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三维模型参数化设计与数控加工仿真的实现
2011-11-24 10:19:06  作者:恽志东 魏德强 王荣   来源:智造网—助力中国制造业创新—idnovo.com.cn
  •   以圆柱凸轮为例,介绍了三维模型参数化设计到数控加工仿真的过程。首先使用SolidWorks及其插件CamTrax进行零件的参数化设计,然后将三维实体导入Mastercam中进行刀具路径设置,最后实现零件的自动编程和加工仿真。

  随着机械制造行业自动化程度的提高,产品生产的竞争日趋激烈,人们借助于CAD/CAM技术的卓越功能来实现产品的辅助设计与辅助制造功能,从而大大缩短产品的生产周期和降低产品的生产成本。SolidWorks是基于Windows平台的主流三维设计软件,被广泛应用于各行业的产品设计,它采用基于特征的参数化模型系统,为产品的设计、分析和制造的一体化提供了平台。Mastercam是美国CNC Software公司开发的CAD/CAM一体化软件,它对硬件的要求不高,操作灵活,具有良好的性价比,特别在CNC编程方面快捷方便,广泛应用于中小型制造企业。在实际工作中,设计人员采用SolidWorks软件进行零件设计,再将零件模型导入Mastercam软件编制零件刀具路径,自动生成数控代码,极大地提高了工作效率,有效保证了零件加工的精度。笔者以圆柱凸轮为例,详细阐述三维模型的参数化设计到自动编程、加工仿真的实现过程。

  1 加工零件与工艺分析

  图1所示为圆柱凸轮零件图,圆柱直径d=254mm,圆柱高H=203.20mm,内孔半径r=80.8mm,滚子直径dt=30.25ram,凸轮槽深v=20.65mm。

  

  圆柱凸轮槽是环绕在圆柱面上的等宽槽,加工时刀具沿圆柱凸轮圆周表面铣削的范围往往大于360°,宜采用四轴或带有数控回转台的三坐标立式数控铣床进行加工。圆柱凸轮槽的底部在每一个截面上通常是等深的,根据槽宽及形状选用直径为20mm圆柱立铣刀。圆柱凸轮铣削加工前通常是一个实心的圆柱体,要经过开槽-粗加工-半精加工-精加工等工序。

  由于凸轮槽宽度值大于实际刀具直径,除粗加工外,其余工序采用非等径加工方式,刀位轨迹相对粗加工路径向两侧偏移值为±5.125mm;其中半精加工刀具步进间距2mm,2次走刀;精加工刀具步进间距1.125mm,1次走刀;共分6次走刀完成(单侧3次走刀)。

  2参数化三维设计

  2.1 CamTrax插件功能

  CamTrax是应用于SolidWorks软件中的一个windows界面的第三方软件,用于帮助设计者精确、有效地构建各种类型的凸轮实体模型。CamTrax插件的主要功能:

  (1)提供直线、盘形、圆柱等多种凸轮类型及主运动方式(顺时针、逆时针),推杆与凸轮保持接触形式可选沟槽式、外廓接触、内廓接触,从动件可选对心直动推杆、偏心直动推杆、摆动推杆。

  (2)可自定义从动件运动规律,载荷数据。可选的凸轮运动规律有:①凸轮不动;②筒谐运动规律;③正弦加速度;④修正正弦加速度;⑤修正梯形加速度;⑥正弦一恒速复合运动规律;⑦正弦一简谐复合运动规律;⑧八阶多项式运动规律;⑨外部数据文件(txt格式),两列:第一列为凸轮角位移,增量为0.1°,第二列为对应的从动件位移。可以输入的载荷数据有:①从动件弹性模量,凸轮弹性模量;②重量加速数据,外力作用数据;③凸轮转速;④弹簧数据。(3)运动分析结果可以输出到EXCEL文件中。

  

  2.2凸轮实体模型的构建

  在CamTrax软件中设置圆柱凸轮的基本参数及定义从动件运动规律参数后,SolidWorks软件利用曲线功能自动绘制凸轮理论轮廓曲线及凸轮实际轮廓曲线,最后通过切除放样操作生成凸轮的三维实体(图2)。

  2.3零件模型的数据交换

  在SolidWorks中完成凸轮实体模型设计后,需要将实体零件导入到Mastercam中进行数控加工的刀具路径设置。通过SolidWorks工具栏中的Mastercam Direct插件,使得用户在使用SolidWorks时可以在Mastercam中打开实体模型(图3),从而保证了实体模型参数的完整性,为后续的刀具路径设置作好准备工作。

  

  3零件模型的数控加工及仿真

  3.1 Mastercam X的加工设置

  (1)粗加工

  选择"Toolpaths"-"Contour Toolpath"命令,"Chain"(串连)选择凸轮槽中心曲线并确定;在图4轮廓加工对话框中选取咖20mm的立铣刀,设定旋转轴参数、转速、进刀量等参数;设置计算机补偿与控制器补偿为OFF,设定安全高度、回退高度、进给高度、加工深度、刀具引入及导出等参数,最后确定。系统自动生成粗加工刀具路径。

  

  (2)半精加工及精加工

  选择"Toolpaths"-"Transform Toolpath"命令,选择转换类型为"Translate(平移)",并勾选"创建新操作管理项";打开"平移"操作参数对话框,选择"两点间距",设置平移参数,沿槽腔中心线两侧方向,依次生成步距为2mm,2次走刀的半精加工刀具路径与步距为1.125mm,1次走刀的精力加工刀具路径。完成凸轮槽粗精加工刀具路径定义(图5)。

  

  3.2 自动编程与加工仿真

  在"操作管理器"中选择全部定义完成的粗、精加工共7次走刀路径,单击"后置处理",选择NC程序保存路径,系统自动生成数控代码(图6)。单击"实体验证",进入实体切削仿真,既可以验证所生成NC程序正确性,又可逼真地模拟零件的实际加工过程(图7)。

  

  

  4结束语

  通过圆柱凸轮零件的加工实例,介绍了利用SolidWorks、Mastercam等主流CAD/CAM软件,实现从三维模型构建到自动编程、加工仿真的详细过程。同时,在产品设计及制造过程中掌握2个软件的转换能够有效地发挥软件的功能,提高产品设计及制造的质量和效率。



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