一、前言

　　ZL41型復(fù)合濾棒成型機(jī)組由YL31型兩元濾棒組合機(jī)和YL44型復(fù)合濾棒成型機(jī)組成，是參照德國(guó)HAUNI公司的MUL- TIFI-E設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)生產(chǎn)速度為400m/min，是目前國(guó)內(nèi)正在試制的高速二元復(fù)合濾棒成型機(jī)組。

　　YL31型兩元濾棒組合機(jī)的輸出部分如圖1所示。加速鼓輪2是一種典型的凸輪式機(jī)械手抓放機(jī)裝置，其作用不僅是傳送組合濾棒，更重要的是補(bǔ)償靠攏鼓輪3和交接輪1槽的不同節(jié)距，實(shí)現(xiàn)組合濾棒的正確交接傳遞。其工作原理是加速鼓輪伸縮手的杠桿臂在凸輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，由凸輪輪廓控制伸縮手將組合濾棒從靠攏鼓輪正確取出，傳遞至交接輪的接受點(diǎn)釋放。加速鼓輪屬于幾何封閉式凸輪機(jī)構(gòu)，其凸輪是一種多重凸輪輪廓，這就要求將其設(shè)計(jì)成加速段較長(zhǎng)的非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以便降低載荷值，減少磨損。

　　二、凸輪輪廓線的逆向設(shè)計(jì)及實(shí)體建模

　　隨著測(cè)量技術(shù)和3D技術(shù)的發(fā)展，以幾何實(shí)體為研究對(duì)象，使用逆向工程技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模型重建、仿真、優(yōu)化及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，已成為現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一種主要方法。

　　逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是實(shí)體零件的數(shù)據(jù)測(cè)量。數(shù)據(jù)測(cè)量是通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取產(chǎn)品表面形狀離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何形狀數(shù)字化。其測(cè)量原理是：將被測(cè)產(chǎn)品放置于測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量空間內(nèi)，按照所選測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，獲得被測(cè)產(chǎn)品上各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合形成測(cè)量元素，如圓、球、圓柱、圓錐和曲面等，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。高效、高精度地獲取產(chǎn)品的數(shù)字化信息是實(shí)現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本例中數(shù)據(jù)測(cè)量所需的硬件系統(tǒng)為：

　　(1)JJF10光學(xué)分度頭，測(cè)量范圍為0°～360°，示值精度10"，分值分劃鼓輪刻線分度值5′，秒值分劃鼓輪刻線分度值 5"。

　　(2)Trimos VECTRA 600 MA數(shù)顯測(cè)高儀，測(cè)量范圍為0 ～610mm，分辨率為0.001mm，重復(fù)性1μm，測(cè)力調(diào)節(jié)范圍為0.5～1.8N。

　　1.凸輪輪廓線的逆向設(shè)計(jì)

　　對(duì)于凸輪輪廓線的反求，首先要確定測(cè)量基準(zhǔn)和測(cè)量方案，其次要確定測(cè)量所需的硬件系統(tǒng)。選擇凸輪的孔椎150H6 和椎6H7為測(cè)量基準(zhǔn)。在此采用兩種方案：一是采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM) 進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量;二是采用光學(xué)分度頭和測(cè)高儀進(jìn)行人工測(cè)量。經(jīng)過(guò)對(duì)兩種方案進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是以笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量的，測(cè)量的數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映凸輪轉(zhuǎn)角與升程的關(guān)系;第二種方案是以極坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，雖然人工檢測(cè)工作量大，但測(cè)量的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映凸輪轉(zhuǎn)角與升程的關(guān)系。

　　所用測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以0.5°為步距角，采用YG6硬質(zhì)合金刀口測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，有效減小測(cè)頭的變形和磨損，提高測(cè)量精度。這里共測(cè)量720個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)。使用測(cè)高儀的輸出裝置，將測(cè)量的數(shù)據(jù)輸出為文本文件，文件名為“cam_test.txt”，以便于后面的應(yīng)用。

　　2.凸輪輪廓的建模

　　凸輪的三維實(shí)體建模關(guān)鍵在于確定其輪廓曲線。在使用Pro/ENGINEER進(jìn)行實(shí)體造型時(shí)，依據(jù)前述測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，應(yīng)用野火版4.0軟件完成凸輪的轉(zhuǎn)角與升程的關(guān)系曲線，并對(duì)曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和校正。

　　進(jìn)入Pro/ENGINEER 軟件后，點(diǎn)擊“新建”，選取零件，在名稱中輸入“3fda630bab00”，點(diǎn)擊“確定”。進(jìn)入后點(diǎn)擊草繪圖標(biāo)，在草繪環(huán)境下，先建立坐標(biāo)系，并任意畫(huà)一條樣條線，然后選取樣條線并單擊右鍵進(jìn)入曲線修改界面。點(diǎn)擊“文件”，菜單如圖3所示，再點(diǎn)擊箭頭選中所建坐標(biāo)系，最后單擊“保存”，就能把樣條線特征點(diǎn)的坐標(biāo)保存到文件中，將其保存為“CAM_CURVE.pts”文件。

　　使用記事本程序打開(kāi)CAM_CURVE.pts文件進(jìn)行編輯修改，可以看到Pro/ENGINEER中樣條曲線所使用的文件格式，如圖4所示。

　　將前述測(cè)量的數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)文件粘貼到CAM_CURVE.pts文件中并保存。然后再次返回到曲線修改界面，點(diǎn)擊“文件”并打開(kāi)剛保存的CAM_CURVE.pts文件，出現(xiàn)“文件出現(xiàn)不同點(diǎn)數(shù)，是否繼續(xù)?”提示，選取“是”。此時(shí)，凸輪輪廓曲線數(shù)據(jù)就調(diào)入Pro/ENGINEER中，生成凸輪轉(zhuǎn)角與升程的關(guān)系曲線，如圖5所示。

　　為了將曲線變得順滑，使曲率整體變化平穩(wěn)，曲率圖越規(guī)則，則表示凸輪光順度越好。應(yīng)用Pro/ENGINEER 的曲率分析功能，去除點(diǎn)集中的壞點(diǎn)。在圖5中選取擬合中的“平滑”，零星點(diǎn)設(shè)置值為11，保存后退出草繪。此時(shí)，將生成的曲線另存為文件“3fda630bab00_IGS.IGS”。

　　(1)創(chuàng)建基礎(chǔ)特征。

　　使用拉伸、陣列命令創(chuàng)建一個(gè)圓盤(pán)及孔等基礎(chǔ)特征，如圖6 所示。

　　(2)創(chuàng)建基準(zhǔn)特征圖形。

　　選擇“插入”→“模型基準(zhǔn)”→“圖形”，插入2D 圖形關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)提示，在提示欄內(nèi)輸入圖形名稱“CAM_LINE”，點(diǎn)擊“確定”進(jìn)入草繪模式。在草繪模式的繪圖區(qū)創(chuàng)建參照坐標(biāo)系，同時(shí)繪制兩條通過(guò)此坐標(biāo)系的中心線。選擇“草繪”→“數(shù)據(jù)來(lái)自文件”→“文件系統(tǒng)”，選擇前述輸出的“3fda630bab00_IGS.IGS”文件，打開(kāi)后，在“縮放旋轉(zhuǎn)”對(duì)話框輸入比例和角度，拖動(dòng)曲線至適當(dāng)位置，單擊“確定”后退出。在草繪模式中對(duì)曲線進(jìn)行編輯，最終結(jié)果如圖7中所示。

　　(3)創(chuàng)建可變剖面掃描特征。

　　選擇“插入”→“可變剖面掃描”，創(chuàng)建凸輪槽性特征。然后進(jìn)入草繪模式，繪制如圖8a所示的剖面。

　　選擇“工具”→“關(guān)系”，在彈出的“關(guān)系”對(duì)話框中輸入關(guān)系式“sd48=evalgraph("CAM_LINE",trajpar*360)+95.55”，如圖8b所示，單擊“確定”，再點(diǎn)擊圖標(biāo)完成草繪，最后點(diǎn)擊圖標(biāo)完成凸輪特征。

　　至此，該凸輪零件數(shù)字化建模已全部完成，零件模型如圖9所示。下面將針對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與仿真。

　　三、凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真

　　Mechanism是Pro/ENGINEER 軟件的一個(gè)仿真模塊，該模塊可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定義、運(yùn)動(dòng)仿真與分析研究，可以觀察、記錄和分析一些參數(shù)，如位置、力、速度和加速度等。其基本工作流程如圖10所示。

　　1.建立運(yùn)動(dòng)模型

　　建立運(yùn)動(dòng)模型是指機(jī)構(gòu)構(gòu)件的具體設(shè)計(jì)。首先確定零件的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行二維繪圖和三維實(shí)體建模，然后通過(guò)裝配模塊完成零件組裝，形成功能部件或整機(jī)。裝配是動(dòng)態(tài)仿真的前提，裝配關(guān)系的正確與否直接影響動(dòng)態(tài)仿真的效果。裝配前，先確定運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，及構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副，最后由各機(jī)構(gòu)組成整機(jī)，為仿真做準(zhǔn)備。

　　加速鼓輪組件的裝配并不復(fù)雜，在裝入閥座零件之后，依次單擊特征操作區(qū)的增加元件按鈕裝入法蘭套、氣閥、凸輪、法蘭座、回轉(zhuǎn)罩、驅(qū)動(dòng)法蘭、伸縮手及其余零件。在裝配法蘭座、驅(qū)動(dòng)法蘭和伸縮手時(shí)，應(yīng)將約束轉(zhuǎn)換為機(jī)構(gòu)連接，在類型中選擇“銷釘”連接。完成后的裝配模型如圖11所示。

　　2.運(yùn)動(dòng)分析和結(jié)果顯示

　　在主菜單中，點(diǎn)擊，選擇，進(jìn)入機(jī)構(gòu)模式。首先進(jìn)行初始設(shè)置，在連接軸設(shè)置中，選擇法蘭座的連接“pin_1”，將其連接軸設(shè)置為0，此時(shí)點(diǎn)擊圖標(biāo)，在彈出窗口中再點(diǎn)擊圖標(biāo)，拍下當(dāng)前配置的快照“Snap-shot1”。點(diǎn)擊圖標(biāo)，進(jìn)行凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接定義：在凸輪1欄中，選擇凸輪槽側(cè)壁，在凸輪2欄中，選擇伸縮手臂端部的軸承圓柱面，點(diǎn)擊“確定”完成凸輪副定義。以同樣的方法，創(chuàng)建其余19個(gè)伸縮手臂與凸輪零件之間的凸輪副。

　　現(xiàn)在為機(jī)構(gòu)添加驅(qū)動(dòng)，點(diǎn)擊圖標(biāo)，定義伺服電動(dòng)機(jī)，運(yùn)動(dòng)軸選擇法蘭座的連接“pin_1.Axis_1”，速度設(shè)為52.3RAD/s。完成的機(jī)構(gòu)分析模型如圖12所示。單擊特征操作按鈕區(qū)的機(jī)構(gòu)分析圖標(biāo)，通過(guò)相應(yīng)的對(duì)話框定義分析名稱，單擊特征操作按鈕區(qū)的測(cè)量圖標(biāo)，定義測(cè)量名稱、類型、對(duì)象和評(píng)估方式。在這里，選擇測(cè)量伸縮手臂的圓弧槽中心點(diǎn)位移、速度和加速度，接受系統(tǒng)的每段時(shí)間步距(Each Time Step)評(píng)估方法，按照要求完成所有的參數(shù)定義后直接觀察，也可輸出位移—時(shí)間圖表來(lái)記錄，還可以通過(guò)產(chǎn)生Excel表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。這幾種情況分別如圖13所示。

　　通過(guò)機(jī)構(gòu)仿真，可以在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)與零件設(shè)計(jì)后，對(duì)各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，從而檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否符合設(shè)計(jì)要求，也可以檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中各種運(yùn)動(dòng)構(gòu)件是否發(fā)生干涉。通過(guò)直接分析各運(yùn)動(dòng)副與構(gòu)件在某一時(shí)刻的位置、運(yùn)動(dòng)量以及各運(yùn)動(dòng)副之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而將整機(jī)設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題予以排除，減少試制樣機(jī)的費(fèi)用，縮短產(chǎn)品的更新周期。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　目前，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，相應(yīng)煙機(jī)產(chǎn)品的升級(jí)換代和改造周期也不斷縮短，這就為反求工程的應(yīng)用提供了廣闊的前景。現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使快速、精確地獲取實(shí)物的幾何信息變成現(xiàn)實(shí)。通過(guò)將零件的幾何信息數(shù)字化后與Pro/ENGINEER進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，再利用它的造型功能和模型參數(shù)化特點(diǎn)，進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和升級(jí)改造，這為煙機(jī)的快速制造提供更為廣闊的前景，提高了企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。