共轭凸轮机构CAD/CAM软件系统开发研究
摘要
本文从CAD／CAM集成技术的角度较为全面地研究了共轭凸轮的设计及加工问题，开发了一套共轭凸轮的CAD／CAM集成软件系统。文中研究了从动件运动规律的拼接问题，得到了具有复杂廓线凸轮的运动规律，推导了共轭凸轮廓线理论坐标的计算公式；提出了一种求凸轮实际廓线坐标的简便方法；总结了各种情况下圆弧插补的形式，提出了计算法和图形处理法两种圆弧插补的方法；引入了插补误差的概念，提出了大跨距圆弧插补的方法；开发了数控加工代码生成模块，可自动生成数控加工的NC代码。
论文各部分的主要内容如下：
首先，论文分析了现有的求共轭凸轮机构理论廓线坐标的方法，推导出了相对简便的求理论廓线坐标的计算公式。对于从动件不同段运动规律的拼接作了研究，能够设计出具有较好特性的复杂廓线凸轮的运动规律，并用VC~(++)6.0编制了计算共轭凸轮理论廓线的程序。
其次，求实际廓线坐标时，通过对AutoCAD进行二次开发，文中提出了一种新的方法，省去了复杂的数学计算过程。主要是利用AutoLISP语言来提取实际廓线的坐标数据，开发了相应的菜单及其对话框。这样不仅能够自动生成凸轮的实际廓线，而且可以非常直观地判断出廓线是否有变尖或失真现象。
再次，论文深入地分析了圆弧插补的方法，归纳出了圆弧插补时的各种计算公式，提出了计算法和图形处理法两种圆弧插补的方法，并引入了插补误差来进行大跨距插补，减少了圆弧的段数；提出了判断顺逆圆的判据，开发了相应的计算程序及自动生成NC代码的程序。
最后，论文以某共轭凸轮机构为例，详细介绍了在本文所开发的软件系统中进行共轭凸轮的设计、凸轮廓线的圆弧插补及NC代码生成、凸轮廓线的加工模拟等操作过程，证明了所开发软件系统的可靠性和实用性。
Based on the CAD/ CAM integrated technique, the design and manufacture of conjugate cam are studied and a CAD/ CAM integrated software system is developed. The combination of different follower's movement curves is discussed and a combined movement curve of the follower is generated for the conjugate cam with complex profile. The calculating formula is given for the theoretical profile of conjugate cam and a simple method is presented for the generation of the actual profile coordinates. Taking the manufacture of the cam into account some methods for the representation of cam profile with different jointed arcs are summarized. Two methods, named Calculation Method and Drawing Method respectively, are presented. Based upon the consideration of the interpolation-error, the arc-interpolation with multi-points (called Big Spaced Arc-interpolation Method) is put forward so that the cam profile can be represented with fewer arc segments. A module for NC codes generation is developed and the NC codes for cam manufa
cture can be generated automatically.
The main points of the paper are as follows:
Firstly, the current methods for the theoretical profile coordinates of conjugate cam are analyzed and the calculation formula is given for the theoretical profile coordinates. The combination of different follower's movement curves is studied and a combined movement curve of the follower with better.performance can be generated for the conjugate cam with complex profile. A software written by VC++6.0 is developed to calculate the coordinates on the theoretical profile of conjugate cam.
For the calculation of the actual profile coordinates, the paper presents a new method based on the development to AutoCAD. This does not need complicated mathematical calculation but gets the coordinates on the actual profile of the cam simply by a program written with AutoLISP. The related menus and dialogue boxes are developed. By this way the data and the drawing of the cam actual profile can be generated automatically, and whether the profile is correct or not can been found very directly in the manner of drawing as well.
The methods for arc-interpolation are analyzed in the paper and the calculation formula are given for arc-interpolation under various conditions. Calculation Method and Drawing Method are presented for arc-interpolation. In order to decrease the segments of
the arcs, the Big Spaced Arc-interpolation Method is put forward under the consideration of interpolation error. The judging criterion is given for clockwise arc and counter-clockwise arc. The modules are developed for calculating the parameters of the arcs and automatically generating NC codes.
Taking a certain conjugate cam as an example, the paper introduced the processes and the operation in the system from the design, arc-interpolation to generation of NC codes and cutter location simulation for the cam profile. The reliability and practicability of the software system are proved.
论文各部分的主要内容如下：
首先，论文分析了现有的求共轭凸轮机构理论廓线坐标的方法，推导出了相对简便的求理论廓线坐标的计算公式。对于从动件不同段运动规律的拼接作了研究，能够设计出具有较好特性的复杂廓线凸轮的运动规律，并用VC~(++)6.0编制了计算共轭凸轮理论廓线的程序。
其次，求实际廓线坐标时，通过对AutoCAD进行二次开发，文中提出了一种新的方法，省去了复杂的数学计算过程。主要是利用AutoLISP语言来提取实际廓线的坐标数据，开发了相应的菜单及其对话框。这样不仅能够自动生成凸轮的实际廓线，而且可以非常直观地判断出廓线是否有变尖或失真现象。
再次，论文深入地分析了圆弧插补的方法，归纳出了圆弧插补时的各种计算公式，提出了计算法和图形处理法两种圆弧插补的方法，并引入了插补误差来进行大跨距插补，减少了圆弧的段数；提出了判断顺逆圆的判据，开发了相应的计算程序及自动生成NC代码的程序。
最后，论文以某共轭凸轮机构为例，详细介绍了在本文所开发的软件系统中进行共轭凸轮的设计、凸轮廓线的圆弧插补及NC代码生成、凸轮廓线的加工模拟等操作过程，证明了所开发软件系统的可靠性和实用性。
Based on the CAD/ CAM integrated technique, the design and manufacture of conjugate cam are studied and a CAD/ CAM integrated software system is developed. The combination of different follower's movement curves is discussed and a combined movement curve of the follower is generated for the conjugate cam with complex profile. The calculating formula is given for the theoretical profile of conjugate cam and a simple method is presented for the generation of the actual profile coordinates. Taking the manufacture of the cam into account some methods for the representation of cam profile with different jointed arcs are summarized. Two methods, named Calculation Method and Drawing Method respectively, are presented. Based upon the consideration of the interpolation-error, the arc-interpolation with multi-points (called Big Spaced Arc-interpolation Method) is put forward so that the cam profile can be represented with fewer arc segments. A module for NC codes generation is developed and the NC codes for cam manufa
cture can be generated automatically.
The main points of the paper are as follows:
Firstly, the current methods for the theoretical profile coordinates of conjugate cam are analyzed and the calculation formula is given for the theoretical profile coordinates. The combination of different follower's movement curves is studied and a combined movement curve of the follower with better.performance can be generated for the conjugate cam with complex profile. A software written by VC++6.0 is developed to calculate the coordinates on the theoretical profile of conjugate cam.
For the calculation of the actual profile coordinates, the paper presents a new method based on the development to AutoCAD. This does not need complicated mathematical calculation but gets the coordinates on the actual profile of the cam simply by a program written with AutoLISP. The related menus and dialogue boxes are developed. By this way the data and the drawing of the cam actual profile can be generated automatically, and whether the profile is correct or not can been found very directly in the manner of drawing as well.
The methods for arc-interpolation are analyzed in the paper and the calculation formula are given for arc-interpolation under various conditions. Calculation Method and Drawing Method are presented for arc-interpolation. In order to decrease the segments of
the arcs, the Big Spaced Arc-interpolation Method is put forward under the consideration of interpolation error. The judging criterion is given for clockwise arc and counter-clockwise arc. The modules are developed for calculating the parameters of the arcs and automatically generating NC codes.
Taking a certain conjugate cam as an example, the paper introduced the processes and the operation in the system from the design, arc-interpolation to generation of NC codes and cutter location simulation for the cam profile. The reliability and practicability of the software system are proved.
引文
【1】蔡颖，薛庆，徐弘山．CAD/CAM原理与应用．北京：机械工业出版社，1998
【2】冯辛安．CAD/CAM技术概论．北京：机械工业出版社，1995
【3】杨洪琴，张继安．CAD/CAM技术及应用．天津：天津科学技术出版社，1992
【4】刘文剑，常伟等．CAD/CAM集成技术．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000
【5】[日]鱼宫好久．CAD/CAM/CAE入门．北京：科学出版社，2000
【6】孙文焕．计算机辅助设计和制造技术．西安：西北工业大学出版社，1994
【7】成凯，马彪等．机械CAD/CAE/CAM/PDM软件的发展现状和应用．机械设计与制造，2001，4
【8】叶铁丽等．面向对象技术在CAD/CAM系统开发中的应用研究．机械设计与制造，2000，6
【9】李浙昆等．一种二维机械零件的CAD/CAM系统．机械工程师，1999，1
【10】陈炜等．机械CAD/CAM技术应用研究．机械工程师，1999，2
【11】F Y Chen,Mechanics and design of cam mechanisms.Pergamon Press,1982
【12】彭国勋，肖正扬．自动机械的凸轮机构设计．北京：机械工业出版社，1990
【13】石永刚，徐振华编著．凸轮机构设计．上海：上海科学技术出版社，1995
【14】[日]牧野洋．自动机械机构学．北京：科学技术出版社，1980
【15】[德]伏尔默．凸轮机构．北京：机械工业出版社，1983
【16】管荣法．凸轮与凸轮机构．北京：国防工业出版社，1993
【17】王知行，刘廷荣．机械原理．北京：高度教育出版社，2000
【18】孙桓，陈作模．机械原理．北京：高度教育出版社，1996
【19】邹慧君，丁爵曾，梁锦华．凸轮机构设计．上海：上海交通大学出版社，1991
【20】赵韩等，凸轮机构运动几何学的通用解析公式．机械工程学报，Vol．31，No．3
【21】张淳，付铁等．平面凸轮机构CAD系统的研究与开发．机械设计与制造，2000，5
【22】葛正浩，杨芙莲等．凸轮机构运动学研究综述．机械设计，2001，3
【23】王令其等．Visual Basic在凸轮轮廓设计与制造中的应用．机械设计与制造，2000，2
【24】张淳等．平面凸轮机构CAD系统的研究与开发．机械设计与制造，2000，5
【25】A D Holowenko, A s Hall. Cam design by computer. Machine Design, 1971, 43 (21)
【26】A.J.ROBOTHAM, A.YARWOOD. Computer-aided Drawing and Design. CHADMAN&HALL. University and Professional Division.
【27】谭建荣．一个矢量形式的双圆弧插值算法．工程图学学报，1994，1
【28】沈纪桂等．优化双圆弧拟合的曲面加工，宁夏工学院报(自然科学版)，1997，3
【29】张荣国等．圆弧插补的一种改进算法，太原重型机械学院学报，1998，Vol．19，No．2
【30】孙家昶．局部坐标下的样条函数与圆弧样条曲线．数学学报，1977，Vol．20，No．1
【31】孙家昶．样条函数与计算几何．北京：科学出版社，1982
【32】苏步青，刘鼎元等．计算几何．上海：上海科学技术出版社，1981
【33】刘雄伟等．数控加工理论与编程技术．北京：机械工业出版社，1990
【34】范炳炎．数控加工程序编制．北京：航空工业出版社，1990
【35】Golden E. Herrin. Next Generation Contraller. Morden Machine Shop, 1990,63(7): 148～152
【36】G W Civhrts and Bradley, Curved surface machining through circler are interpolation. Computer in Industry, 19(1992)P329-337
【37】吉晓民．平面轮廓插补的新方法及其数控加工编程．西安：陕西机械学院学报，1992，8(3)
【38】李波等．圆弧插补新算法．机械工程师，1999，8
【39】Robert L. Norton An Introduction to the Syntheses and Analysis of Mechanisms and Machines. Design of Machinery. P295～P393
【40】B.L.Davies、A.J.Robotham、A.Yarwood. Computer_aided Drawing and Design. CHADMAN&HALL. University, and Professional Division
【41】J.REES.Johns. CAMS AND CAM MECHANISMS, 1978
【42】Vichers G W, Bradley C. Curved surface machining through circular are interpolation. Computer in Industry, 1992, (19): 329～337
【43】胡峻等．数控技术的现状和发展趋势．机械工程师，2000，3
【44】罗兆虹．AutoLISP二次开发线切割编程软件．机械工程师，1999，12
【45】郑小光等．凸轮的计算机辅助设计与数控加工．机械设计与制造，1999，6
【46】郭培全 王红岩 数控机床编程与应用．北京：机械工业出版社，2000，8
【47】陆金贵．凸轮制造技术．北京：机械工业出版社，1986
【48】[美]Bill Burchard等．AutoCAD2000实用全书．北京：电子工业出版社，2001
【49】汤峻．AutoCAD2000高级应用与Visual LISP开发宝典．北京：人民邮电出版社，2001
【50】宛延闿，C++语言和面向对象的程序设计．北京：清华大学出版社，1997
【51】王燕，面向对象的理论和C++实践，北京：清华大学出版社，1997
【52】David J Kruglinski等 Visual C++6.0技术内幕(第五版)北京．希望电子出版社 1999
【53】Richard C.Leinecker Tom Archer等，Visual C++6宝典．北京：电子工业出版社，2000
【54】王华 叶爱亮等，Visual C++6.0编程实例与技巧，北京：机械工业出版社，1999
【55】茅健 吉晓民 具有复杂廓线共轭凸轮机构的CAD/CAM，机械研究与应用 2002，4
【56】茅健 吉晓民 等距曲线坐标求解的简便方法及其在CAD中的应用微型电脑应用 (已录用)
【2】冯辛安．CAD/CAM技术概论．北京：机械工业出版社，1995
【3】杨洪琴，张继安．CAD/CAM技术及应用．天津：天津科学技术出版社，1992
【4】刘文剑，常伟等．CAD/CAM集成技术．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000
【5】[日]鱼宫好久．CAD/CAM/CAE入门．北京：科学出版社，2000
【6】孙文焕．计算机辅助设计和制造技术．西安：西北工业大学出版社，1994
【7】成凯，马彪等．机械CAD/CAE/CAM/PDM软件的发展现状和应用．机械设计与制造，2001，4
【8】叶铁丽等．面向对象技术在CAD/CAM系统开发中的应用研究．机械设计与制造，2000，6
【9】李浙昆等．一种二维机械零件的CAD/CAM系统．机械工程师，1999，1
【10】陈炜等．机械CAD/CAM技术应用研究．机械工程师，1999，2
【11】F Y Chen,Mechanics and design of cam mechanisms.Pergamon Press,1982
【12】彭国勋，肖正扬．自动机械的凸轮机构设计．北京：机械工业出版社，1990
【13】石永刚，徐振华编著．凸轮机构设计．上海：上海科学技术出版社，1995
【14】[日]牧野洋．自动机械机构学．北京：科学技术出版社，1980
【15】[德]伏尔默．凸轮机构．北京：机械工业出版社，1983
【16】管荣法．凸轮与凸轮机构．北京：国防工业出版社，1993
【17】王知行，刘廷荣．机械原理．北京：高度教育出版社，2000
【18】孙桓，陈作模．机械原理．北京：高度教育出版社，1996
【19】邹慧君，丁爵曾，梁锦华．凸轮机构设计．上海：上海交通大学出版社，1991
【20】赵韩等，凸轮机构运动几何学的通用解析公式．机械工程学报，Vol．31，No．3
【21】张淳，付铁等．平面凸轮机构CAD系统的研究与开发．机械设计与制造，2000，5
【22】葛正浩，杨芙莲等．凸轮机构运动学研究综述．机械设计，2001，3
【23】王令其等．Visual Basic在凸轮轮廓设计与制造中的应用．机械设计与制造，2000，2
【24】张淳等．平面凸轮机构CAD系统的研究与开发．机械设计与制造，2000，5
【25】A D Holowenko, A s Hall. Cam design by computer. Machine Design, 1971, 43 (21)
【26】A.J.ROBOTHAM, A.YARWOOD. Computer-aided Drawing and Design. CHADMAN&HALL. University and Professional Division.
【27】谭建荣．一个矢量形式的双圆弧插值算法．工程图学学报，1994，1
【28】沈纪桂等．优化双圆弧拟合的曲面加工，宁夏工学院报(自然科学版)，1997，3
【29】张荣国等．圆弧插补的一种改进算法，太原重型机械学院学报，1998，Vol．19，No．2
【30】孙家昶．局部坐标下的样条函数与圆弧样条曲线．数学学报，1977，Vol．20，No．1
【31】孙家昶．样条函数与计算几何．北京：科学出版社，1982
【32】苏步青，刘鼎元等．计算几何．上海：上海科学技术出版社，1981
【33】刘雄伟等．数控加工理论与编程技术．北京：机械工业出版社，1990
【34】范炳炎．数控加工程序编制．北京：航空工业出版社，1990
【35】Golden E. Herrin. Next Generation Contraller. Morden Machine Shop, 1990,63(7): 148～152
【36】G W Civhrts and Bradley, Curved surface machining through circler are interpolation. Computer in Industry, 19(1992)P329-337
【37】吉晓民．平面轮廓插补的新方法及其数控加工编程．西安：陕西机械学院学报，1992，8(3)
【38】李波等．圆弧插补新算法．机械工程师，1999，8
【39】Robert L. Norton An Introduction to the Syntheses and Analysis of Mechanisms and Machines. Design of Machinery. P295～P393
【40】B.L.Davies、A.J.Robotham、A.Yarwood. Computer_aided Drawing and Design. CHADMAN&HALL. University, and Professional Division
【41】J.REES.Johns. CAMS AND CAM MECHANISMS, 1978
【42】Vichers G W, Bradley C. Curved surface machining through circular are interpolation. Computer in Industry, 1992, (19): 329～337
【43】胡峻等．数控技术的现状和发展趋势．机械工程师，2000，3
【44】罗兆虹．AutoLISP二次开发线切割编程软件．机械工程师，1999，12
【45】郑小光等．凸轮的计算机辅助设计与数控加工．机械设计与制造，1999，6
【46】郭培全 王红岩 数控机床编程与应用．北京：机械工业出版社，2000，8
【47】陆金贵．凸轮制造技术．北京：机械工业出版社，1986
【48】[美]Bill Burchard等．AutoCAD2000实用全书．北京：电子工业出版社，2001
【49】汤峻．AutoCAD2000高级应用与Visual LISP开发宝典．北京：人民邮电出版社，2001
【50】宛延闿，C++语言和面向对象的程序设计．北京：清华大学出版社，1997
【51】王燕，面向对象的理论和C++实践，北京：清华大学出版社，1997
【52】David J Kruglinski等 Visual C++6.0技术内幕(第五版)北京．希望电子出版社 1999
【53】Richard C.Leinecker Tom Archer等，Visual C++6宝典．北京：电子工业出版社，2000
【54】王华 叶爱亮等，Visual C++6.0编程实例与技巧，北京：机械工业出版社，1999
【55】茅健 吉晓民 具有复杂廓线共轭凸轮机构的CAD/CAM，机械研究与应用 2002，4
【56】茅健 吉晓民 等距曲线坐标求解的简便方法及其在CAD中的应用微型电脑应用 (已录用)