荊浩旗， 白海清， 王春月， 楊 柳

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723003)

0 引 言

在現(xiàn)代機(jī)械加工中，尤其在孔加工占重要比重的汽車(chē)與航空等制造業(yè)中，麻花鉆的鉆削加工是應(yīng)用廣泛的加工方式之一。由于麻花鉆結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各參數(shù)之間有嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程比較繁瑣，所以實(shí)現(xiàn)麻花鉆的參數(shù)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)有意義的工作。

UG軟件向用戶(hù)提供了強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)工具集UG/Open，本文以UG 6.0為平臺(tái)，基于UG/Open GRIP二次開(kāi)發(fā)工具，利用GRIP語(yǔ)言編寫(xiě)程序,實(shí)現(xiàn)麻花鉆的參數(shù)化、交互性設(shè)計(jì)，自動(dòng)建立麻花鉆實(shí)體模型，提高了麻花鉆的設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性，并為麻花鉆的切削性能分析、鉆削過(guò)程仿真和數(shù)控加工等工作提供了支持。

1 基于GRIP的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

參數(shù)化設(shè)計(jì)是在模型構(gòu)建過(guò)程中用參數(shù)變量來(lái)控制模型的幾何尺寸和約束關(guān)系，改變參數(shù)變量，從而實(shí)現(xiàn)達(dá)到驅(qū)動(dòng)幾何圖形的目的，對(duì)于提高企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力與競(jìng)爭(zhēng)力具有非常重要的意義。UG/Open GRIP是UG二次開(kāi)發(fā)工具集中的一個(gè)重要模塊，本文采用GRIP語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，它是UG的內(nèi)嵌語(yǔ)言，是一種圖形交互式、解釋性的編程語(yǔ)言[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)UG的絕大多數(shù)交互操作，如幾何體模型建立、裝配創(chuàng)建和工程圖繪制等功能。GRIP程序交互性能強(qiáng)，在人機(jī)交互界面上，輸入相關(guān)參數(shù)，可以自動(dòng)建立模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，過(guò)程如圖1所示。

圖1 GRIP參數(shù)化 建模過(guò)程

2 基于GRIP的麻花鉆參數(shù)化建模

麻花鉆的工作部分主要有螺旋槽和后刀面。結(jié)合近些年對(duì)麻花鉆建模過(guò)程的相關(guān)研究工作[2-3]，本文采用GRIP語(yǔ)言編程的麻花鉆的建模過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟。

2.1 螺旋槽的繪制

麻花鉆的螺旋槽曲面有容納和排屑的作用，故螺旋槽的設(shè)計(jì)關(guān)系到加工過(guò)程中的排屑、散熱、冷卻等直接影響加工質(zhì)量的問(wèn)題。螺旋槽的繪制首先要編程實(shí)現(xiàn)麻花鉆螺旋槽橫向截形的繪制，包括鉆刃曲線(xiàn)[4]、刃帶部分曲線(xiàn)等的繪制；再繪制螺旋線(xiàn)、刀具軸線(xiàn)等；最后以螺旋槽橫向截形為掃掠曲線(xiàn)，分別以刀具軸線(xiàn)與螺旋線(xiàn)為引導(dǎo)線(xiàn)，自動(dòng)螺旋生成刀具螺旋槽，包括刃帶部分的建模。建模參數(shù)包括鉆頭半徑、半錐角、螺旋角、鉆芯半徑。

鉆刃曲線(xiàn)方程如下[4]：

首先采用GRIP語(yǔ)言編程根據(jù)鉆刃曲線(xiàn)方程繪制鉆刃曲線(xiàn)，然后調(diào)用相關(guān)函數(shù)創(chuàng)建出相關(guān)的點(diǎn)、線(xiàn)、面等實(shí)體，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)復(fù)制等操作繪制螺旋槽橫向截形；繪制螺旋線(xiàn)、刀具軸線(xiàn)等，最后通過(guò)掃掠操作創(chuàng)建出螺旋槽實(shí)體。

繪制螺旋槽的部分代碼如下：

……

$$ 創(chuàng)建鉆刃曲線(xiàn) $$

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 $$循環(huán) 控制精度

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

if/num<=num1,pt(num)=POINT/xt,yt,zt $$創(chuàng)建點(diǎn)

L20:

ln(1)=SPLINE/pt(1..num) $$擬合曲線(xiàn) 形成鉆刃曲線(xiàn)

DELETE/pt(1..num)

……

ln(13)=LINE/0,0,0,0,0,-p*a $$繪制刀具軸線(xiàn)

ln(14)=SPLINE/APPROX,DELETE,TOLER,0.0001,ln(10..11)

$$逼近曲線(xiàn) 形成螺旋槽橫向截形曲線(xiàn)

obj(1)=BSURF/SWPSRF,TRACRV,ln(12..13),GENCRV,ln(14)

$$掃掠法形成B-曲面 形成螺旋槽實(shí)體

……

運(yùn)行程序，得到的螺旋槽實(shí)體如圖2所示。

圖2 螺旋槽實(shí)體的繪制

圖3 圓錐面的繪制

2.2 后刀面的繪制

鉆削過(guò)程中后刀面磨損最為嚴(yán)重，因此，能否對(duì)麻花鉆后刀面進(jìn)行合理刃磨對(duì)麻花鉆的使用壽命有較大的影響。本文麻花鉆后刀面的刃磨采用常用的錐面刃磨法。刃磨參數(shù)包括偏距、錐頂距、錐頂半角、軸間角，為方便在軟件中建模，對(duì)4個(gè)刃磨參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為使主切削刃是直線(xiàn)刃，偏距等于鉆芯半徑，且錐頂半角和軸間角角度之和為半錐角，半錐角在繪制螺旋槽時(shí)已經(jīng)設(shè)定，只要知道錐頂半角，軸間角也就確定。

由于傳統(tǒng)錐面刃磨法在刃磨參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)后刀面的翹尾現(xiàn)象，所以在原有刃磨參數(shù)基礎(chǔ)上，新增一個(gè)刃磨參數(shù)：讓鉆頭附加一個(gè)繞圓錐母線(xiàn)逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)角度[5]，不但可以刃磨出合理的后刀面角度，而且可以有效避免翹尾現(xiàn)象的產(chǎn)生。這樣后刀面的刃磨主要由參數(shù)錐頂距、錐頂半角和旋轉(zhuǎn)角度決定。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的相關(guān)優(yōu)化參數(shù)，首先通過(guò)GRIP語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)圓錐面軸線(xiàn)與母線(xiàn)的繪制，在調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)生成圓錐面的操作，旋轉(zhuǎn)復(fù)制得到對(duì)側(cè)圓錐面，如圖3所示，再調(diào)用實(shí)心體分割函數(shù)，以圓錐面為邊界切割螺旋槽實(shí)體，得到圓錐后刀面。

麻花鉆有直柄麻花鉆和錐柄麻花鉆。柄部設(shè)計(jì)不是本文重點(diǎn)，在此不再詳細(xì)敘述。

繪制后刀面的部分代碼如下：

……

obj(2)=REVSRF/ln(16),AXIS,ln(17),-30,60

$$回轉(zhuǎn)生成圓錐面

mat3(1..12)=MATRIX/XYROT,180

obj(3)=TRANSF/mat3,obj(2) $$旋轉(zhuǎn)復(fù)制

obj(4)=SPLIT/obj(1),WITH,obj(2)

obj(5)=SPLIT/obj(4),WITH,obj(3) $$切割實(shí)體

……

2.3 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)

GRIP語(yǔ)言最大的特點(diǎn)在于其人機(jī)交互性能強(qiáng)，只需要調(diào)用人機(jī)交互的函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)與UG系統(tǒng)的對(duì)話(huà)，完成人機(jī)交互操作[6]。設(shè)計(jì)者根據(jù)需求，在交互界面中輸入相關(guān)參數(shù)就可達(dá)到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模的目的。本文根據(jù)麻花鉆的建模過(guò)程，設(shè)計(jì)了兩個(gè)人機(jī)交互界面，效果圖見(jiàn)圖4。

(a)鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)話(huà)框 (b)后刀面刃磨參數(shù)對(duì)話(huà)框圖4 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面部分代碼如下：

……

L10:

PARAM/′鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)′,′鉆頭半徑′,R, $

′半錐角′,m, $

′螺旋角′,n, $

′鉆芯半徑′,rc,resp

jump/trm:,trm:,,resp

……

L50:

PARAM/′后刀面刃磨參數(shù)′,′錐頂半角′,o, $

′錐頂距′,L, $

′旋轉(zhuǎn)角度′,v,resp

jump/trm:,trm:,,resp

……

建模過(guò)程對(duì)麻花鉆的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，使實(shí)際加工參數(shù)能在建模過(guò)程中實(shí)現(xiàn)，利用GRIP語(yǔ)言編程成功地實(shí)現(xiàn)了麻花鉆的參數(shù)化建模，避免了繁瑣的三維建模過(guò)程，并且設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，方便設(shè)計(jì)者改變相關(guān)參數(shù)，得到所需麻花鉆的準(zhǔn)確模型。

3 GRIP程序的編譯鏈接與執(zhí)行

GRIP程序是在UG平臺(tái)下編寫(xiě)的，有其獨(dú)特的開(kāi)發(fā)工具[7]，必須經(jīng)過(guò)編譯鏈接，生成可執(zhí)行文件后才能被UG系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)行,具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)在系統(tǒng)開(kāi)始菜單程序中選擇NX Tools→UG Open GRIP，調(diào)出UG Open GRIP語(yǔ)言環(huán)境界面“Grip Advanced Development Environment”，如圖5所示。

圖5 GRIP開(kāi)發(fā)環(huán)境界面

(2)在UG Open GRIP開(kāi)發(fā)環(huán)境界面中，選擇“4>Change Directory”，輸入目標(biāo)文件地址，如D:GRIP；

圖6 麻花鉆實(shí)體模型

新建記事本文件創(chuàng)建或者選擇“1>Edit”創(chuàng)建一個(gè)后綴為*.grs的文件，即為源文件，用GRIP語(yǔ)言在源文件中編寫(xiě)程序代碼；選擇“2>Compile”對(duì)*.grs源文件進(jìn)行編譯，注意錯(cuò)誤的修改，生成后綴為*.gri的目標(biāo)文件；選擇“3>Link”鏈接生成后綴為*.grx的文件，此文件為UG可以識(shí)別運(yùn)行的可執(zhí)行文件。編譯鏈接過(guò)程中，如有錯(cuò)誤則根據(jù)提示進(jìn)行修改，直至鏈接成功，得到所需的*.grx可執(zhí)行文件。

(3)在UG界面菜單中選擇File→Execute UG/Open→Grip調(diào)用，選擇鏈接成功*.grx文件就可以執(zhí)行。

以Φ20 mm直柄麻花鉆為例，按照麻花鉆的建模過(guò)程和GRIP語(yǔ)言規(guī)則，編寫(xiě)GRIP程序，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，在UG界面中調(diào)用*grx可執(zhí)行文件，按照要求在交互界面中輸入相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)生成的麻花鉆實(shí)體模型如圖6所示，在模型的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用UG/Open GRIP的三維建模和人機(jī)交互功能，用GRIP語(yǔ)言編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)麻花鉆的螺旋槽、后刀面建模，設(shè)計(jì)了交互式界面，在人機(jī)交互界面中輸入相關(guān)參數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)麻花鉆的自動(dòng)化建模，大大縮短了麻花鉆的設(shè)計(jì)周期，避免了繁瑣的建模過(guò)程，提高了麻花鉆的設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性，節(jié)約成本，同時(shí)為后期麻花鉆的機(jī)構(gòu)仿真、鉆削過(guò)程仿真與分析、有限元分析和數(shù)控加工等提供了支持。

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