关键词:
弧面分度凸轮机构
NURBS凸轮曲线
自适应间距
NX二次开发
非等价加工
摘要:
伴随着现代机械行业的各种机械设备的发展,对弧面凸轮机构的各种性能,例如转速、精度等要求不断在提升。对于高速与重载情况下,弧面分度凸轮有如下优势:精度高、动力学性能优越、稳定性好等。跟随着实际工业应用的发展脚步,对于弧面分度凸轮在曲线设计、轮廓面的构造、高效建模开发和制造加工等方面有了更高的要求。本文重点以凸轮NURBS曲线的阶数与控制点的优化、NURBS曲线特性值综合性能评定、弧面凸轮轮廓双向曲线簇及其曲面设计和曲线自适应间距的构造、基于VS与NX结合的二次开发对弧面凸轮机构参数化建模和弧面凸轮多轴数控加工等5个方面对提高弧面分度凸轮性能做了研究。第一、从构建凸轮最基本的凸轮曲线开始研究,结合已有的33条曲线,对应用比较多的简谐梯形组合曲线里面的修正正弦、修正梯形和多项式曲线的优缺点进行了对比分析,绘制出曲线特性值图和总结出适用的工况。为进一步提高凸轮曲线的运动性能,在非均匀有理B样条理论基础上,构造出适用于凸轮机构的NURBS曲线并得出其表达式,利用其局部可调性,对节点矢量采用等距节点法取相应的值,设置边界约束并通过运动控制方程求解其运动控制点。第二、将多条凸轮曲线进行最大特性值对比分析,存在其中某条曲线相较另一条曲线速度变小、加速度变大和跃度可能变小或变大变化不一致的情况,无法判断哪一条凸轮曲线更加优良。迫切需要一种通过单一综合性能来评判凸轮曲线优良的方法,为此提出综合性能评估来评判凸轮曲线5个最大特性值的单一综合性能。基于模糊数学建立判断矩阵,提出层次分析法来决定凸轮曲线最大特性值的权重。求出特征向量和特征值后进行一致性的检验,即可求出综合性能指数,该方法解决了以往无法评估凸轮曲线综合性能的难题。优化了3~13次标准双停留NURBS凸轮曲线,提出综合性能评估法确定了性能最优次数的NURBS凸轮曲线。在确定NURBS凸轮曲线最优阶数的条件下,通过对一组控制点进行重复迭代继续优化了6~16个控制点下7次标准双停留NURBS凸轮曲线,提出综合性能评估法确定性能最优控制点的NURBS凸轮曲线。将结果和修正正弦凸轮曲线来比较,得出性能良好的7次NURBS优化Ⅱ凸轮曲线。第三、通过单向曲线簇构面的方式仅能控制一个方向曲面生成的精度,而另一个方向曲面的精度无法保证。急需要一种能够构造双向曲线簇的方式来提升轮廓面精度,提出通过双向曲线簇构造轮廓面因为可以控制两个方向曲面生成的精度,故生成轮廓面精度更高。通过导入表达式后由表达式控制曲线相关数据,再以“规律曲线”命令依次生成轮廓面上的u和v双向曲线簇,u向曲线为滚子与凸轮某个共轭点的轨迹,某时刻滚子与凸轮接触共轭曲线组成v向曲线。曲线之间间距固定存在曲率大的地方曲线过少生成轮廓面精度偏低,而曲率小的地方曲线过多造成计算量过大。迫切需要一种能够根据曲线曲率大小来自适应确定曲线之间间距的方法。提出了自适应曲线间距,基于弦高法通过u(v)向曲线上的曲率来自适应的确定v(u)向曲线簇的跨距,提升了构造曲线簇效率和减少了计算量。对生成的凸脊与凸轮基体进行合并,即可构建弧面凸轮的三维模型。对不同构面方式进行了对比分析,并针对已有的弧面凸轮模型进行模态分析。第四、针对弧面凸轮建模复杂、曲面轮廓构造难度大和建模效率低下等问题,结合NX可以进行二次开发的特性,基于VC++环境独立搭建了弧面分度凸轮软件。该软件采用VS和NX共同开发,采用块样式编辑器搭建用户界面,采用组的概念来设计不同模块,简化了界面而且降低了开发的难度。在NX里面完成界面搭建后,通过自定义封装函数来实现界面选择和枚举功能及简化代码的编写。设置好参数后能快速、高效的生成弧面凸轮机构三维模型,缩短了开发弧面凸轮机构的周期,并很大程度上减少重复劳动和提升了效率。第五、弧面凸轮的轮廓面曲面相对其他零部件更为复杂,也提升了加工的难度,采用非等价加工的自由曲面法对弧面凸轮进行加工。基于NX内置的加工模块来对弧面凸轮的加工进行模拟,对夹具和机床与毛坯的装夹进行了仿真,并作了相应前处理与后处理,采用NX-CAM模块里面的可变轴轮廓铣来加工轮廓面,在加工过程中可变轴轮廓铣刀具轴线方向可变化,可以适应弧面凸轮复杂的曲面加工。基于圆环刀和球头刀驱动曲面加工的方式来生成加工轨迹,接着搭建了Heidenhain的后处理器来生成编程代码,自由曲面法对弧面凸轮实际过程中加工有重要意义。