柱面凸轮的三维设计及数控加工

本文介绍柱面凸轮在数控加工中，使用Pro/ENGINEER、CAXA制造工程师以及VERICUT软件进行三维造型、NC程序生成和仿真校验的过程。在实际加工之前，检查出多轴加工中的干涉及碰撞问题，并进行调整和修改，提高了多轴数控加工中NC程序的准确性和可靠性。

一、引言

柱面凸轮的加工一般需要在4轴数控加工中心机床上进行，可保证数控加工的高效率和高质量。手工编程已不能满足多轴加工编程的要求，须借助CAD/CAM软件进行三维造型和自动编程。本文介绍柱面凸轮加工过程中的三维造型、NC编程和仿真校验过程，可提高多轴NC程序的准确性和可靠性。

二、使用Pro/ENGINEER软件进行三维造型

根据柱面凸轮零件图可知：需在圆柱面上加工1个0°～360°范围内的空间曲线槽，槽的宽度和深度均为16mm，凸轮行程为40mm，其他尺寸和参数如图1所示。

在Pro/ENGINEER软件中进行三维造型时，使用关系、图形基准特征和可变剖面扫描的方法进行柱面凸轮的三维造型设计。

1.创建柱面凸轮的基础实体

使用拉伸或旋转命令创建柱面凸轮的基础实体，并创建键槽和倒角特征。创建柱面凸轮的基础实体时，应确保Pro/ENGINEER实体模块中坐标系的Z轴与该基础实体的轴线方向一致，如图2所示。

2.创建公式曲线

选择“插入”菜单“基准模型”“图形”命令，输入名称“gr1”，绘制二维曲线，该曲线为柱面凸轮的行程，如图3所示。该图左下角为草绘界面中创建的坐标系。

3.创建基准平面和草绘曲线

创建基准平面DTM1，并在该基准平面上创建草绘曲线，该曲线为Φ98mm的圆，如图2所示。

4.创建柱面凸轮的槽特征

使用“可变剖面扫描”命令创建柱面凸轮的槽特征，选取上个步骤中创建的草绘曲线为轨迹，点击“草绘”按钮，绘制二维剖面，如图4所示。选择“工具”“关系”命令，输入关系式sd3=evalgraph““gr1”，trajpar*360”。关系式中，sd3是受控制的尺寸变量，为图4中所标注尺寸30。再使用“倒角”命令在柱面凸轮的槽特征上进行倒角，如图5所示。

5.创建柱面凸轮加工曲线

复制图5中的槽特征轮廓曲线，并平移8mm。

6.保存

柱面凸轮三维实体造型另存为*.igs格式。在“导出IGES格式”对话框中选取曲面、基准曲线和点选项，其余使用默认值进行保存。

三、使用CAXA制造工程师软件进行自动编程

在CAXA制造工程师软件中进行自动编程时，使用4轴柱面曲线加工方法进行自动编程。

1.打开柱面凸轮文件并进行编辑

打开*.igs格式的柱面凸轮后，只保留槽特征的加工曲线，删除其他曲线。旋转和平移该三维实体，调整为如图6所示的方位。

2.选取加工策略和设置加工参数

选择“加工”菜单“多轴加工”“4轴柱面曲线加工”命令，系统弹出“四轴柱面曲线加工（编辑）”对话框，设置加工参数，如图7所示。

3.对刀具路径进行仿真

轨迹做好后，使用CAXA制造工程师的实体仿真功能进行仿真检查，结果如图8所示。目的是为了验证刀具轨迹数据的正确性和可行性。

4.对刀具路径进行后置处理

（1）右击特征树中“刀具轨迹”，选取“后置处理”命令，系统弹出“生成后置代码”对话框，选择机床文件“Huazhong_4x_A”，生成数控加工程序。

（2）编辑该NC程序。根据实际使用的机床型号，修改刀具号和刀补地址符等参数，保存为О0001.txt。

（3）使用相同方法生成柱面凸轮的槽特征处的倒角程序，保存为О0002.txt。

数控加工仿真可分为两种。第一种：由CAM软件中自带数控仿真模块进行的刀位轨迹数据的仿真。这种仿真不考虑实际加工时刀具切削参数、机床结构、装夹情况的影响，目的只是为了验证刀具轨迹数据的正确性和可行性。第二种：经过后置处理生成数控机床可用的NC代码程序的仿真。这种仿真是检验用于实际机床加工程序的正确性和准确性，通过构建与实际加工环境相似的机床模型，读入经后置处理后生成的NC代码程序进行仿真，能够全方位展现实际加工过程、实现过切、碰撞、干涉检测的一种仿真形式。

对于4轴、5轴以及车削中心等复杂机床，机床结构、工件装夹位置等数据需要在后置处理中进行设定，直接影响后处理生成的NC程序。最终控制机床运动的是NC程序，所以基于NC程序的仿真比基于刀位数据的仿真更具实际意义。

四、使用VERICUT软件进行数控加工仿真

VERICUT软件是由美国CGTECH公司开发的专用数控加工仿真软件，能够真实地模拟在加工过程中刀具的切削、加工零件、夹具、工作台及机床各轴的运动情况。该软件采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度。所以，柱面凸轮采用该软件对CAXA制造工程师软件生成的NC程序进行仿真。

1.调用机床控制文件并设置机床拓扑结构

控制文件为：huazhong_hnc.ctl ，机床文件为：basic_3axes_vmill.mch。该机床模型是一个3轴机床，需在X轴拓扑结构下添加旋转轴A，并为A轴添加模型文件，如图9所示。

2.建立夹具及毛坯

使用Pro/ENGINEER软件建立夹具（三爪卡盘和顶尖）及柱面凸轮毛坯模型，另存为.stl格式。在VERICUT软件中导入夹具及毛坯模型。

3.建立刀具及G代码偏置

（1）在VERICUT软件中建立刀具模型。

（2）G代码偏置中选用“工作偏置”寄存器选用NC程序使用的“54”。

4.导入NC程序

在该软件特征树中双击“数控程序”，系统打开“数控程序…”对话框，依次选取前面保存的数控加工程序О0001.txt和О0002.txt，导入到该软件中。

5.数控加工仿真

单击重置模型按钮 ，再单击仿真到末端按钮 ，该软件开始进行数控加工仿真，结果如图9所示。

五、利用数控机床进行柱面凸轮的加工

将NC程序导入数控机床进行加工。采用铝合金YL12为毛坯材料，利用VDF―850D立式加工中心（带第四轴数控分度头和尾座顶尖），华中HNC―210B型支持4轴联动数控系统进行零件的数控加工，柱面凸轮零件加工实物如图10所示。

六、总结

采用Pro/ENGINEER、CAXA制造工程师和VERICUT软件进行柱面凸轮的三维造型、4轴加工自动编程与仿真校验过程，是基于计算机数字建模技术和现代虚拟制造技术。该过程建立了仿照实际加工环境下的刀具干涉与碰撞情况。仿真校验时需建立零件毛坯、夹具和刀具的三维数字化模型，并设置少量的加工工艺参数即可完整演示数控加工过程。该方法与传统加工中采用试切法校验NC程序相比，更具可靠性和准确性。在零件加工之前，调整和修改刀具的干涉及机床的碰撞，可极大地提高多轴NC程序的校验效率，缩短了复杂零件的制造周期。