数控加工仿真中铣刀数据库的建立
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图 "" 铣刀建模
图 #" 查询窗体
图 F" 查询结果
通过 如 图 - 所 示 的 刀 具 查 询 窗 体 ! 可 以 对 刀 具 直 径% 刀具 长度 % 刀具齿数进行单项查询 ! 也可以 对 它 们 进 行 复 合 查 询 ! 当 选择刀具直径后 ! 刀 具 长 度 对 应 的 Biblioteka Baidu 合 框 内 下 拉 列 表 的 内 容! 是此直径对应的所 有 长 度 & 刀 具 齿 数 是 此 直 径% 长度所对应的 所有齿数 " 对于添加 标 准 刀 具 ! 还可以在刀具管理窗体中方便地实 现 " 当增加记录时 ! 莫氏圆锥号的 输 入 采 用 了 一 个 N : ; : 7 8 A Z 8 控件 ! 并随表内的 光 标 移 动 " 大 端 % 小端直径及刀柄长度通过 与莫氏锥度表相连的 + 刀颈长度自 动 计 算 9 8 9 >控件自动显示 ! 并显示 # 高级参数窗体也有类似功能 $ ! 在此窗体还可以实现刀 具的浏览 % 删除 "
# $ 画螺旋面 * 1 6 0 : ; /B = ZF = 8 E = : 4 A 6 : 4 m "" F * = 2 ? < : ; 1 6 E 5 ** 螺旋运动角的步长 N 6 A_+ 2 M 4 ; / / 1 m "" 5 端截面轮廓线离散的步长 N 6 A_ !+ 2 M 4 ; / / 1 m "" 5 _h%# ! _ !h%# ! 螺旋运动角 2O K 9 8 = Z F / m N 6 A.+ "" 形成一个刀面的螺旋面 ; / m L 8 1.h%( 8 F ! -)CB +"+’# C_""
根据以上分析 ! 可先求 出 工 作 部 分 端 截 面 的 截 形 O # ! 并 )$ 把端截面离散成一系列 的 顶 点 ! 然 后 使 用 螺 旋 变 换 矩 阵! 变换 端截面中的所有顶点 ! 使变换后的顶 点 相 对 于 变 换 前 绕 H 轴 旋 转一定角度 ! 再把变换前相邻的顶点 沿H 轴 也 平 移 一 定 距 离 ! 与变换后的对应顶点共 - 个顶点 ! 作为三维几何模型中的"个 面处理 " 这样就得到了 几 何 体 中 顶 点 % 线% 面 的 拓 扑 关 系" 按照 这种思路 ! 不断变换顶点 ! 不断组成面 ! 最终形成螺旋面的三维 几何模型 " 主要程序代码 # 为了简化代码 ! 以上 述 方 程 为 依 据 举 例 $ 如 下’
万方数据
图 G" 刀具的层次几何模型
对应的端截面轮廓线方程中的参数 = 6 A=+ 2O K 9 8 = Z F / m "" N 绘制三角条 m F ^ / 6 4Z A( 1 6 : 4 F / B ; 1 6 "" 5 "" 5 5 C
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机"械"设"计
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"" 系统开发的关键技术
"# !" 铣刀的计算机建模 为能够对数控物理仿真过程中所建 立 的 模 型 # 如切削力模 型$ 进行精确的计 算 ! 在 给 定 刀 具 参 数% 切 削 参 数% 刀具位置及 进给方向后 ! 必须能够准确地提取出两组 必 要 的 信 息 ’ # 参与 !$ 切削的微元 # 为计算 瞬 时 切 削 层 参 数 ! 把连续切削部分分解成 有限个微元 $ 数目与分布 & # $ 各切削微元的切屑厚度"获取这 " 两组信息的关键是 建 立 一 个 适 用 于 仿 真 技 术 的 刀 具 模 型 " 该 刀具模型要求具有精确的铣刀轮廓和刃形曲线 " "# !# !" 刀具的分解 由于刀具 的 外 形 比 较 复 杂 ! 需要对其进行分割和简化处 理"以 平 头 立 铣 刀 为 例! 如 图 $ 所 示! 将立铣刀分解为工作部 分% 刀颈 % 刀柄等几 部 分 ! 而 工 作 部 分 需 再 分 解 为 若 干 个 刀 齿! 每个刀齿再分解为螺旋面和两端的端 面 ! 每个螺旋面再分解为 前刀面 % 第一后刀 面 % 第 二 后 刀 面"忽 略 前 后 刀 面 之 间 的 过 渡 圆弧 " ( ( 边界表示法 "# !# "" 螺旋面的几何建模 ( 边界表示法的基本思想是 ’ 一个形 体 可 以 通 过 包 容 它 的 面 来表示 ! 而每一个面又可以用构成此 面 的 边 表 示 ! 边通过点! 点 又通过 ’ 个坐标 值 来 定 义 " 边 界 法 建 模 的 关 键 是 如 何 描 述 构 成几何体的几何元素 # 顶点 % 线% 面等 $ 之间的拓扑关系 " 对于平头立铣刀 ! 由于端截面的截 形 固 定 不 变 ! 因此! 建立 以 工作部分端截面中心为原点 ! 以刀具轴线为H轴的坐标系 U. 将工作部分的端截面在绕H轴旋转一定角度 # 记为%$ 的同 ; H" < # ) ! 即可得 时! 也沿 H 轴平移一定距离 # " " 表示导 程$ " + %! ($ 到后续端截面 " 因此螺旋面的方程可以表示为 ’
第" "卷 第! "期 "%%$ 年 !" 月
机"械"设"计
G HI. J+ KH L <+ 7) M J 3N 3 B M OJ
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数控加工仿真中铣刀数据库的建立
刘秋月 ! 王太勇 ! 李清
! 天津大学 机械工程学院 " 天津 "’ # % % % Q "
能获得逼真的 H / 4 O K 是美国 B O M开发的三 维 图 形 接 口 " C 高质量的三维图形效果 " 现已成为 交 互 式 图 形 处 理 标 准 $ 它 具 有七大功能 ’ 几何 建 模 % 坐 标 变 换% 颜 色 模 式 设 置% 光照和材质 设置 % 纹理映射 % 位图显示和图像增强 % 双缓存动画 $ !# ’" 界面设计 考虑到界面布局合理 " 便于操作 " 且减少操作次数" 系统的 几个主要界面设置如下 ! 图 "" 图 # ’ 把标 准 铣 刀 的 参 数 输 入 到 用 + 其 > > / 2 2建 立 的 数 据 库 中 " 中刀号为主键 $ 当用 户 在 如 图 " 所 示 的 界 面 中 输 入 刀 号 或 选 择刀号时 " 该刀具的相关参数 便 会 赋 值 到 P ^ 的 程 序 中$单 击 确定按钮 " 按统一比例显示刀具 " 单击 刷 新 按 钮 " 刀具充满整个 图片框显示 " 单击 - 个箭头按钮 " 刀具可以任意旋转" 多角度观 察刀具模型 " 并根据 实 际 观 察 结 果 " 决定是否对刀具几何参数 进行修改 " 同时还 可 以 边 修 改 " 边 观 察" 对 修 改 后 的 参 数" 单击 保存按钮 " 可 重 新 保 存 到 刀 具 数 据 库" 单 击 恢 复 按 钮" 撤消修 改 $ 如果用户使用的是非标准刀具 " 在第一次使用时需要单击
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摘要 ! 介绍了如何利用边界表示法和 H 并创建了一个包含 螺 旋 线 齿 形 的 参 数 化 铣 刀 库" / 4 O K 技术仿真铣刀 齿 形 ! C 增加了虚拟环境的真实感 ! 同时可以为物 理 仿 真 准 确 提 取 铣 刀 瞬 时 切 削 刃 的 长 度 # 切削点的坐标和局部刀刃的几何形 状" 关键词 ! 螺旋面 $ 几何建模 $ 刀具库 $ 数控加工 中图分类号 ! # $ ( O Q !" ( * ’ & !"" 文献标识码 ! +"" 文章编号 ! ! % % !," ’ $ " % % $ ! ",% % %,% 如今切削过程仿真分为 "" 加工仿真是虚拟制造的重要内容 " 几何仿真和物理仿 真 两 个 方 面 $ 几 何 仿 真 的 任 务 是 通 过 刀 具 确认刀具 % 工件 是 否 发 生 过 切 或 干 涉 及 被 加 工 零 件 是 否 路径 " 达到所要求的几何 形 状 $ 而 物 理 仿 真 的 任 务 是 根 据 刀 具 和 工 材料的物理性能 % 切削条件以及机床动态特性" 件的几何信息 % 考察切削力 % 切削功 率 是 否 超 出 机 床 的 承 载 能 力 " 预报加工稳 定性 " 检验刀具磨损 和 破 损 程 度 " 检验被加工表面的质量是否 达到零件要求等 $ 但是 " 无论是大型 7 & + N 7 +< 系统的 J 7仿 还是专 门 的 J 通常不具备物理 真模块 " 7 加 工 过 程 仿 真 系 统" 仿真的功能 $ 此现象 的 主 要 原 因 是 模 型 的 几 何 信 息 不 能 被 物 理仿真提取 $ 为了使加工仿真系统更 具 有 实 用 性 " 该系统的实 即需要 建 立 数 据 库 $ 数 据 库 对 于 仿 现需要有大量的数据支撑 " 真系统的扩展以及整 个 虚 拟 制 造 系 统 的 数 据 传 输 都 起 到 积 极 的作用 $ 采用 P 9 8 ‘ 2 " % % %为 开 发 平 台" 6 2 = : F^ : 2 6 > S# %软件及三维图形 软件标准接 口 H 应用 / 4 O K 为 工 具 进 行 铣 刀 的 计 算 机 建 模" C 而P + > > / 2 2" % % % 建立 铣 刀 数 据 库 " 6 2 = : F^ : 2 6 > S# %与 + > > / 2 2之 间的数据交换应用 + 技术 $ N H
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刘秋月 ! 等’ 数控加工仿真中铣刀数据库的建立
!
自定义按钮后 ! 输入 刀 具 参 数! 另 存 后! 再 使 用! 只需输入刀号 或选择刀号即可 " 可通过浏览按钮返回 到 刀 具 管 理 窗 体 # 界面 与图 - 类似 $ " 用户可以通过刀具管 理 窗 体 浏 览 或 通 过 查 询 窗 体# 如图 - 所示 ! 由于篇幅 所 限 ! 加 上 了 滚 动 条! 参 数 同 图 "$ 中 的查询结果 # 如图 $ 所示 $ 选中刀具 ! 单击铣刀建模按钮 ! 在图 " 中显示该刀具及其参数 "
!" 系统的总体设计方案
图 !" 刀具数据管理的框架结构图
刀具模型的建立 和 使 用 是 影 响 加 工 仿 真 真 实 性 和 加 工 性 能评价准确性的重 要 因 素 $ 为 了 简 化 使 用 者 输 入 参 数 和 存 取 特殊的刀具参 数 和 形 状 " 针对虚拟数控铣床上用得最多的铣 刀" 进行分类分析 " 建立以尺寸驱动的方式对标准刀具进行实 提 供 管 理 所 需 的 查 询% 时的参数化建模 的 数 据 库 系 统 $ 同 时 " 添加 % 删除 % 修改等各种功能 " 这样保 持 铣 刀 库 的 不 断 扩 充 和 更 不仅保证了设计 过 程 的 继 承 性 和 高 效 性 " 而且有助于提高 新" 设计者的建模技术和设计水平 $ 使用 者 可 以 根 据 自 己 所 需 " 从 并实时生成刀具的三维实体模型 $ 库中提取相关的参数 " !# !" 刀具数据管理的框架结构 刀具数据管理一 如图 ! 所示为刀具数据管理的框 架 结 构 " 方面做到刀具数据 的 添 加 % 浏 览% 查 询% 修 改 和 删 除 等 操 作" 另 一方面是根据刀具的几何造型参数 " 生成并显示刀具的三维图 形$ !# "" 系统的开发环境 对于系统的实 现 " 是在一台 * & / 4 ; 6 = A " $ S <^ 的 微 机 上 " 以满足三 维 实 体 运 动 仿 真 对 微 机 运 算 速 度 的 要 求 " 以 d 6 4 X
修订日期 ! " % % $,% ",% !" " % % $,% S,% R ! 收稿日期 ! 基金项目 ! 国家自然科学基金资助项目 ! # $ % Q $ ! ! Q
万方数据 作者简介 ! 刘秋月 ! " 女" 河北宁晋人 " 淄博职业学院副教授 " 天津大学硕士生 " 研究方向 ’ 数控仿真 % 数据库 " 已发表论文 ’ 篇 $ ! & S S, #
图 "" 铣刀建模
图 #" 查询窗体
图 F" 查询结果
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刀具模型的建立 和 使 用 是 影 响 加 工 仿 真 真 实 性 和 加 工 性 能评价准确性的重 要 因 素 $ 为 了 简 化 使 用 者 输 入 参 数 和 存 取 特殊的刀具参 数 和 形 状 " 针对虚拟数控铣床上用得最多的铣 刀" 进行分类分析 " 建立以尺寸驱动的方式对标准刀具进行实 提 供 管 理 所 需 的 查 询% 时的参数化建模 的 数 据 库 系 统 $ 同 时 " 添加 % 删除 % 修改等各种功能 " 这样保 持 铣 刀 库 的 不 断 扩 充 和 更 不仅保证了设计 过 程 的 继 承 性 和 高 效 性 " 而且有助于提高 新" 设计者的建模技术和设计水平 $ 使用 者 可 以 根 据 自 己 所 需 " 从 并实时生成刀具的三维实体模型 $ 库中提取相关的参数 " !# !" 刀具数据管理的框架结构 刀具数据管理一 如图 ! 所示为刀具数据管理的框 架 结 构 " 方面做到刀具数据 的 添 加 % 浏 览% 查 询% 修 改 和 删 除 等 操 作" 另 一方面是根据刀具的几何造型参数 " 生成并显示刀具的三维图 形$ !# "" 系统的开发环境 对于系统的实 现 " 是在一台 * & / 4 ; 6 = A " $ S <^ 的 微 机 上 " 以满足三 维 实 体 运 动 仿 真 对 微 机 运 算 速 度 的 要 求 " 以 d 6 4 X
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万方数据 作者简介 ! 刘秋月 ! " 女" 河北宁晋人 " 淄博职业学院副教授 " 天津大学硕士生 " 研究方向 ’ 数控仿真 % 数据库 " 已发表论文 ’ 篇 $ ! & S S, #