一、前言

　　ZL41型復合濾棒成型機組由YL31型兩元濾棒組合機和YL44型復合濾棒成型機組成，是參照德國HAUNI公司的MUL- TIFI-E設計的，其設計生產速度為400m/min，是目前國內正在試制的高速二元復合濾棒成型機組。

　　YL31型兩元濾棒組合機的輸出部分如圖1所示。加速鼓輪2是一種典型的凸輪式機械手抓放機裝置，其作用不僅是傳送組合濾棒，更重要的是補償靠攏鼓輪3和交接輪1槽的不同節距，實現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運動，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釋放。加速鼓輪屬于幾何封閉式凸輪機構，其凸輪是一種多重凸輪輪廓，這就要求將其設計成加速段較長的非對稱運動規律，以便降低載荷值，減少磨損。

　　二、凸輪輪廓線的逆向設計及實體建模

　　隨著測量技術和3D技術的發展，以幾何實體為研究對象，使用逆向工程技術對產品進行模型重建、仿真、優化及新產品開發，已成為現代創新設計的一種主要方法。

　　逆向設計的關鍵是實體零件的數據測量。數據測量是通過特定的測量設備和測量方法獲取產品表面形狀離散點的幾何坐標數據，將產品的幾何形狀數字化。其測量原理是：將被測產品放置于測量系統的測量空間內，按照所選測量方法進行測量，獲得被測產品上各個測量點的坐標。根據這些點的空間坐標值，經過計算機數據處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐和曲面等，再經過數學計算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何量數據。高效、高精度地獲取產品的數字化信息是實現逆向工程的基礎和關鍵。本例中數據測量所需的硬件系統為：

　　(1)JJF10光學分度頭，測量范圍為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數顯測高儀，測量范圍為0 ～610mm，分辨率為0.001mm，重復性1μm，測力調節范圍為0.5～1.8N。

　　1.凸輪輪廓線的逆向設計

　　對于凸輪輪廓線的反求，首先要確定測量基準和測量方案，其次要確定測量所需的硬件系統。選擇凸輪的孔椎150H6 和椎6H7為測量基準。在此采用兩種方案：一是采用三坐標測量機(CMM) 進行自動測量;二是采用光學分度頭和測高儀進行人工測量。經過對兩種方案進行比較發現，由于三坐標測量機是以笛卡爾坐標系進行測量的，測量的數據不能真實反映凸輪轉角與升程的關系;第二種方案是以極坐標進行測量，雖然人工檢測工作量大，但測量的數據能夠真實反映凸輪轉角與升程的關系。

　　所用測量系統如圖2所示。為保證測量數據的準確性，以0.5°為步距角，采用YG6硬質合金刀口測頭進行測量，有效減小測頭的變形和磨損，提高測量精度。這里共測量720個點位的數據。使用測高儀的輸出裝置，將測量的數據輸出為文本文件，文件名為“cam_test.txt”，以便于后面的應用。

　　2.凸輪輪廓的建模

　　凸輪的三維實體建模關鍵在于確定其輪廓曲線。在使用Pro/ENGINEER進行實體造型時，依據前述測量所得的數據，應用野火版4.0軟件完成凸輪的轉角與升程的關系曲線，并對曲線的數據進行分析和校正。

　　進入Pro/ENGINEER 軟件后，點擊“新建”，選取零件，在名稱中輸入“3fda630bab00”，點擊“確定”。進入后點擊草繪圖標，在草繪環境下，先建立坐標系，并任意畫一條樣條線，然后選取樣條線并單擊右鍵進入曲線修改界面。點擊“文件”，菜單如圖3所示，再點擊箭頭選中所建坐標系，最后單擊“保存”，就能把樣條線特征點的坐標保存到文件中，將其保存為“CAM_CURVE.pts”文件。

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

　　將前述測量的數據坐標點文件粘貼到CAM_CURVE.pts文件中并保存。然后再次返回到曲線修改界面，點擊“文件”并打開剛保存的CAM_CURVE.pts文件，出現“文件出現不同點數，是否繼續?”提示，選取“是”。此時，凸輪輪廓曲線數據就調入Pro/ENGINEER中，生成凸輪轉角與升程的關系曲線，如圖5所示。

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

　　(1)創建基礎特征。

　　使用拉伸、陣列命令創建一個圓盤及孔等基礎特征，如圖6 所示。

　　(2)創建基準特征圖形。

　　選擇“插入”→“模型基準”→“圖形”，插入2D 圖形關系，根據系統提示，在提示欄內輸入圖形名稱“CAM_LINE”，點擊“確定”進入草繪模式。在草繪模式的繪圖區創建參照坐標系，同時繪制兩條通過此坐標系的中心線。選擇“草繪”→“數據來自文件”→“文件系統”，選擇前述輸出的“3fda630bab00_IGS.IGS”文件，打開后，在“縮放旋轉”對話框輸入比例和角度，拖動曲線至適當位置，單擊“確定”后退出。在草繪模式中對曲線進行編輯，最終結果如圖7中所示。

　　(3)創建可變剖面掃描特征。

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

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

　　至此，該凸輪零件數字化建模已全部完成，零件模型如圖9所示。下面將針對凸輪機構進行運動分析與仿真。

　　三、凸輪機構運動分析與仿真

　　Mechanism是Pro/ENGINEER 軟件的一個仿真模塊，該模塊可以對機構進行定義、運動仿真與分析研究，可以觀察、記錄和分析一些參數，如位置、力、速度和加速度等。其基本工作流程如圖10所示。

　　1.建立運動模型

　　建立運動模型是指機構構件的具體設計。首先確定零件的形狀、結構、尺寸和公差等，并在計算機上進行二維繪圖和三維實體建模，然后通過裝配模塊完成零件組裝，形成功能部件或整機。裝配是動態仿真的前提，裝配關系的正確與否直接影響動態仿真的效果。裝配前，先確定運動構件，及構件間的運動副，最后由各機構組成整機，為仿真做準備。

　　加速鼓輪組件的裝配并不復雜，在裝入閥座零件之后，依次單擊特征操作區的增加元件按鈕裝入法蘭套、氣閥、凸輪、法蘭座、回轉罩、驅動法蘭、伸縮手及其余零件。在裝配法蘭座、驅動法蘭和伸縮手時，應將約束轉換為機構連接，在類型中選擇“銷釘”連接。完成后的裝配模型如圖11所示。

　　2.運動分析和結果顯示

　　在主菜單中，點擊，選擇，進入機構模式。首先進行初始設置，在連接軸設置中，選擇法蘭座的連接“pin_1”，將其連接軸設置為0，此時點擊圖標，在彈出窗口中再點擊圖標，拍下當前配置的快照“Snap-shot1”。點擊圖標，進行凸輪從動機構連接定義：在凸輪1欄中，選擇凸輪槽側壁，在凸輪2欄中，選擇伸縮手臂端部的軸承圓柱面，點擊“確定”完成凸輪副定義。以同樣的方法，創建其余19個伸縮手臂與凸輪零件之間的凸輪副。

　　現在為機構添加驅動，點擊圖標，定義伺服電動機，運動軸選擇法蘭座的連接“pin_1.Axis_1”，速度設為52.3RAD/s。完成的機構分析模型如圖12所示。單擊特征操作按鈕區的機構分析圖標，通過相應的對話框定義分析名稱，單擊特征操作按鈕區的測量圖標，定義測量名稱、類型、對象和評估方式。在這里，選擇測量伸縮手臂的圓弧槽中心點位移、速度和加速度，接受系統的每段時間步距(Each Time Step)評估方法，按照要求完成所有的參數定義后直接觀察，也可輸出位移—時間圖表來記錄，還可以通過產生Excel表對數據進行存儲。這幾種情況分別如圖13所示。

　　通過機構仿真，可以在進行整體設計與零件設計后，對各種零件進行裝配后模擬機構的實際運動，從而檢查機構運動是否符合設計要求，也可以檢查機構運動中各種運動構件是否發生干涉。通過直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系，從而將整機設計中可能存在的問題予以排除，減少試制樣機的費用，縮短產品的更新周期。

　　四、結束語

　　目前，企業競爭日趨激烈，產品不斷更新換代，相應煙機產品的升級換代和改造周期也不斷縮短，這就為反求工程的應用提供了廣闊的前景。現代測量技術的發展，使快速、精確地獲取實物的幾何信息變成現實。通過將零件的幾何信息數字化后與Pro/ENGINEER進行數據格式轉換，再利用它的造型功能和模型參數化特點，進行產品創新設計和升級改造，這為煙機的快速制造提供更為廣闊的前景，提高了企業的產品創新水平和市場競爭能力。