盘形凸轮在自动机械中的应用
凸轮机构常用于轻载、低速自动或半自动机构的控制。其中盘形凸轮应用较广，其加工方法有划线加工、靠模加工和数控加工。由于凸轮轮廓曲线较复杂，采用前两者加工方法不但费时费力，且精度低。而采用数控加工可获得很高的加工精度。如果其轮廓曲线是由直线和圆弧组成的，可由手工编程解决。但是由其他非直线和圆弧组成其轮廓曲线时，数控系统又不具备该曲线插补功能，用手工编程无法解决,就必须利用CAD/CAM软件进行自动编程才能解决。CAXA制造工程师是一套由中国北京北航海尔软件公司研制开发的基于Windows原创风格、功能强大、易学易用、全中文界面的计算机辅助设计与制造软件。本文主要介绍CAXA制造工程师在加工盘形凸轮中的应用。
凸轮机构的定义
凸轮机构—由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。 二．三种凸轮机构
盘形凸轮机构：这是凸轮的基本形式。凸轮绕固定轴旋转时，推杆位移规律是一定的。 移动凸轮机构：移动凸轮机构是最常见的一种凸轮机构，这种机构的从动件一般是做成杆状，接触凸轮的部分装有滚轮，滚轮在凸轮上做纯滚动，从而带动从动件杆做轴向的移动。 圆形凸轮机构：将移动凸轮卷成圆柱状，就成为圆柱凸轮。圆柱凸轮不再做往复直线移动，而是做旋转移动。 三．凸轮机构的运用
在各种机械，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸轮机构。 内燃机的配气机构：当凸轮回转时，其轮廓将迫使推杆作往复摆动，从而使气阀开启或关闭(关闭是借弹簧的作用)，以控制可燃物质在适当的时间进入气缸或排出废气。至于气阀开启和关闭时间的长短及其速度和加速度的变化规律，则取决于凸轮轮廓曲线的形状。
自动机床的进刀机构：当具有凹槽的圆柱凸轮回转时，其凹槽的侧面通过嵌于凹槽中的滚子迫使推杆绕其轴作往复摆动，从而控制刀架的进刀和退刀运动。至于进刀和退刀的运动规律如何，则决定于凹槽曲线的形状。 四．凸轮机构的优缺点 凸轮机构最大的优点是：只要作出适当的凸轮轮廓，就可以使从动件得到任意预定的运动规律，并且机构简单、紧凑，占据空间小，设计比较方便。缺点是：凸轮与从动杆为电接触或线接触，容易使磨损凸轮轮廓，只能用于受力不大的地方，凸轮轮廓是曲线，给加工带来很大困难。
凸轮机构的应用
凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，通常作连续的等速转动、摆动或移动。从动件在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动规律作往复移动或摆动。
如图所示为以内燃机的配气凸轮机构，凸轮1作等速回转，其轮廓将迫使推杆2作往 复摆动，从而使气门3开启和关闭，以控制可燃物质进入气缸或废气的排出。 由上述例子可以看出，从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线决定的。
盘形凸轮的加工
举例：加工一盘形凸轮，基圆D=50 mm。升程25 mm。使从动件运动规律如下： 0～90°，从动件静止不动(下止点)。
90～180°，从动件匀加速向上。到达上止点。
180～270°，从动件静止不动(上止点)。
270～215°，从动件匀加速向下。行程为升程的一半(12.5 mm)。
215～360°，从动件匀减速向下。行程为升程的一半(12.5 mm)。
1.1做出此零件的实体模型
利用CAD/CAM软件编程，首先必须做出零件的轮廓曲线，才能生成实体模型。使用CAXA制造工程师中的公式曲线绘制凸轮的轮廓显得方便快捷，任何复杂的曲线，只要确定了其函数式并选择正确的取值范围后。即可轻松获得所需图线。
从动件运动分析：
由上述要求可知，该凸轮的轮廓曲线是由5
条曲线段组成。令：凸轮旋转时的角速度，则周期。即每转过90°所需时间为1 s。
(1)0-90°
V=0。a=0，凸轮曲线为一圆弧(基圆)，r=25 mm。
(2)90-180°
V>0.a=0，凸轮曲线为一阿基米德螺线。在此区间从动件从下止点到上止点，其行程s=50-25=25 mm，所用时间t=l S.故从动件在此区间的速度
已知阿基米德螺线的方程为
画此曲线时。应选用极坐标系，输入方程
起始值为
; 终止值为。 (3)180-270° V=0，a=0，凸轮曲线为一圆弧，R=50 mm。 (4)270-215° V=0，a>0，凸轮曲线为一抛物线。 此时从动件从上止点开始下移，该段行程s=12.5 mm。所用时间t=0.5 s。
，可得
又由
于是距凸轮回转中心距离
画此段曲线时,输入方程
起始值为0;
终止值为
曲线生成后。还需旋转-90°即可完成与上段曲线的连接。
(5)215-360°
V=0，a
此时从动件已从上止点下移了12.5 mm，离下止点距离(即行程)还有12.5 mm，离凸轮回转中心距离为37.5 mm。
已知：行程s=12.5 mm，时间t=0.5 s，初速度即为上一段的末速度，
此段的加速度
由及
可得从动件下移的距离 ，
则从动件离凸轮回转中心距离
画此段曲线时，输入方程
起始值为0：
终止值为
曲线生成后，还需旋转-45°，即可完成与上段曲线的拼接。如图l所示。
图1 盘形凸轮曲线
需要注意的是画盘形凸轮曲线时，要选用极坐标系。变量t的取值在0～2π，不能取负值。曲线方程确定后，起始值和终止值的选择则显得尤为关键，若选择不当，则曲线的位置和大小将出现偏差。
轮廓曲线生成后，考虑到加工时使用φ20立铣刀及使从动件运动平稳，在各曲线连接处用R10的圆弧过渡，使曲线更加平滑。使用曲线组合功能把各段曲线进行组合，使凸轮轮廓成为一条完整的曲线。
使用移动拷贝功能画凸轮上表面曲线(令凸轮厚度为20)，利用直纹面和平面功能生成凸轮实体。
选择下表面轮廓线，使用等距线功能画凸轮曲线加工时φ20立铣刀的切削路径(偏移距离为10 mm)，以此作为“曲线路径”。
1.2由实体模型定义毛坯大小
单击加工管理按钮。在“加工管理树”中，双击毛坯图标，弹出“定义毛坯”对话框，选取参照模型方式。单击参照模型按钮，系统自动计算模型的大小。以此作为毛坯。
1.3创建工件坐标系
在凸轮上表面中心创建加工坐标系。
1.4选择加工方式,确定加工参数
单击轮廓线精加工按钮，弹出对话框。填写各参数表中的参数。
1.5生成加工轨迹
填写完参数表后，单击确定。拾取“曲线路径”和加工方向。右键确定。系统生成加工轨迹。
1.6生成加工程序
在加工菜单栏中选择后置处理，在后置设置中选取加工机床，然后生成G代码，获得加工程序。
2结语
利用CAD/CAM软件自动编程，关键是绘制出工件的轮廓曲线。本文重点阐述了如何利用CAXA制造工程师绘制盘形凸轮曲线及加工生成G代码数控加工程序。CAXA制造工程师作为国产CAD/CAM软件，以其人性化的界面和便捷的操作。被众多的工程技术人员和教育工作者所青睐。随着其功能的不断完善，将在教学和应用中占据更加重要的位置。
参考文献：
张晞，《机械设计》 中国计量出版社
成大先，《机械设计手册》 化学工业出版社
赵汝嘉，《CAD基础理论及应用》 西安交通大学出版社
孙恒，陈作模，《机械原理》 高等教育出版社机械工业出版社
赵堂春，《机械CAD/CAM》
盘形凸轮在自动机械中的应用
凸轮机构常用于轻载、低速自动或半自动机构的控制。其中盘形凸轮应用较广，其加工方法有划线加工、靠模加工和数控加工。由于凸轮轮廓曲线较复杂，采用前两者加工方法不但费时费力，且精度低。而采用数控加工可获得很高的加工精度。如果其轮廓曲线是由直线和圆弧组成的，可由手工编程解决。但是由其他非直线和圆弧组成其轮廓曲线时，数控系统又不具备该曲线插补功能，用手工编程无法解决,就必须利用CAD/CAM软件进行自动编程才能解决。CAXA制造工程师是一套由中国北京北航海尔软件公司研制开发的基于Windows原创风格、功能强大、易学易用、全中文界面的计算机辅助设计与制造软件。本文主要介绍CAXA制造工程师在加工盘形凸轮中的应用。
凸轮机构的定义
凸轮机构—由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。 二．三种凸轮机构
盘形凸轮机构：这是凸轮的基本形式。凸轮绕固定轴旋转时，推杆位移规律是一定的。 移动凸轮机构：移动凸轮机构是最常见的一种凸轮机构，这种机构的从动件一般是做成杆状，接触凸轮的部分装有滚轮，滚轮在凸轮上做纯滚动，从而带动从动件杆做轴向的移动。 圆形凸轮机构：将移动凸轮卷成圆柱状，就成为圆柱凸轮。圆柱凸轮不再做往复直线移动，而是做旋转移动。 三．凸轮机构的运用
在各种机械，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸轮机构。 内燃机的配气机构：当凸轮回转时，其轮廓将迫使推杆作往复摆动，从而使气阀开启或关闭(关闭是借弹簧的作用)，以控制可燃物质在适当的时间进入气缸或排出废气。至于气阀开启和关闭时间的长短及其速度和加速度的变化规律，则取决于凸轮轮廓曲线的形状。
自动机床的进刀机构：当具有凹槽的圆柱凸轮回转时，其凹槽的侧面通过嵌于凹槽中的滚子迫使推杆绕其轴作往复摆动，从而控制刀架的进刀和退刀运动。至于进刀和退刀的运动规律如何，则决定于凹槽曲线的形状。 四．凸轮机构的优缺点 凸轮机构最大的优点是：只要作出适当的凸轮轮廓，就可以使从动件得到任意预定的运动规律，并且机构简单、紧凑，占据空间小，设计比较方便。缺点是：凸轮与从动杆为电接触或线接触，容易使磨损凸轮轮廓，只能用于受力不大的地方，凸轮轮廓是曲线，给加工带来很大困难。
凸轮机构的应用
凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种高副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，通常作连续的等速转动、摆动或移动。从动件在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动规律作往复移动或摆动。
如图所示为以内燃机的配气凸轮机构，凸轮1作等速回转，其轮廓将迫使推杆2作往 复摆动，从而使气门3开启和关闭，以控制可燃物质进入气缸或废气的排出。 由上述例子可以看出，从动件的运动规律是由凸轮轮廓曲线决定的。
盘形凸轮的加工
举例：加工一盘形凸轮，基圆D=50 mm。升程25 mm。使从动件运动规律如下： 0～90°，从动件静止不动(下止点)。
90～180°，从动件匀加速向上。到达上止点。
180～270°，从动件静止不动(上止点)。
270～215°，从动件匀加速向下。行程为升程的一半(12.5 mm)。
215～360°，从动件匀减速向下。行程为升程的一半(12.5 mm)。
1.1做出此零件的实体模型
利用CAD/CAM软件编程，首先必须做出零件的轮廓曲线，才能生成实体模型。使用CAXA制造工程师中的公式曲线绘制凸轮的轮廓显得方便快捷，任何复杂的曲线，只要确定了其函数式并选择正确的取值范围后。即可轻松获得所需图线。
从动件运动分析：
由上述要求可知，该凸轮的轮廓曲线是由5
条曲线段组成。令：凸轮旋转时的角速度，则周期。即每转过90°所需时间为1 s。
(1)0-90°
V=0。a=0，凸轮曲线为一圆弧(基圆)，r=25 mm。
(2)90-180°
V>0.a=0，凸轮曲线为一阿基米德螺线。在此区间从动件从下止点到上止点，其行程s=50-25=25 mm，所用时间t=l S.故从动件在此区间的速度
已知阿基米德螺线的方程为
画此曲线时。应选用极坐标系，输入方程
起始值为
; 终止值为。 (3)180-270° V=0，a=0，凸轮曲线为一圆弧，R=50 mm。 (4)270-215° V=0，a>0，凸轮曲线为一抛物线。 此时从动件从上止点开始下移，该段行程s=12.5 mm。所用时间t=0.5 s。
，可得
又由
于是距凸轮回转中心距离
画此段曲线时,输入方程
起始值为0;
终止值为
曲线生成后。还需旋转-90°即可完成与上段曲线的连接。
(5)215-360°
V=0，a
此时从动件已从上止点下移了12.5 mm，离下止点距离(即行程)还有12.5 mm，离凸轮回转中心距离为37.5 mm。
已知：行程s=12.5 mm，时间t=0.5 s，初速度即为上一段的末速度，
此段的加速度
由及
可得从动件下移的距离 ，
则从动件离凸轮回转中心距离
画此段曲线时，输入方程
起始值为0：
终止值为
曲线生成后，还需旋转-45°，即可完成与上段曲线的拼接。如图l所示。
图1 盘形凸轮曲线
需要注意的是画盘形凸轮曲线时，要选用极坐标系。变量t的取值在0～2π，不能取负值。曲线方程确定后，起始值和终止值的选择则显得尤为关键，若选择不当，则曲线的位置和大小将出现偏差。
轮廓曲线生成后，考虑到加工时使用φ20立铣刀及使从动件运动平稳，在各曲线连接处用R10的圆弧过渡，使曲线更加平滑。使用曲线组合功能把各段曲线进行组合，使凸轮轮廓成为一条完整的曲线。
使用移动拷贝功能画凸轮上表面曲线(令凸轮厚度为20)，利用直纹面和平面功能生成凸轮实体。
选择下表面轮廓线，使用等距线功能画凸轮曲线加工时φ20立铣刀的切削路径(偏移距离为10 mm)，以此作为“曲线路径”。
1.2由实体模型定义毛坯大小
单击加工管理按钮。在“加工管理树”中，双击毛坯图标，弹出“定义毛坯”对话框，选取参照模型方式。单击参照模型按钮，系统自动计算模型的大小。以此作为毛坯。
1.3创建工件坐标系
在凸轮上表面中心创建加工坐标系。
1.4选择加工方式,确定加工参数
单击轮廓线精加工按钮，弹出对话框。填写各参数表中的参数。
1.5生成加工轨迹
填写完参数表后，单击确定。拾取“曲线路径”和加工方向。右键确定。系统生成加工轨迹。
1.6生成加工程序
在加工菜单栏中选择后置处理，在后置设置中选取加工机床，然后生成G代码，获得加工程序。
2结语
利用CAD/CAM软件自动编程，关键是绘制出工件的轮廓曲线。本文重点阐述了如何利用CAXA制造工程师绘制盘形凸轮曲线及加工生成G代码数控加工程序。CAXA制造工程师作为国产CAD/CAM软件，以其人性化的界面和便捷的操作。被众多的工程技术人员和教育工作者所青睐。随着其功能的不断完善，将在教学和应用中占据更加重要的位置。
参考文献：
张晞，《机械设计》 中国计量出版社
成大先，《机械设计手册》 化学工业出版社
赵汝嘉，《CAD基础理论及应用》 西安交通大学出版社
孙恒，陈作模，《机械原理》 高等教育出版社机械工业出版社
赵堂春，《机械CAD/CAM》