专利名称：避免盘形凸轮表面产生接刀痕的方法
技术领域：
本发明涉及一种在用数控凸轮磨床对凸轮进行加工的过程中，避免盘形凸轮表面 产生接刀痕的方法。
背景技术：
盘形凸轮或凸轮轴零件在很多领域的机械设备中发挥了重要作用，如在汽车行业 和纺织机械行业中，特别是高端纺织机械中的精编机，共扼凸轮作为其中最关键的零件，需 要其拥有足够的精度才能保证编织过程中工序的严格和工艺的精细，最终保证编织产品的 高质量。盘形凸轮或凸轮轴由于其表面的轮廓线型复杂，因此对磨削精度和生产效率的要 求都很高。如何提高磨削效率和加工质量是凸轮磨削加工控制中亟待解决的问题。近年来，国内外将数控技术和机械加工技术相结合，形成一种全新的高速、高效凸 轮磨削加工工艺。但是，在盘形凸轮的磨削加工过程中，凸轮轮廓原始数据的获取往往存在 一定的误差，人们往往很难得到精确的凸轮的轮廓线。当这些存在误差的数据被输入数控 凸轮磨床加工时，在误差较大的位置会出现比较明显的接刀痕。当这些带接刀痕的盘形凸 轮被安置在精编机等机械设备上时，会出现噪音增大、纺织速度降低、磨损速度快等问题。经文献检索发现，范晋伟等人在《中国机械工程》2004(14) 1223-1226上发表的 文章“提高精密凸轮磨削精度的几何误差补偿技术”，讲述了用圆弧插值法求出凸轮加工的 包络线，进而提升凸轮的加工精度，但该文未提及与接刀痕消除有关的内容。龚时华在华中 科技大学博士学位论文“凸轮轴高速磨削加工控制系统关键技术”(2008)中，提到了先对离 散点进行曲线拟合，进而求出离散点的样条曲线方程；如果能在误差范围内求出整个凸轮 的轮廓曲线方程，由于曲线是光滑的，的确可以消除接刀痕；但是，由于盘形凸轮轮廓较复 杂，曲线拟合不能拟合整个轮廓，因此必需分段拟合，而段的长度将直接影响拟合出的数据 与原始数据的误差；但是段长度的选取往往很困难，没有确定的选取准则，段太长将导致轮 廓形状的偏差大，段太短将导致在段与段间的接合点处曲线不光滑。因此，曲线拟合方法的 操作性较困难，误差较难控制，造成了该方法的通用性不强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在通过数控凸轮磨床进行盘形凸轮加工 的过程中避免凸轮表面产生接刀痕的方法，应用该方法可以获得轮廓光滑、精确的盘形凸 轮。实现本发明目的的技术方案是提供一种避免盘形凸轮表面产生接刀痕的方法，包 括以下步骤①通过凸轮精密测量仪测得盘形凸轮的 母轮的轮廓的离散点数据，由凸轮精密测 量仪的圆光栅编码器获得凸轮旋转的角度信号，由凸轮精密测量仪的测量头和直线光栅获 得凸轮升程的位移信号，然后通过数据采集卡将所测凸轮的轮廓的离散点数据输入计算 机，并以极坐标形式{Pm，θ J表示，其中m= 1,2,3, A，k。k = 360/(6,-0^, P m为第m个凸轮升程数据，θ m为第m个采样角度数值，由(ρω，θ J表示任意一个采样点的数据。②根据步骤①中得到的凸轮轮廓的离散点数据{Ρω，θ J判断是否存在会出现接 刀痕的部位，若不存在会出现接刀痕的部位，则将盘形凸轮的离散点数据输入数控磨床来 对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到盘形凸轮成品。若存在会出现接刀痕的部位，则进行步骤③。
确定是否存在会出现接刀痕的部位的方法是当每个采样点的数据(Ρω，θ J 的间隔角度为X度时，凸轮升程数据的二阶变化量的绝对值大于阈值d的采样点则为 加工时会出现接刀痕的部位，其中，X = 1/2、i e N非负整数集，0 < X彡1。阈值d = [30X+0. 5]/1000，其中的符号“ □”为取整运算符号，d的单位与凸轮升程数据的单位相 同，一阶变化量fm为凸轮的相邻升程之差(Pm-P μ)，二阶变化量为相邻一阶变化量之差 (P m-2 ρ η+ P m_2)，间隔角度 X 即为(θ ω- θ ^1)。③在全轮廓范围内，对每一个凸轮升程数据的一阶变化量fm进行移动平滑而得到 每个采样角度的新的一阶变化量newfm，并由此得到盘形凸轮的每个采样角度数值θω所对 应的新的凸轮升程数据newpm，用来减小升程数据的二阶变化量，从而形成盘形凸轮的新 的离散点的数据InewPm, θω}。再按照步骤②的方法判断该新的离散点的数据Inewpm, θ J是否存在出现接刀痕的部位，若不存在会出现接刀痕的部位，则将盘形凸轮的离散点 数据输入数控磨床来对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到盘形凸轮成品。若存在会出现接刀 痕的部位，则进行步骤④。④通过三次样条插值的方法对前述步骤得到的采样值作进一步的接刀痕的消除， 而得到盘形凸轮的新的离散点数据，直至升程数据的二阶变化量达到阈值要求，再将盘形 凸轮的新的离散点数据输入数控磨床来对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到盘形凸轮成品。上述步骤③进行移动平滑的具体的方法是首先，将最后一个采样角度θ k与第一个采样角度θ工首尾相连。所述的最后一个 采样角度Q1^P 360度，所述的第一个采样角度Q1即间隔角度χ度。其次，从第一个采样角度θ工开始对每个采样角度θ m的前[η/2]个采样角度所 对应的一阶变化量、采样角度θω自身所对应的一阶变化量fm以及后[η/2]个采样角度所 对应的一阶变化量进行求和后，再求平均值，则得到了该采样角度θ m的新的一阶变化量 newfffl,直至得到所有采样角度θ m的新的一阶变化量InewfJ，从而完成了对凸轮升程数据 的一阶变化量的移动平滑。所述的符号“[]”为取整运算符号，η的数值根据离散点采样角 度的大小而变化。η的取值确定方法为当每个采样角度θ m与相邻采样角度的间隔为X度时，n的 取值为(7i+7)，其中，X = 1/2、i e N，0 < X 彡 1。上述过程中所得到当前采样角度所对应的新的一阶变化量，用Iiewfm表示。第三、根据每个采样角度θ m所对应的新的一阶变化量Iiewfm按照步骤②中的二阶 变化量的定义求得对应的新的二阶变化量。第四、设定第一个采样角度Q1所对应的升程不发生变化，将第二个采样角度θ2 所对应的原有的升程加上进行移动平滑所得到的新的一阶变化量newf2，从而求得第二个 采样角度θ 2所对应的新的升程数据new ρ 2。从第二个采样角度θ 2开始，由每个采样角度 的新的一阶变化量newfm加上前一个采样角度的新的升程数据new P 而得到每个采样角度的新的凸轮升程数据newpm。上述步骤④的三次样条插值的具体方法是
首先使由步骤③得到的数据的最后一个采样角度θ k与第一个采样角度θ工首尾 相连，这样可实现对整个凸轮轮廓数据的插值处理。所述的最后一个采样角度G1^p36O 度，所述的第一个采样角度Q1即间隔角度χ度。然后按照用户设定的升程数据的二阶变化量的阈值要求，在相邻的采样离散点之 间的中点处插入一个点，进一步减小升程数据的二阶变化量，且使凸轮的升程数据的数量 增加一倍，如果此时二阶变化量达到阈值要求，则得到可用于加工的凸轮的离散点数据。如 果二阶变化量未达到阈值要求，则针对上一次插值后得到的离散点数据，在相邻的离散点 的中点处再插入一个点，使凸轮的升程数据再增加一倍，如此重复进行插值操作，直至升程 数据的二阶变化量达到阈值要求。再将盘形凸轮的新的离散点数据输入数控磨床来对盘形凸轮的毛坯进行加工而 得到盘形凸轮成品。本发明具有积极的效果(1)数控凸轮磨床使用通过本发明的方法获得的加工用 的凸轮轮廓数据加工盘形凸轮时，能够有效地避免在加工的过程中盘形凸轮的表面产生接 刀痕，加工出来的盘形凸轮可达到在日常光照条件下肉眼看不见接刀痕的标准。(2)本发明的方法可根据凸轮轮廓的离散点数据直接确定是否会出现接刀痕，并 通过对凸轮升程数据的一阶变化量在全轮廓范围进行移动平滑来降低二阶变化量，然后通 过三次样条插值方法进一步降低二阶变化量来消除接刀痕，本发明的方法相比现有的全轮 廓曲线拟合方法操作简单，误差较易控制。(3)本发明的方法适用性强，易于用计算机编程实现，值得大范围推广。(4)应用本发明的方法加工出来的盘形凸轮使用在纺织机械上时，大大提高了纺 织速度，转速从原来的每分钟300转左右提升至每分钟500转左右，同时噪音也大大降低。
图1为本发明方法的流程图。
具体实施例方式(实施例1)见图1，本实施例的避免盘形凸轮表面产生接刀痕的方法包括如下步骤①通过凸轮精密测量仪测得盘形凸轮的母轮的轮廓的离散点数据，由凸轮精密测 量仪的圆光栅编码器获得凸轮旋转的角度信号，由凸轮精密测量仪的测量头和直线光栅获 得凸轮升程的位移信号，然后通过数据采集卡将所测凸轮的轮廓的离散点数据输入计算 机，并以极坐标形式{Pm，θ J表示，其中m= 1，2，3，A，k(k = 360/(9^0))，pm为第m 个凸轮升程数据，θ m为第m个采样角度数值，而θ 2为第2个采样角度数值，91为第1个 采样角度数值；由(Ρω，θω)表示任意一个采样点的数据。②根据步骤①中得到的凸轮轮廓的离散点数据{Ρω，θ J判断是否存在会出现接 刀痕的部位，若不存在会出现接刀痕的部位，则将盘形凸轮的离散点数据输入数控磨床来 对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到盘形凸轮成品；若存在会出现接刀痕的部位，则进行步骤③。确定是否存在会出现接刀痕的部位的方法是当每个采样点的数据(Ρω，θ J的 间隔角度为X度时(χ = 1/21 (i e N非负整数集)，0 < X < 1)，凸轮升程数据的二阶变化量 的绝对值大于阈值d的采样点则为加工时会出现接刀痕的部位。阈值d= [30X+0. 5]/1000， 其中的符号“[]，，为取整运算符号，d的单位与凸轮升程数据的单位相同，一阶变化量fm为 凸轮的相邻升程之差(Pm-P μ)，二阶变化量为相邻一阶变化量之差(P m_2 P Μ+ P m_2)，间 隔角度X即为(θπτθ^)。 例如，当每个采样点的数据(P ω，θ J的间隔角度为1度时，二阶变化量绝对值大 于0. 03的采样点则为会出现接刀痕的部位；当间隔角度为0. 5度时，二阶变化量绝对值大 于0. 015的采样点则为会出现接刀痕的部位；当间隔角度为0. 25度时，二阶变化量绝对值 大于0. 008的采样点则为会出现接刀痕的部位。③在全轮廓范围内，对每一个凸轮升程数据的一阶变化量fm进行移动平滑而得到 每个采样角度的新的一阶变化量newfm，并由此得到盘形凸轮的每个采样角度数值θω所对 应的新的凸轮升程数据newpm，用来减小升程数据的二阶变化量，从而形成盘形凸轮的新 的离散点的数据Inew P ω，θ J，具体的方法是首先，将最后一个采样角度ek(即360度)与第一个采样角度Q1(即间隔角度X 度)首尾相连，例如第一个角度Q1SOj度，最后一个角度θ&为360度，则下一个 角度就是θ” Θ工的前一个采样角度就是θ k，即将0.5度与360度首尾相连；因为每一个采 样角度θ m都对应了一个相应的升程数据P m，因此0. 5度所对应的升程数据P ！也与360 度所对应的升程数据Pk首尾相临。其次，从第一个采样角度θ工开始对每个采样角度θ m的前[η/2]个采样角度所 对应的一阶变化量、采样角度θω自身所对应的一阶变化量fm以及后[η/2]个采样角度所 对应的一阶变化量进行求和后，再求平均值，则得到了该采样角度θ m的新的一阶变化量 newfffl,直至得到所有采样角度θ m的新的一阶变化量InewfJ，从而完成了对凸轮升程数据 的一阶变化量的移动平滑。上述[η/2]中的符号“ □”为取整运算符号，η的数值根据离散 点采样角度的大小而变化。η的取值确定方法为当每个采样角度θ m与相邻采样角度的间隔为X度时(X = 1/2力e N)，0 < X彡1)，η的取值为(7i+7)。例如，当X的值为1度时，i则为0，η的取 值即为7 ；当X的值为0. 5度时，i则为1，η的取值为14 ；当X的值为0. 25度时，i则为2， η的取值为21，以此类推。上述过程中所得到当前采样角度对应的新的一阶变化量，用newfm表示。第三、根据每个采样角度θ m所对应的新的一阶变化量Iiewfm按照步骤②中的二阶 变化量的定义求得对应的新的二阶变化量。第四、设定第一个采样角度Q1所对应的升程不发生变化，将第二个采样角度θ2 所对应的原有的升程加上进行移动平滑所得到的新的一阶变化量newf2，从而求得第二个 采样角度θ 2所对应的新的升程数据new ρ 2。从第二个采样角度θ 2开始，由每个采样角度 的新的一阶变化量newfm加上前一个采样角度的新的升程数据new P 而得到每个采样角 度的新的凸轮升程数据newpm。上述过程中的计算公式为
设fm 为一阶变化量，则 fm= 口 11111_1，其中111=1，2，3，八沽决=360/(92-91)；fj = fk+J (j≤0，j为整数)，例如，当采样间隔为1度时，则k = 360，从而f。= f360' f-! = f359，这样可以使一阶变化量首尾相连；
，其中 m = 1，2，3，Λ，k，t = [n/2]，符 号“[]”为取整运算符号；通过对m个一阶变化量进行移动平滑得到新的一阶变化量；设第一个采样值(P1, θ J的升程数据不发生变化则new ρ i = ρ i ;设其余的new P m = newfm+ne P ,则依次求出每一个采样值(P m，θ J的新的升 程数据，第m个新的升程数据等于第m个新的一阶变化量与第m-1个新的升程数据之和；从而凸轮的新的采样点为(Iiewpm, θ m)，凸轮的新的离散点的数据{newp ω，θ J。然后再按照步骤②的方法判断该新的离散点的数据InewP ω，θ J是否存在出现 接刀痕的部位，若不存在会出现接刀痕的部位，则将盘形凸轮的离散点数据输入数控磨床 来对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到盘形凸轮成品；若存在会出现接刀痕的部位，则进行 步骤④。④若通过步骤③后，再经过步骤②的判断若二阶变化量的绝对值仍大于阈值，也 即二阶变化量未达到阈值要求，则通过三次样条插值的方法对步骤③得到的采样值作进一 步的接刀痕的消除首先使由步骤③得到的数据的最后一个角度θ k(即360度)与第一个 角度Q1(即间隔角度X度)首尾相连，这样可实现对整个凸轮轮廓数据的插值处理；然后 按照用户设定的升程数据的二阶变化量的阈值要求，在相邻的采样离散点之间的中点处插 入一个点，进一步减小升程数据的二阶变化量，且使凸轮的升程数据的数量增加一倍，如果 此时二阶变化量达到阈值要求，则得到可用于加工的凸轮的离散点数据；如果二阶变化量 未达到阈值要求，则针对上一次插值后得到的离散点数据，在相邻的离散点的中点处再插 入一个点，使凸轮的升程数据再增加一倍，如此重复进行插值操作，直至升程数据的二阶变 化量达到阈值要求，再将盘形凸轮的新的离散点数据输入数控磨床来对盘形凸轮的毛坯进 行加工而得到盘形凸轮成品。本实施例的方法适用于盘形凸轮，盘形凸轮的轮廓特点保证了其升程数据的变化 总体上存在一定的规律，因此采用本实施例的方法后误差可以保证。(实施例2)本实施例中，对某型号的凸轮在采样角度(即θω)从301度至320度所测得的20 个升程数据通过实施例1的避免凸轮表面产生接刀痕的方法进行处理。由实施例1的方法的步骤①，通过凸轮精密测量仪测得盘形凸轮的轮廓的离散点 数据，所测得的凸轮的升程数据如表1所示(单位为毫米)，这里只选择了接刀痕出现较多 的一段区域。每个采样值的间隔角度为1度。由实施例1的方法的步骤②可知，这些采样点中，二阶变化量绝对值大于0. 03的 采样点处为会产生接刀痕的部位，从表1中的第4列的二阶变化量可以发现，在305度、307 度、310度、312度、314度、317度、319度以及320度处为会产生接刀痕的部位。表1移动平滑前后的凸轮数据 由表1，经过实施例1的方法的步骤④对采样数据进行处理后，新的二阶变化量的 绝对值全部降低到0. 03以下。
(实施例3)根据实施例1的方法的步骤⑤，通过三次样条插值的方法对由实施例2的步骤④ 得到的数据在相邻的2个离散点的中点处插入一个点进行三次样条插值，得到数据如下表 2所示。从表2中可见，进行三次样条插值后的凸轮数据的二阶变化量的绝对值均不超过 0. 008，与采样角度的间隔角度为0. 5度时会产生接刀痕的二阶变化量阈值0. 015相差较 远，因此不存在会产生接刀痕的部位。表1在相邻的采样点的中点处进行三次样条插值后的数据
权利要求
一种避免盘形凸轮表面产生接刀痕的方法，其特征在于包括以下步骤①通过凸轮精密测量仪测得盘形凸轮的母轮的轮廓的离散点数据，由凸轮精密测量仪的圆光栅编码器获得凸轮旋转的角度信号，由凸轮精密测量仪的测量头和直线光栅获得凸轮升程的位移信号，然后通过数据采集卡将所测凸轮的轮廓的离散点数据输入计算机，并以极坐标形式{ρm，θm}表示，其中m＝1，2，3，Λ，k；k＝360/(θ2-θ1)，ρm为第m个凸轮升程数据，θm为第m个采样角度数值，由(ρm，θm)表示任意一个采样点的数据；②根据步骤①中得到的凸轮轮廓的离散点数据{ρm，θm}判断是否存在会出现接刀痕的部位，若不存在会出现接刀痕的部位，则将盘形凸轮的离散点数据输入数控磨床来对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到盘形凸轮成品；若存在会出现接刀痕的部位，则进行步骤③；确定是否存在会出现接刀痕的部位的方法是当每个采样点的数据(ρm，θm)的间隔角度为X度时，凸轮升程数据的二阶变化量的绝对值大于阈值d的采样点则为加工时会出现接刀痕的部位，其中，X＝1/2i，i∈N非负整数集，0＜X≤1；阈值d＝[30X+0.5]/1000，其中的符号“[]”为取整运算符号，d的单位与凸轮升程数据的单位相同，一阶变化量fm为凸轮的相邻升程之差(ρm-ρm-1)，二阶变化量为相邻一阶变化量之差(ρm-2ρm-1+ρm-2)，间隔角度X即为(θm-θm-1)；③在全轮廓范围内，对每一个凸轮升程数据的一阶变化量fm进行移动平滑而得到每个采样角度的新的一阶变化量newfm，并由此得到盘形凸轮的每个采样角度数值θm所对应的新的凸轮升程数据newρm，用来减小升程数据的二阶变化量，从而形成盘形凸轮的新的离散点的数据{newρm，θm}；再按照步骤②的方法判断该新的离散点的数据{newρm，θm}是否存在出现接刀痕的部位，若不存在会出现接刀痕的部位，则将盘形凸轮的离散点数据输入数控磨床来对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到盘形凸轮成品；若存在会出现接刀痕的部位，则进行步骤④；④通过三次样条插值的方法对前述步骤得到的采样值作进一步的接刀痕的消除，而得到盘形凸轮的新的离散点数据，直至升程数据的二阶变化量达到阈值要求，再将盘形凸轮的新的离散点数据输入数控磨床来对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到盘形凸轮成品。
2.根据权利要求1所述度的避免盘形凸轮表面产生接刀痕的方法，其特征在于步骤 ③进行移动平滑的具体的方法是首先，将最后一个采样角度9k与第一个采样角度θ工首尾相连；所述的最后一个采样 角度Q1^P 360度，所述的第一个采样角度Q1即间隔角度X度；其次，从第一个采样角度θ工开始对每个采样角度θ m的前[η/2]个采样角度所对应的 一阶变化量、采样角度θ m自身所对应的一阶变化量fm以及后[η/2]个采样角度所对应的 一阶变化量进行求和后，再求平均值，则得到了该采样角度θ m的新的一阶变化量newf；，直 至得到所有采样角度θ m的新的一阶变化量InewfJ，从而完成了对凸轮升程数据的一阶变 化量的移动平滑；所述的[η/2]中的符号“ □”为取整运算符号，η的数值根据离散点采样 角度的大小而变化；η的取值确定方法为当每个采样角度θ m与相邻采样角度的间隔为X度时，η的取值 为(7i+7)，其中，X = 1/2、i e N，0 < X 彡 1 ；上述过程中所得到当前采样角度所对应的新的一阶变化量，用1^ &表示；第三、根据每个采样角度θm所对应的新的一阶变化量newfm按照步骤②中的二阶变化 量的定义求得对应的新的二阶变化量；第四、设定第一个采样角度Q1所对应的升程不发生变化，将第二个采样角度θ2所对 应的原有的升程加上进行移动平滑所得到的新的一阶变化量newf2，从而求得第二个采样 角度θ 2所对应的新的升程数据new P2 ；从 第二个采样角度θ 2开始，由每个采样角度的新 的一阶变化量newfm加上前一个采样角度的新的升程数据new P 而得到每个采样角度的 新的凸轮升程数据newpm。
3.根据权利要求1所述度的避免盘形凸轮表面产生接刀痕的方法，其特征在于步骤 ④的三次样条插值的具体方法是首先使由步骤③得到的数据的最后一个采样角度θ k与第一个采样角度Q1首尾相连， 这样可实现对整个凸轮轮廓数据的插值处理；所述的最后一个采样角度Q1^P 360度，所述 的第一个采样角度θ工即间隔角度X度；然后按照用户设定的升程数据的二阶变化量的阈值要求，在相邻的采样离散点之间的 中点处插入一个点，进一步减小升程数据的二阶变化量，且使凸轮的升程数据的数量增加 一倍，如果此时二阶变化量达到阈值要求，则得到可用于加工的凸轮的离散点数据；如果二 阶变化量未达到阈值要求，则针对上一次插值后得到的离散点数据，在相邻的离散点的中 点处再插入一个点，使凸轮的升程数据再增加一倍，如此重复进行插值操作，直至升程数据 的二阶变化量达到阈值要求；再将盘形凸轮的新的离散点数据输入数控磨床来对盘形凸轮的毛坯进行加工而得到 盘形凸轮成品。
全文摘要
本发明公开了一种避免盘形凸轮表面产生接刀痕的方法，该方法通过凸轮精密测量仪测得盘形凸轮的母轮的轮廓的离散点数据{ρm，θm}(其中ρm为第m个凸轮升程数据，θm为第m个采样角度数值)后，由凸轮轮廓的离散点数据判断是否存在会出现接刀痕的部位，若存在会出现接刀痕的部位，则通过对每一个凸轮升程数据的一阶变化量进行移动平滑的方法来减小升程数据的二阶变化量而进行接刀痕的消除，若通过上述操作后获得的离散点数据仍存在会出现接刀痕的部位，则通过多次三次样条插值的方法对前述步骤得到的数据作进一步的接刀痕消除，直至升程数据的二阶变化量达到阈值要求，再将新的离散点数据输入数控磨床用于加工凸轮。通过上述方法可获得轮廓光滑、精确的盘形凸轮。
文档编号B24B51/00GK101844324SQ20101016806
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者张建生, 徐磊, 毛国勇, 范力旻, 黄文生 申请人:常州工学院