自動車床轉塔刀架凸輪機構的參數化設計及仿真＊

王智森 韋洪新 汪兆棟

（景德鎮學院機械電子工程學院，江西 景德鎮 333000）

凸輪機構作為一種常用的機械自動化控制裝置，組成結構相對簡單、成本低及可靠性高，廣泛應用在機床、航空、船舶、紡織和印刷等領域[1]。由于從動件的運動規律取決于凸輪廓線形狀，通過合理優化凸輪機構運動特性適應實際工況要求，其中面臨的難題是凸輪廓線設計[2]。傳統的圖解法繪制凸輪廓線工作量大、精度低，而解析法可以精確計算凸輪廓線坐標，因此解析法常用于凸輪機構的參數化設計[3]。如圖1所示，進刀凸輪和圓柱凸輪是單軸六角自動車床轉塔刀架的關鍵零部件之一，廓線設計和工藝精度至關重要，影響車床自動換刀效率[4]。按照加工順序預先在轉塔刀架上安裝好6把刀具，切削一次后，利用凸輪、槽輪等機構配合刀架退回并轉位，自動換刀再次切削，完成工件一次裝夾中較復雜型面的加工，因此轉塔刀架的凸輪廓線設計十分關鍵。

圖1 單軸六角自動車床轉塔刀架凸輪機構

近年來研究學者進行凸輪機構設計時借助的工具很多，如Matlab、Adams和SolidWorks等，效果卻不理想，一是設計單一化，只能實現某種運動規律下的凸輪廓線設計，可視化界面操作性不強，推廣度不高；二是功能欠完善，沒有做到參數化設計，軟件工程不能實現凸輪廓線生成、數據輸出、運動特性分析及仿真的一體化實用流程[5-7]。本文以單軸六角自動車床轉塔刀架的凸輪為研究對象，通過VB一體化協同編程完成凸輪廓線參數化設計的可視化界面軟件工程，根據所需工況選擇從動件推程、回程運動規律，輸入設計參數，就能實現多功能化的使用要求，具體技術流程如圖2所示。

圖2 凸輪參數化設計技術流程圖

1 凸輪機構組合運動規律分析

為了滿足自動車床轉塔刀架工況要求，確定凸輪機構運動規律和凸輪廓線坐標方程，實現凸輪廓線的精確設計。有關凸輪機構的運動規律，近年來許多國家如中國、德國、美國和日本等做過大量的研究，設計出了幾十種曲線[8]。目前研究成熟的從動件推程、回程運動規律特性如表1所示。

表1 從動件推程、回程運動規律特性

結合從動件沖擊特性和適用場合情況，選擇等速運動、簡諧運動和五次多項式運動這3種典型曲線自由組合設計9類凸輪廓線，覆蓋低、中、高速場合且滿足不同沖擊條件。從動件等速運動、簡諧運動和五次多項式運動規律的推程運動方程分別為式（1）～（3），回程運動方程同理推導，推程、回程曲線圖呈對稱性。

2 凸輪機構參數化設計及運動仿真

基于VB軟件開發凸輪機構設計的可視化界面軟件工程，使用SStab控件進行編程實現多分支任務，實現參數化設計，提高設計效率。可視化界面軟件工程設計分為3個模塊：從動件推程、回程運動規律選擇模塊；凸輪設計參數輸入模塊；功能實現模塊。其中功能實現模塊包括廓線生成、數據輸出、運動特性分析和運動仿真4項。凸輪機構設計的各項初始參數如表2所示。

表2 凸輪初始設計參數

為了保證凸輪機構在工作過程中不產生自鎖導致無法運動，在設計中規定了凸輪壓力角的許用值，即從動件作推程運動時[ α]=30°～40°，作回程運動時[α]=70°～80°。考慮到凸輪廓線參數化設計要求工作可靠，因此選取從動件推程、回程許用壓力角邊界值，即[ α]分 別為 30°、 8 0°。根據從動件推程、回程運動規律選擇模塊組合的9類曲線方程需要編寫9段代碼，以其中較復雜的簡諧與五次多項式組合運動規律為例，主干代碼如表3所示。

表3 簡諧與五次多項式組合主干代碼

通過界面布局、程序編程和可行編譯，并調試工程運行穩定性，得到自動車床轉塔刀架凸輪參數化設計的可視化界面軟件工程如圖3所示。

圖3 自動車床轉塔刀架凸輪參數化設計軟件工程

2.1 凸輪廓線生成

為了使程序精簡化，編寫了model函數和model1函數作為共享模塊，方便主程序調用。model函數存放凸輪理論與實際廓線坐標值、壓力角、曲率半徑，model1函數打印輸出凸輪廓線、各項數據及運動特性曲線。其中實現凸輪廓線生成代碼如表4所示。

表4 凸輪廓線生成代碼

設定可視化界面軟件工程中凸輪設計參數初始值：推程運動角 δ1=90°、 遠休止角 δ2=90°、回程運動角 δ3=100°、 近休止角δ4=80°、基圓半徑R0=50 mm、滾子半徑Rr=10 mm、偏距（左偏置為正）e=20 mm、凸輪角速度ω=1 rad/s和從動件升程h=15 mm。分別選擇9類不同組合的從動件推程、回程運動規律，運行可視化界面軟件工程，生成9類不同組合運動規律的凸輪理論、實際廓線如圖4所示。凸輪廓線生成模塊過程直觀，運行平穩，用戶可以根據工況要求實時調試。

圖4 不同組合運動規律生成的凸輪廓線

2.2 凸輪數據輸出

實時數據輸出是凸輪機構參數化設計中至關重要的環節之一，用戶通過可視化界面軟件工程生成了適合工況場合的凸輪廓線，將凸輪廓線坐標數據導出才能進行凸輪實體加工制造。數據輸出包括凸輪轉角、從動件位移、從動件速度、壓力角、曲率半徑、凸輪理論和實際廓線坐標。凸輪數據輸出模塊主干代碼如表5所示。

表5 凸輪數據輸出模塊主干代碼

根據上述設定的凸輪設計參數初始值，選擇從動件推程為簡諧運動規律、回程為五次多項式運動規律為例，運行軟件工程，實時輸出凸輪數據如圖5所示，將其中凸輪實際廓線坐標數據導出轉換成通用的DXF格式文件就能用于凸輪三維建模和實體加工。

圖5 凸輪數據

2.3 凸輪機構運動特性分析驗證

為了研究自動車床轉塔刀架凸輪機構運動特性，需要對推桿位移、速度和加速度曲線進行分析，便于用戶根據實際工況要求設計凸輪，如不能滿足設計要求，返回可視化界面軟件工程重新調整參數進行設計，整個一體化設計流程實現無縫銜接。運動分析模塊主干代碼如表6所示。

表6 運動分析模塊主干代碼

將輸出的推桿位移、速度和加速度值顯示在同一個坐標系中，直觀分析凸輪機構運動特性結果，其中橫坐標為凸輪轉動角度。以從動件推程、回程組合運動規律中的3種即等速-五次多項式、簡諧-五次多項式及五次多項式-五次多項式為例，得到不同組合運動規律的運動特性曲線如圖6所示。由圖可知：在凸輪各項初始設計參數相同情況下，五次多項式-五次多項式運動規律的推桿速度及加速度均不會發生突變，運行平穩且無沖擊。如圖7所示，將2.2節VB軟件工程輸出的凸輪實際廓線坐標數據導入Working Model中進行仿真，以簡諧與五次多項式組合運動規律為例，驗證推桿運動特性分析正確性。

圖6 不同組合運動規律的運動特性曲線

圖7 Working Model推桿運動特性分析

按照VB軟件工程設定的凸輪參數，設置Working Model中凸輪角速度 ω為1 rad/s，運行得到一個工作周期內推桿的運動特性曲線如圖8所示。由圖8可知：Working Model簡諧與五次多項式組合運動規律下推桿位移、速度曲線與VB軟件工程運動特性分析結果完全擬合。

圖8 推桿運動特性曲線

2.4 凸輪機構運動仿真

凸輪仿真模塊直觀顯示設計凸輪的運動仿真結果，檢驗凸輪機構運行穩定性，便于用戶根據自動車床轉塔刀架所需工況實時調試凸輪參數，得到滿足推桿行程的凸輪廓線。編寫的凸輪仿真模塊主干代碼如表7所示。

表7 凸輪仿真模塊主干代碼

運行軟件工程，得到凸輪機構運動仿真如圖9所示。該模塊有演示和暫停功能，其中演示功能實時模擬顯示凸輪機構運動仿真過程，便于用戶查看推桿運動狀態是否合理。通過車床廠家對該軟件工程進行評測，用戶反饋界面易于操作、設計省時便捷、功能模塊實用。

圖9 凸輪仿真

3 結語

單軸六角自動車床轉塔刀架是一種常用的自動換刀裝置，凸輪機構作為轉塔刀架的核心部件之一，配合完成退刀、轉位和換刀動作。為了滿足各類工況的運動控制條件，通過多種運動規律曲線自由組合設計凸輪廓線。研究基于VB開發可視化界面軟件工程實現凸輪廓線生成、數據輸出、運動特性分析及仿真4個功能模塊的一體化協同設計方法，得到9種從動件運動規律特性的凸輪廓線參數化設計結果，為同類型自動化裝置提供參考的實用價值。