[弧面分度凸轮三维模型建立]弧面分度凸轮

　　摘要：从分度凸轮工作侧面的成型机理，探讨了应用三维软件精确成型的方法，详细给出了创建步骤。系统分析了工作侧面的成型原理，给出了建立关键的空间三维曲线方程计算公式。 　　关键词：凸轮 弧面分度凸轮 机构 轨迹 曲面 实体
　　中图分类号：TH132.47 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0117-02
　　
　　凸轮在机械机构中的应用非常广泛，如包装设备、医疗设备、内燃机、机械手、数控机床、生产线上比较常见，按照其廓面曲线的形状可以分为平面凸轮和空间凸轮。弧面分度凸轮（也称为是FERGUSON凸轮）属于空间分度凸轮的一种，空间分度凸轮具有结构紧凑、传动载荷大、定位准确、够够自锁、噪音小、运转可靠等诸多优点。过去对空间凸轮的研究主要放在工作面形状的设计计算与测量误差分析上，由于空间凸轮工作面形状的复杂性，其设计公式繁杂，计算结果数据量大，限制了在实际加工中的应用。随着通用三维机械设计软件的普及，利用三维软件设计凸轮并计算加工刀路路径就显得容易和准确。本文具体介绍了建立弧面分度凸轮模型的方法。
　　1、目前对空间槽轮凸轮的研究现状
　　弧面分度凸轮机构是一种精密传动机构，因其具有分度数大、分度精度高、定位可靠等优点，被广泛应用于各类自动机械中。相对于美国、日本等发达国家，我国研究弧面分度凸轮的时间相对较短，而凸轮机构工作廓面的复杂性，使得其设计理论和制造技术相对比较复杂，从而制约了弧面分度凸轮机构的普及。弧面分度凸轮的结构参数计算的主要是放在对其工作面的形状描述上。由于该工作面和从动滚子（一般为圆柱面或者圆锥面）是啮合线接触，从严格的理论上讲弧面分度凸轮的工作面是包络面。该面的形状在工作的分度期间其形状复杂、成型机理抽象、加工困难。目前对该类凸轮的研究很多，大致分为以下几种类型，(1)对该类凸轮工作廓面的几何描述。使用到的工具主要是曲面的共扼理论和坐标变换。(2)对该类凸轮的加工方法和工艺过程进行分析优化。包括等价加工和非等价加工。(3)对该类凸轮的测量方法和测量误差的计算。此类研究还包括专用测量设备的设计、专用的处理程序等。以上研究方法主要存在以下问题：(1)研究仅限于理论层面，描述和结论都不能直接应用于生产过程。(2)对几何的形状公式计算和描述多，没能直接转换到广泛应用的三维CAD/CAM软件上。(3)介绍的测量方法要用到专用程序和工具，限制了其应用推广。
　　本文主要主要介绍弧面分度凸轮机构中蜗杆凸轮的工作机理，结构和性能特点，工作侧面的形状特点。从工作原理上，利用坐标变换的方法，给出摆动从动件节点在凸轮模型上的相对运动轨迹。以Pro/ENGINEER Wildfire 5.0为平台，采用“可变截面”的造型方式，建立了单线程的弧面分度凸轮的实体模型。
　　2、弧面分度凸轮的三维模型的建立
　　弧面分度凸轮机构中蜗杆凸轮主要起到把在两个轴线在空间交叉的零件，把其中凸轮的匀速旋转运动转换到从动件的间歇分度或者摆动。本文探索凸轮机构的从动件为转动件的情况。
　　凸轮每转一周，带滚子的从动件转动一个角度并停歇一段时间。转动角度的大小根据具体情况确定，停歇时间与转动时间的比例也可以根据需要而定。弧面凸轮机构主动凸轮的轮廓呈突脊状的圆弧回转体，从动转盘上装有几个滚子。凸轮旋转时，其分度段轮廓推动滚子，使转盘分度转位；当凸轮转到其停歇段轮廓时，转盘上的两个滚子跨夹征凸轮的圆环面突脊上，使转盘停止转动。定位圆环面位于凸轮中央，适用于高速、轻载和滚子数较少的场合。
　　弧面分度凸轮类似于具有变螺旋角的面蜗杆，转盘相当于具有滚子齿的蜗轮。所以弧面凸轮也有单头、多头和左旋、右旋之分。
　　(1)弧面分度凸轮的主要成型要素，参数。
　　D―凸轮中心到从动件转动中心之间的距离。
　　R―滚子轴线上的节点到凸轮中心的距离。
　　H―凸轮的高度。
　　L1，L2―分别为滚子轴线上的端点、节点到从动件转动中心之间的距离。
　　A―滚子轴线之间的夹角。
　　TL,TH―滚子轴线和凸轮中间面之间的夹角。
　　P―圆柱磙子轴线上的点（节点）。
　　O1,O2―分别为凸轮、从动件旋转轴上的中间点。
　　一般情况下，如果要求从动件摆动的角度范围相对于凸轮中间面是对称的，那么从动件的转动中心在凸轮中间面内。O2点相对于凸轮的运动轨迹是一个整圆。
　　(2)节点轨迹方程的建立在凸轮、从动件上建立各自的局部坐标系，如图2所示。给出参数之间的关系定义公式。
　　CS1:原点在O1，x朝向O1-O2，z轴朝上。DS1
　　CS2:原点在O2，x朝向O2-O1，z轴朝后（远离观察者）。
　　同时在凸轮、从动件上建立和各自零件固定的动态坐标系。
　　DS1:和凸轮固定，在初始位置和CS1相同。
　　DS2: 和从动件固定，在初始位置和CS2相同。
　　节点P在DS1、CS1、DS2、CS2中的坐标分别为：1，1，2，2
　　则：1=C1・1 (公式1)
　　2 =C2 ・2 (公式2)
　　1=C ・2+ (公式3)
　　其中：C1=[cos-sin0, sincos0,0 0 1]T
　　C2=[cos-sin 0, sincos0,0 0 1]T
　　C=[-1 0 0,0 0 -1,0 -1 0]T
　　=[D 0 0] T
　　―凸轮绕z轴的转角，按右手定则确定正、负。
　　―从动件绕z轴的转角，按右手定则确定正、负。
　　从上面3个公式可以得出：
　　[1,,1]=M・[2，1]
　　M为4X4增秩矩阵。
　　X1=-cos*cos*x2+cos*sin*y2�sin*z2+D*cos
　　Y1=sin*cos*x2�sin*sin*y2�cos*z2- D*sin
　　Z1=�sin*x2�cos*y2 (公式4)
　　=*t (公式5)
　　―为凸轮转速。
　　t―时间。
　　=Fn() (公式6)
　　Fn()――凸轮轮廓拟合曲线函数。
　　（3）(如表1)
　　以下是创建该模型的主要步骤：
　　(1)用旋转特征创建弧面凸轮基坯。(2)创建从动件节点的三维空间曲线。(3)创建工作面的曲面，脊的顶面并进行合并。(4)缝合曲面的实体化。
　　3、结语
　　弧面分度凸轮的侧面廓面成型原理和工作机理完全一致，其形状复杂。利用本文的方法能较为准确的建立该类型凸轮的三维形状，方法简单易用，为后续的运动仿真、加工编程、模型检测等工作奠定了基础。
　　参考文献
　　[1]韩先征,赵水,王海琴.《Pro/ENGINEER WILDFIRE 5.0应用实践》.化学工业出版社.
　　[2]方代正.“基于 Pr o /E的弧面凸轮分度机构建模研究”.《机床与液压》,2006 No 6.
　　[3]金作成.“圆柱分度凸轮机构的设计及凸轮的数控加工”.《机械传动》,2002年(4).
　　作者简介
　　韩先征（1965年9月）、男、研究生、副教授、研究方向：图学与计算机绘图。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文