基于UG的圆柱凸轮参数化建模与仿真加工

0， 准3 燮 φ缀 燮
[degrees]a1=60 [degrees]a2=160 [degrees]a3=60 [degrees]a4=80 [mm]h=30 [degrees]j1=a1*t [degrees]j2=a1+a2*t [degrees]j3=a1+a2+a3*t [degrees]j4=a1+a2+a3+a4*t [mm]r0=40 （h/2 ） * （1-cos （180*t ） ） [mm]s1= [mm]s2= （h/2 ） * （1-cos （180 ） ） [mm]s3= （h/2 ） * （1-cos （180*t ） [mm]s4= （h/2 ） * （1-cos （0 ） ） t=0 [mm]x1=r0*cos （j1 ） [mm]x2=r0*cos （j2 ） [mm]x3=r0*cos （j3 ） [mm]x4=r0*cos （j4 ） [mm]y1=r0*sin （j1 ） [mm]y2=r0*sin （j2 ） [mm]y3=r0*sin （j3 ） [mm]y4=r0*sin （j4 ） [mm]z1=s1 [mm]z2=s2 [mm]z3=s3 [mm]z4=s4
3．1 前处理
如图 4 所示创建连杆，将圆柱凸轮定义为 L001，滚子定义为 L002， 并在圆柱凸轮上创建旋转副 J001， 添加驱动类型为恒定， 初速
此， 寻求一种三维的凸轮设计与建模方法已成为设计者十分关注 目前， 国内外能够实现三维造型设计的软件有很多， 的问题之一。 UG、 Solidworks 等。本文主要以 UG 为平台， 介绍了直动 如 Pro/e、 滚子从动件圆柱凸轮三维模型参数化设计的方法， 并通过仿真过程 对运动结果与设计的一致性进行验证，以及运用 UG/CAM 模块对 圆柱凸轮的加工轨迹进行了模拟。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 是脱层材料的边界， 材料脱层损失后， 该微裂纹也就没有了。 裂纹成核点在微动疲劳中， 应与微动有关。但微动的作用， 可看 作是—种裂纹成核点形成的外界推动力， 而裂纹成核点形成的微 观机理应是共性的。无论是普通疲劳还是微动疲劳， 裂纹成核点 及微裂纹的萌生点都应在这样的点上： 该点所承受的应力比该点 周围的应力高， 是应力集中点。 一个构件宏观上的应力集中，一般发生在承力截面突变的 地方以及其他一些地方， 是人们已熟知的并可计算出来。在微动 疲劳中， 还有微动力引起的宏观应力集中以及微动表面上的局部 应力集中点。 微动刚开始时， 先是在微动表面上凸峰点接触， 摩擦 系数小因而摩擦力小， 即微动力小。 随着循环次数增加， 凸峰点消 失， 实际接触面积增大， 摩擦系数增大， 切向力增大。微裂纹往往 是在若干次微动循环之后产生。有的学者从实验结果得出， 产生 微裂纹的微动循环次数约占疲劳寿命总循环数的千分之一。 若总 寿命为 107 次循环， 则数千次循环便可产生微裂纹。 不同工况下的管螺纹，由于微动的激烈程度及各因素的综 合作用的差异， 微动对疲劳强度的影响程度相差较大， 一般使疲 严重的下降到低一个数量级。 劳强度下降 30％一 50％，
第 10 期 2010 年 10 月
文章编号： 1001-3997 （2ห้องสมุดไป่ตู้10 ） 10-0207-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
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基于 UG 的圆柱凸轮参数化建模与仿真加工 *
高东强 黎忠炎 毛志云 （陕西科技大学， 西安 710021 ）
Parametric modelling and simulation machining of the cylindrical cam based on ug
2．1 推导 UG 表达式
参考[1]建立圆柱凸轮理论轮廓曲线的参数方程： x=rcosj y=rsinj z=s 式中： r — 基圆半径； j — 凸轮转角； s—升程； x、 y、 z—曲线上任意点坐标。 建立理论轮廓曲线参数方程后， 接下来的工作是根据从动 件运动规律推导升程 s 的表达式[2]， 推程 （余弦加速度 ） ： π s= h 1-cos 准 φ 2 1 远休止期： s=h 回程 （余弦加速度 ） ： π s= h 1-cos 准 φ 2 3 近休止期： s=0 对于其它运动规律的公式推导可参阅[2]。 以上参数方程和表达式是应用 UG 建模生成凸轮轮廓曲线 的理论基础， 为了方便操作， 必须将以上各式转化成 UG 可以识 别的表达式， 如图 1 所示， 当凸轮从动件的运动规律及参数发生 改变时，只需在 UG 表达式文件中更改相关公式和数据即可， 真 正实现了圆柱凸轮建模的参数化、 系统化。
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（a ）
（b ）
（c ）
图 3 圆柱凸轮三维实体模型
燮 燮 燮 燮 燮 燮 燮 燮
0， 准1 燮 φ缀 燮
3 运动仿真及分析
运动仿真模块是 CAE 应用软件， 主要用于建立运动机构模 型， 分析其运动规律。基于 UG 的运动仿真可以进行机构的干涉 分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构运动过程中零件位移、 速 度、 加速度、 作用力、 反作用力以及力矩等的变化规律。通过运动 仿真结果， 可以对零件的结构及材料等属性进行修改， 并将所修 改的参数直接反映到装配主模型上， 以完成最终的优化设计。 基于 UG 的运动仿真主要分为三个过程： 一是前处理， 包括 创建连杆 （Links ） 、 运动副 （joints ） 和定义运动驱动 （Motion Driver ） ； 二是运动仿真， 主要有关节运动 （Articulation ） 和运动仿 真 （Animation ） 两种形式， 其中前者是基于位移的运动， 后者是基 于时间的运动； 三是运动分析， 即以图表 （Graphing ） 和电子表格 （Spreadsheet Run ） 等形式分析相关零件的运动规律。
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高东强等： 基于 UG 的圆柱凸轮参数化建模与仿真加工 2．2 创建凸轮三维模型
第 10 期
2 基于 UG 的设计方法与三维造型
对于凸轮的设计， 其关键是建立凸轮工作部分的轮廓曲线， 圆柱凸轮是在圆柱表面按理论轮廓曲线轨迹建立凹槽或是凸橼， 当凸轮绕定轴转动时带动滚子从动件实现各种不同的运动规律。 基于 UG 的圆柱凸轮参数化设计与建模主要是应用 UG 建 模中的规律曲线功能， 通过建立 UG 表达式来生成凸轮的理论轮 回转、 曲线缠绕以及布尔运算等操作， 建立 廓曲线， 再采用扫掠、 圆柱凸轮的三维实体模型。 如要设计一单滚子直动从动件圆柱凸 槽宽 a=24mm， 槽深 b=20mm， 轮， 已知滚子从动件行程 h=30mm， 滚子从动件运动规律： 凸轮基圆半径 r=60mm， 推程为余弦加速运动， 推程角 准1=60°； 远休止角 准2=160°； 回 程也为余弦加速运动， 回程角 准3=60°； 近休止角 准4=80°。
5 降低微动损害的措施
根据以上的分析情况可知， 在不考虑环境气体成分、 高温、 湿 度及腐蚀介质的情况下，影响管螺纹微动损伤和微动疲劳强度、 寿 命的主要控制参数有： （1 ） 接触表面及其附近地区的应力场， 即应力 的大小和分布情况。 （2 ） 在载荷循环中， 接触表面上的相对滑动量的 人小和分布。 （3 ） 接触表面的摩擦系数。 （4 ） 材料性质。 针对以上影响因素， 为提高管螺纹的密封性能， 实际应用中 应注意从三个途径来解决： ①提高内外螺纹牙型和尺寸的加工要 求， 使其尽可能一致， 但有一定的限度， 即在经济和可能的条件下 保证在一定的公差范围之内； ②内外螺纹旋合后， 通过一定的旋 紧力矩使内外螺纹本身的材料产生一定的变形来填补个部位的 间隙； ③在内外螺纹间加入具有可塑性的密封填料。
（1 ） 应用 UG 的规律曲线功能， 按上步建立的 UG 表达式生 成四段规律的样条曲线， 如图 2 所示。通过 UG 规律曲线功能得 到圆柱凸轮的理论轮廓曲线后， 可以由两种不同的方式来建立三 维实体模型： 一是线—面—体的创建方法， 其基本操作是先由理 论轮廓曲线得到凸轮槽底部曲面， 再通过加厚片体得到凸轮槽实 体， 最后创建圆柱体并与凸轮槽实体进行布尔运算； 二是引导截 面法， 即建立凸轮槽的截面曲线， 然后运用扫掠选项得到凸轮槽 实体， 而最后一步与一相同。需要注意的是在这里绝不能通过拉 伸命令来创建凸轮槽实体，因为该操作所得到的实体是不等宽 的。下面我们主要以第二种方式来示例操作： （2 ） 为了得到槽宽 a=24mm， 槽深 b=20mm 的沟槽， 我们应用到 UG 建模中的扫掠功 能， 如图 2 所示在 XOZ 平面创建长 24mm、 宽 20mm 的矩形， 并以 圆柱凸轮理论轮廓曲线为引导线进行扫掠， 定位方法选择按矢量 z 方向定位， 得如图 3 （a ） 所示三维实体 。 （3 ） 创建底圆半径 r = 60mm 的圆柱体 （保证所求理论轮廓曲线与圆柱体同轴 ） ， 然后使 其与上步图 3 （a ） 所示三维实体进行布尔运算， 得到如图 3 （c ） 所 示的三维模型。
参考文献
1 李旭春， 郝永忠.石油油管螺纹密封初探.机械工艺师， 2000 （3 ） 2 李旭春. 影响油管螺纹密封性能的各种因素. 油气田地面工程， 1999， 18 （5 ） 3 刘巨保， 张薇， 王世永.套管钻井中连接螺纹力学分析及设计计算.大庆 石油学院学报， 2006， 30 （1 ） 4 何明鉴. 机械构件的微动疲劳.北京： 国防工业出版社， 1994
1 引言
凸轮机构作为机械式信息贮存与传递的基本元件，因结构 紧凑、 能够实现各种复杂运动等优点， 被广泛应用于机械自动化 及运动传输领域。传统的凸轮机构设计多采用作图法和解析法， 它们都是基于二维的设计方法， 多用于平面凸轮的设计。随着现 代机械传动的快速发展，空间凸轮机构的应用已越来越广泛， 因
＊来稿日期： 2009-12-29
GAO Dong-qiang， LI Zhong-yan， MAO Zhi-yun （Shanxi University of Science & Technology， Xi’ an 710021， China ） 【摘 要】以直动滚子从动件圆柱凸轮为例介绍了基于 UG 的圆柱凸轮参数化建模方法，并通过运动 仿真对建模结果进行分析验证， 以及运用 UG/CAM 模块对圆柱凸轮的加工刀轨进行了模拟， 为空间凸轮机 构的设计与数控加工提供了参考依据。 关键词： UG； 圆柱凸轮； 参数化； 数控加工 【Abstract】 T he article takes cylindrical cam with rectilinear translating follower as an example to introduce the method of the cylindrical cam parametric modelling based on UG， through motion simulation to analyze and verify the results of modelling， and use UG/CAM module for the tool path of cylindrical cam machining to simulate， which provides a reference for the design and nemercial control machining of the spatial cam mechanism. Key words： UG； Cylindrical cam； Parametric； NC machining 中图分类号： TH16 文献标识码： A