基于UG_OpenGRIP的麻花钻参数化设计
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［4 ］ 程实现麻花钻螺旋槽横向截形的绘制， 包括钻刃曲线 、 刃带部分曲线等的绘 刀具轴线等； 最后以螺旋槽横向截形为扫掠曲线， 分别以刀 制； 再绘制螺旋线、
具轴线与螺旋线为引导线， 自动螺旋生成刀具螺旋槽， 包括刃带部分的建模。 建模参数包括钻头半径、 半锥角、 螺旋角、 钻芯半径。 钻刃曲线方程如下
· 11·
$ $ 循环 控制精度
$ $ 创建点 $ $ 拟合曲线 形成钻刃曲线
ln（ 14 ） = SPLINE / APPＲOX， DELETE ， TOLEＲ， 0． 0001 ， ln（ 10． ． 11 ）
陕西理工学院学报（ 自然科学版）
第 30 卷
2． 2
后刀面的绘制
钻削过程中后刀面磨损最为严重 ，பைடு நூலகம்因此 ， 能否对麻花钻后 刀面进行合理刃磨对麻花钻的使用寿命有较大的影响。 本文麻花 钻后刀面的刃磨采用常用的锥面刃磨法 。刃磨参数包括偏距、 锥顶 距、 锥顶半角、 轴间角， 为方便在软件中建模， 对 4 个刃磨参数进行 为使主切削刃是直线刃， 偏距等于钻芯半径， 且锥顶半角和轴 转化， 间角角度之和为半锥角， 半锥角在绘制螺旋槽时已经设定， 只要知 道锥顶半角， 轴间角也就确定。 由于传统锥面刃磨法在刃磨参数选择不当时 ， 常常会出现后刀 面的翘尾现象， 所以在原有刃磨参数基础上， 新增一个刃磨参数： 让
1
基于 GＲIP 的参数化设计方法
参数化设计是在模型构建过程中用参数变量来控制模型的几何尺寸和约束关系 ， 改变参数变量， 从 而实现达到驱动几何图形的目的 ， 对于提高企业产品的设计创新能力与竞争力具有非常重要的意义 。 UG / Open GＲIP 是 UG 二次开发工具集中的一个重要模块， 本文采用 GＲIP 语言编程实现参数化设计， ［1 ］ 它是 UG 的内嵌语言， 是一种图形交互式、 解释性的编程语言 ， 能够实现 UG 的绝大多数交互操作， 如 几何体模型建立、 装配创建和工程图绘制等功能。GＲIP 程序交互性能强， 在人机交互界面上， 输入相关 参数， 可以自动建立模型， 实现参数化设计， 过程如图 1 所示。
2
基于 GＲIP 的麻花钻参数化建模
麻花钻的工作部分主要有螺旋槽和后刀面 。结合近些年对麻花钻建模过程的相关研究工作
［23 ］
， 本
1106 收稿日期： 201309 ） ； 陕西理工学院研究生创新基金资助项目 （ SLGYCX1316 ） 基金项目： 陕西省工业攻关项目（ 2009K07作者简介： 荆浩旗（ 1989 —） ， 男， 河南省郾城县人， 陕西理工学院硕士研究生 ， 主要研究方向为数字化制造技术和 CAD / CAM； ［ 通讯作者］ 白海清（ 1970 —） ， 男， 陕西省横山县人， 陕西理工学院教授， 硕士研究生导师， 主要研究方向为机械装 CAD / CAM。 备设计与制造、 · 10·
［4 ］
：
r cosu + businu， {xy = = r sinu － bucosu，
c c
式中： r c 为钻芯半径； b = P ×
tanΦ ， P 为螺旋槽导程， Φ 为半锥角； u 为主切削刃 2π
图1
GＲIP 参数化 建模过程
Ｒ2 － r2 c 0 ≤u ≤ 槡 ， Ｒ 为钻头半径。 上点绕 z 轴旋转角度， b 首先采用 GＲIP 语言编程根据钻刃曲线方程绘制钻刃曲线， 然后调用相关函数创建出相关的点、 线、 面等实体， 再通过旋转复制等操作绘制螺旋槽横向截形 ； 绘制螺旋线、 刀具轴线等， 最后通过扫掠操 作创建出螺旋槽实体。 绘制螺旋槽的部分代码如下： …… $ $ 创建钻刃曲线 $ $ num = 0 b = Ｒ* （ sinf（ m） / cosf（ m） ） / （ sinf（ n） / cosf（ n） ） au = （ sqrtf（ Ｒ* Ｒ － rc* rc） ） / b DO / L20 ： ， i， 0， 1， 0． 001 bu = i* au cu = bu* 360 / （ 2* ＆pi） xt = rc* cosf（ cu） + b* bu* sinf（ cu） yt = rc* sinf（ cu） － b* bu* cosf（ cu） zt = 0 num = num + 1 pt（ num） = POINT / xt， yt， zt if / num ＜ = num1 ， L20 ： ln（ 1 ） = SPLINE / pt（ 1． ． num） DELETE / pt（ 1． ． num） …… ln（ 13 ） = LINE /0 ， 0， 0， 0， 0， － p* a $ $ 绘制刀具轴线 $ $ 逼近曲线 形成螺旋槽横向截形曲线 obj（ 1 ） = BSUＲF / SWPSＲF， TＲACＲV， ln（ 12． ． 13 ） ， GENCＲV， ln（ 14 ） $ $ 扫掠法形成 B曲面 形成螺旋槽实体 …… 运行程序， 得到的螺旋槽实体如图 2 所示。
人机交互界面
第2 期
荆浩旗， 白海清， 王春月， 等
基于 UG / Open GＲIP 的麻花钻参数化设计
人机交互界面部分代码如下： …… L10 ： PAＲAM / ' 钻头设计参数' ， ' 钻头半径' ， Ｒ， ' 半锥角' ， m， n， ' 螺旋角' ， ' 钻芯半径' ， rc， resp jump / trm： ， trm： ， ， resp …… L50 ： PAＲAM / ' 后刀面刃磨参数' ， ' 锥顶半角' ， o， ' 锥顶距' ， L， v， resp ' 旋转角度' ， jump / trm： ， trm： ， ， resp …… 建模过程对麻花钻的相关参数进行了转化 ， 使实际加工参数能在建模过程中实现 ， 利用 GＲIP 语言 编程成功地实现了麻花钻的参数化建模 ， 避免了繁琐的三维建模过程， 并且设计人机交互界面， 方便设 得到所需麻花钻的准确模型。 计者改变相关参数， $ $ $ $ $
［6 ］
$ $ 旋转复制 $ $ 切割实体
图3
圆锥面的绘制
完成人机交互操作 。设计者根据需求， 在交互界面中输入相关参数就可达到实现自动建模的 对话， 设计了两个人机交互界面， 效果图见图 4 。 目的。本文根据麻花钻的建模过程，
（ a） 钻头设计参数对话框
（ b） 后刀面刃磨参数对话框
图4
· 12·
第2 期
荆浩旗， 白海清， 王春月， 等
基于 UG / Open GＲIP 的麻花钻参数化设计
文采用 GＲIP 语言编程的麻花钻的建模过程主要分为以下几个步骤 。 2． 1 螺旋槽的绘制 麻花钻的螺旋槽曲面有容纳和排屑的作用 ， 故螺旋槽的设计关系到加工过 程中的排屑、 散热、 冷却等直接影响加工质量的问题。 螺旋槽的绘制首先要编
基于 UG / Open GＲIP 的麻花钻参数化设计
荆浩旗， 白海清， 王春月， 杨
（ 陕西理工学院 机械工程学院 ，陕西 汉中 723003 ）
柳
［ 摘 要］ 针对麻花钻设计中 繁 琐 的 建 模 过 程 的 问 题， 采 用 UG 二 次 开 发 工 具 UG / Open GＲIP 解决了麻花钻的螺旋槽、 后刀面建模的 GＲIP 语言编程问题， 开发成功麻花钻参数化建 模程序， 设计了交互性界面， 实现了麻花钻的参数化、 交互性设计， 提高了麻花钻三维实体模型 的设计效率与准确性， 并为麻花钻的后续分析和仿真等研究工作提供了支持 。 ［ 关 键 词］ 二次开发； GＲIP； ［ 中图分类号］ TG713 ； TP39 麻花钻； 参数化设计 ［ 文献标识码］ A
0
引
言
在现代机械加工中， 尤其在孔加工占重要比重的汽车与航空等制造业中 ， 麻花钻的钻削加工是应用 广泛的加工方式之一。由于麻花钻结构比较复杂， 各参数之间有严格的函数关系， 导致设计过程比较繁 所以实现麻花钻的参数化设计是一项有意义的工作 。 琐， UG 软件向用户提供了强大的二次开发工具集 UG / Open， 本文以 UG 6． 0 为平台， 基于 UG / Open GＲIP 二次开发工具， GＲIP ， 、 ， 利用 语言编写程序 实现麻花钻的参数化 交互性设计 自动建立麻花钻实 提高了麻花钻的设计效率与准确性 ， 并为麻花钻的切削性能分析、 钻削过程仿真和数控加工等 体模型， 工作提供了支持。
［5 ］ 钻头附加一个绕圆锥母线逆时针的旋转角度 ， 不但可以刃磨出 ， 合理的后刀面角度 而且可以有效避免翘尾现象的产生 。这样后刀
图2
螺旋槽实体的绘制
锥顶半角和旋转角度决定。 面的刃磨主要由参数锥顶距、 5］ 根据文献［ 的相关优化参数， 首先通过 GＲIP 语言编程 实现圆锥面轴线与母线的绘制， 在调用相关函数实现母线绕 轴线旋转生成圆锥面的操作， 旋转复制得到对侧圆锥面， 如 图 3 所示， 再调用实心体分割函数， 以圆锥面为边界切割螺 得到圆锥后刀面。 旋槽实体， 麻花钻有直柄麻花钻和锥柄麻花钻。 柄部设计不是本 在此不再详细叙述。 文重点， 绘制后刀面的部分代码如下： …… obj（ 2 ） = ＲEVSＲF / ln（ 16 ） ， AXIS， ln（ 17 ） ， － 30 ， 60 $ $ 回转生成圆锥 面 mat3 （ 1． ． 12 ） = MATＲIX / XYＲOT， 180 obj（ 2 ） obj（ 3 ） = TＲANSF / mat3 ， obj（ 4 ） = SPLIT / obj（ 1 ） ， WITH， obj（ 2 ） obj（ 5 ） = SPLIT / obj（ 4 ） ， WITH， obj（ 3 ） …… 2． 3 人机交互界面的设计 GＲIP 语言最大的特点在于其人机交互性能强 ， 只需要调用人机交互的函数就能实现与 UG 系统的
· 13·
陕西理工学院学报（ 自然科学版）
第 30 卷
交互界面， 在 UG 界面中调用* grx 可执行文件， 按照要求在 交互界面中输入相关参数， 自动生成的麻花钻实体模型如图 6 所示， 在模型的基础上可以进行后期实验研究 。
图5
GＲIP 开发环境界面
（ 2 ） 在 UG Open GＲIP 开发环境界面中， “ 4 ＞ Change Directory” ， 选择 输入目标文件地址， 如 D： \GＲIP； “ 1 ＞ Edit” 新建记事本文件创建或者选择 创建一个后缀为* ． grs 的文件， 即为源文件， 用 GＲIP 语言在源 “ 2 ＞ Compile” 文件中编写程序代码； 选择 对* ． grs 源文件进行编译， 注意错误的修改， 生成后缀为 * ． gri “ 3 ＞ Link” 的目标文件； 选择 链接生成后缀为* ． grx 的文件， 此文件为 UG 可以识别运行的可执行文件。 编译链接过程中， 如有错误则根据提示进行修改， 直至链接成功， 得到所需的* ． grx 可执行文件。 （ 3 ） 在 UG 界面菜单中选择 File→Execute UG / Open→Grip 调用， 选择链接成功* ． grx 文件就可以执 行。 以 Φ20 mm 直柄麻花钻为例， 按照麻花钻的建模过程和 GＲIP 语言规则， 编写 GＲIP 程序， 设计人机
2014 年 4 月 第 30 卷第 2 期
陕西理工学院学报（ 自然科学版）
Journal of Shaanxi University of Technology （ Natural Science Edition）
Apr． 2014 Vol． 30 No． 2
［ 1673 － 2944 （ 2014 ） 02 － 0010 － 05 文章编号］
3
GＲIP 程序的编译链接与执行
［7 ］ GＲIP 程序是在 UG 平台下编写的， 有其独特的开发工具 ， 必须经过编译链接， 生成可执行文件后
才能被 UG 系统调用运行， 具体实现过程如下： （ 1 ） 在系统开始菜单程序中选择 NX Tools → UG Open GＲIP， 调出 UG Open GＲIP 语言环境界面 “Grip Advanced Development Environment” ， 如图 5 所示。
具轴线与螺旋线为引导线， 自动螺旋生成刀具螺旋槽， 包括刃带部分的建模。 建模参数包括钻头半径、 半锥角、 螺旋角、 钻芯半径。 钻刃曲线方程如下
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$ $ 循环 控制精度
$ $ 创建点 $ $ 拟合曲线 形成钻刃曲线
ln（ 14 ） = SPLINE / APPＲOX， DELETE ， TOLEＲ， 0． 0001 ， ln（ 10． ． 11 ）
陕西理工学院学报（ 自然科学版）
第 30 卷
2． 2
后刀面的绘制
钻削过程中后刀面磨损最为严重 ，பைடு நூலகம்因此 ， 能否对麻花钻后 刀面进行合理刃磨对麻花钻的使用寿命有较大的影响。 本文麻花 钻后刀面的刃磨采用常用的锥面刃磨法 。刃磨参数包括偏距、 锥顶 距、 锥顶半角、 轴间角， 为方便在软件中建模， 对 4 个刃磨参数进行 为使主切削刃是直线刃， 偏距等于钻芯半径， 且锥顶半角和轴 转化， 间角角度之和为半锥角， 半锥角在绘制螺旋槽时已经设定， 只要知 道锥顶半角， 轴间角也就确定。 由于传统锥面刃磨法在刃磨参数选择不当时 ， 常常会出现后刀 面的翘尾现象， 所以在原有刃磨参数基础上， 新增一个刃磨参数： 让
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基于 GＲIP 的参数化设计方法
参数化设计是在模型构建过程中用参数变量来控制模型的几何尺寸和约束关系 ， 改变参数变量， 从 而实现达到驱动几何图形的目的 ， 对于提高企业产品的设计创新能力与竞争力具有非常重要的意义 。 UG / Open GＲIP 是 UG 二次开发工具集中的一个重要模块， 本文采用 GＲIP 语言编程实现参数化设计， ［1 ］ 它是 UG 的内嵌语言， 是一种图形交互式、 解释性的编程语言 ， 能够实现 UG 的绝大多数交互操作， 如 几何体模型建立、 装配创建和工程图绘制等功能。GＲIP 程序交互性能强， 在人机交互界面上， 输入相关 参数， 可以自动建立模型， 实现参数化设计， 过程如图 1 所示。
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基于 GＲIP 的麻花钻参数化建模
麻花钻的工作部分主要有螺旋槽和后刀面 。结合近些年对麻花钻建模过程的相关研究工作
［23 ］
， 本
1106 收稿日期： 201309 ） ； 陕西理工学院研究生创新基金资助项目 （ SLGYCX1316 ） 基金项目： 陕西省工业攻关项目（ 2009K07作者简介： 荆浩旗（ 1989 —） ， 男， 河南省郾城县人， 陕西理工学院硕士研究生 ， 主要研究方向为数字化制造技术和 CAD / CAM； ［ 通讯作者］ 白海清（ 1970 —） ， 男， 陕西省横山县人， 陕西理工学院教授， 硕士研究生导师， 主要研究方向为机械装 CAD / CAM。 备设计与制造、 · 10·
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r cosu + businu， {xy = = r sinu － bucosu，
c c
式中： r c 为钻芯半径； b = P ×
tanΦ ， P 为螺旋槽导程， Φ 为半锥角； u 为主切削刃 2π
图1
GＲIP 参数化 建模过程
Ｒ2 － r2 c 0 ≤u ≤ 槡 ， Ｒ 为钻头半径。 上点绕 z 轴旋转角度， b 首先采用 GＲIP 语言编程根据钻刃曲线方程绘制钻刃曲线， 然后调用相关函数创建出相关的点、 线、 面等实体， 再通过旋转复制等操作绘制螺旋槽横向截形 ； 绘制螺旋线、 刀具轴线等， 最后通过扫掠操 作创建出螺旋槽实体。 绘制螺旋槽的部分代码如下： …… $ $ 创建钻刃曲线 $ $ num = 0 b = Ｒ* （ sinf（ m） / cosf（ m） ） / （ sinf（ n） / cosf（ n） ） au = （ sqrtf（ Ｒ* Ｒ － rc* rc） ） / b DO / L20 ： ， i， 0， 1， 0． 001 bu = i* au cu = bu* 360 / （ 2* ＆pi） xt = rc* cosf（ cu） + b* bu* sinf（ cu） yt = rc* sinf（ cu） － b* bu* cosf（ cu） zt = 0 num = num + 1 pt（ num） = POINT / xt， yt， zt if / num ＜ = num1 ， L20 ： ln（ 1 ） = SPLINE / pt（ 1． ． num） DELETE / pt（ 1． ． num） …… ln（ 13 ） = LINE /0 ， 0， 0， 0， 0， － p* a $ $ 绘制刀具轴线 $ $ 逼近曲线 形成螺旋槽横向截形曲线 obj（ 1 ） = BSUＲF / SWPSＲF， TＲACＲV， ln（ 12． ． 13 ） ， GENCＲV， ln（ 14 ） $ $ 扫掠法形成 B曲面 形成螺旋槽实体 …… 运行程序， 得到的螺旋槽实体如图 2 所示。
人机交互界面
第2 期
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基于 UG / Open GＲIP 的麻花钻参数化设计
人机交互界面部分代码如下： …… L10 ： PAＲAM / ' 钻头设计参数' ， ' 钻头半径' ， Ｒ， ' 半锥角' ， m， n， ' 螺旋角' ， ' 钻芯半径' ， rc， resp jump / trm： ， trm： ， ， resp …… L50 ： PAＲAM / ' 后刀面刃磨参数' ， ' 锥顶半角' ， o， ' 锥顶距' ， L， v， resp ' 旋转角度' ， jump / trm： ， trm： ， ， resp …… 建模过程对麻花钻的相关参数进行了转化 ， 使实际加工参数能在建模过程中实现 ， 利用 GＲIP 语言 编程成功地实现了麻花钻的参数化建模 ， 避免了繁琐的三维建模过程， 并且设计人机交互界面， 方便设 得到所需麻花钻的准确模型。 计者改变相关参数， $ $ $ $ $
［6 ］
$ $ 旋转复制 $ $ 切割实体
图3
圆锥面的绘制
完成人机交互操作 。设计者根据需求， 在交互界面中输入相关参数就可达到实现自动建模的 对话， 设计了两个人机交互界面， 效果图见图 4 。 目的。本文根据麻花钻的建模过程，
（ a） 钻头设计参数对话框
（ b） 后刀面刃磨参数对话框
图4
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第2 期
荆浩旗， 白海清， 王春月， 等
基于 UG / Open GＲIP 的麻花钻参数化设计
文采用 GＲIP 语言编程的麻花钻的建模过程主要分为以下几个步骤 。 2． 1 螺旋槽的绘制 麻花钻的螺旋槽曲面有容纳和排屑的作用 ， 故螺旋槽的设计关系到加工过 程中的排屑、 散热、 冷却等直接影响加工质量的问题。 螺旋槽的绘制首先要编
基于 UG / Open GＲIP 的麻花钻参数化设计
荆浩旗， 白海清， 王春月， 杨
（ 陕西理工学院 机械工程学院 ，陕西 汉中 723003 ）
柳
［ 摘 要］ 针对麻花钻设计中 繁 琐 的 建 模 过 程 的 问 题， 采 用 UG 二 次 开 发 工 具 UG / Open GＲIP 解决了麻花钻的螺旋槽、 后刀面建模的 GＲIP 语言编程问题， 开发成功麻花钻参数化建 模程序， 设计了交互性界面， 实现了麻花钻的参数化、 交互性设计， 提高了麻花钻三维实体模型 的设计效率与准确性， 并为麻花钻的后续分析和仿真等研究工作提供了支持 。 ［ 关 键 词］ 二次开发； GＲIP； ［ 中图分类号］ TG713 ； TP39 麻花钻； 参数化设计 ［ 文献标识码］ A
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引
言
在现代机械加工中， 尤其在孔加工占重要比重的汽车与航空等制造业中 ， 麻花钻的钻削加工是应用 广泛的加工方式之一。由于麻花钻结构比较复杂， 各参数之间有严格的函数关系， 导致设计过程比较繁 所以实现麻花钻的参数化设计是一项有意义的工作 。 琐， UG 软件向用户提供了强大的二次开发工具集 UG / Open， 本文以 UG 6． 0 为平台， 基于 UG / Open GＲIP 二次开发工具， GＲIP ， 、 ， 利用 语言编写程序 实现麻花钻的参数化 交互性设计 自动建立麻花钻实 提高了麻花钻的设计效率与准确性 ， 并为麻花钻的切削性能分析、 钻削过程仿真和数控加工等 体模型， 工作提供了支持。
［5 ］ 钻头附加一个绕圆锥母线逆时针的旋转角度 ， 不但可以刃磨出 ， 合理的后刀面角度 而且可以有效避免翘尾现象的产生 。这样后刀
图2
螺旋槽实体的绘制
锥顶半角和旋转角度决定。 面的刃磨主要由参数锥顶距、 5］ 根据文献［ 的相关优化参数， 首先通过 GＲIP 语言编程 实现圆锥面轴线与母线的绘制， 在调用相关函数实现母线绕 轴线旋转生成圆锥面的操作， 旋转复制得到对侧圆锥面， 如 图 3 所示， 再调用实心体分割函数， 以圆锥面为边界切割螺 得到圆锥后刀面。 旋槽实体， 麻花钻有直柄麻花钻和锥柄麻花钻。 柄部设计不是本 在此不再详细叙述。 文重点， 绘制后刀面的部分代码如下： …… obj（ 2 ） = ＲEVSＲF / ln（ 16 ） ， AXIS， ln（ 17 ） ， － 30 ， 60 $ $ 回转生成圆锥 面 mat3 （ 1． ． 12 ） = MATＲIX / XYＲOT， 180 obj（ 2 ） obj（ 3 ） = TＲANSF / mat3 ， obj（ 4 ） = SPLIT / obj（ 1 ） ， WITH， obj（ 2 ） obj（ 5 ） = SPLIT / obj（ 4 ） ， WITH， obj（ 3 ） …… 2． 3 人机交互界面的设计 GＲIP 语言最大的特点在于其人机交互性能强 ， 只需要调用人机交互的函数就能实现与 UG 系统的
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陕西理工学院学报（ 自然科学版）
第 30 卷
交互界面， 在 UG 界面中调用* grx 可执行文件， 按照要求在 交互界面中输入相关参数， 自动生成的麻花钻实体模型如图 6 所示， 在模型的基础上可以进行后期实验研究 。
图5
GＲIP 开发环境界面
（ 2 ） 在 UG Open GＲIP 开发环境界面中， “ 4 ＞ Change Directory” ， 选择 输入目标文件地址， 如 D： \GＲIP； “ 1 ＞ Edit” 新建记事本文件创建或者选择 创建一个后缀为* ． grs 的文件， 即为源文件， 用 GＲIP 语言在源 “ 2 ＞ Compile” 文件中编写程序代码； 选择 对* ． grs 源文件进行编译， 注意错误的修改， 生成后缀为 * ． gri “ 3 ＞ Link” 的目标文件； 选择 链接生成后缀为* ． grx 的文件， 此文件为 UG 可以识别运行的可执行文件。 编译链接过程中， 如有错误则根据提示进行修改， 直至链接成功， 得到所需的* ． grx 可执行文件。 （ 3 ） 在 UG 界面菜单中选择 File→Execute UG / Open→Grip 调用， 选择链接成功* ． grx 文件就可以执 行。 以 Φ20 mm 直柄麻花钻为例， 按照麻花钻的建模过程和 GＲIP 语言规则， 编写 GＲIP 程序， 设计人机
2014 年 4 月 第 30 卷第 2 期
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［ 1673 － 2944 （ 2014 ） 02 － 0010 － 05 文章编号］
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GＲIP 程序的编译链接与执行
［7 ］ GＲIP 程序是在 UG 平台下编写的， 有其独特的开发工具 ， 必须经过编译链接， 生成可执行文件后
才能被 UG 系统调用运行， 具体实现过程如下： （ 1 ） 在系统开始菜单程序中选择 NX Tools → UG Open GＲIP， 调出 UG Open GＲIP 语言环境界面 “Grip Advanced Development Environment” ， 如图 5 所示。