立铣刀三维参数化设计系统研发论文(PDF 84页）.pdf

国内图书分类号 T H l 6 1 国际图书分类号 6 2 1 西南交通大学 研究生学位论文 年 姓 二零一一年五月二十日 密级 公开 C l a s s i f i e dI n d e x T H161 U D C 6 2 1 S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y M a s t e r D e g r e eT h e s i s R E S E A R C HO N3 DP A R A M E T R I CD E S I G N S Y S T E MO FT H EE N DM I L L G r a d e 2 0 0 8 C a n d i d a t e M iR o n g A c a d e m i cD e g r e e A p p l i e df o r M a s t e ro fE n g i n e e r i n g S p e c i a l i t y M e c h a n i c a lM a n u f a c t u r e A u t o m a t i o n S u p e r v i s o r P r o f D i n gG u o f u M a y 2 0 2 0 11 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密西使用本授权书 i f f 在以上方框内打 r 学位论文作者签名 咪兽 指导老师签名 日期 2 驯 b 回 日期 z 口J 名 弓 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 建立5 大类铣刀通用毛坯体数学模型 通用刃线数学模型以及通用螺旋槽端面 截形数学模型 并推导了螺旋沟槽法面截形到端面截形的转化方程 2 研究5 大类立铣刀实体毛坯 柱齿 球齿 端齿 过渡齿以及其它细节的参数 化建模方法并基于V B 进行C A T I A 二次开发实现 3 开发5 大类立铣刀三维参数化设计系统 由给定设计参数 系统自动生成满足 所有参数要求的5 大类立铣刀三维实体模型 应用实例进行立铣刀三维模型参数准确性 加工可行性和参数化设计系统可靠性的测试验证 5 大类铣刀 球头立铣刀 普通立铣刀 数控立铣刀 高速立铣刀以及插铣刀 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的 研究成果 对论文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确的说明 本人完 全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 眷落 日期 2 4 1 反五 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 于两要 立铣刀作为外形复杂的回转类型刀具 与数控机床或加工中心配合可以实现高效 率 高质量的加工 其在航空航天 汽车 船舶制造工业等制造领域应用广泛 研究有 关立铣刀设计理论 综合各种先进设计方法和技术 并建立其计算机辅助设计系统 不 但能降低立铣刀设计成本 缩短设计周期 也将带动我国刀具设计向数字化 柔性化 自动化方向发展 本文对立铣刀进行参数化建模基础上 利用V B 通过O L EA u t o m a t i o n 技术对C A T L A 进行二次开发 研发了一套立铣刀三维参数化设计系统 论文主要研究工作如下 1 建立五大类立铣刀的通用数学模型 构造了涵盖圆柱面 圆锥面 圆环面以及 球面等常用立铣刀回转面及其组合的毛坯曲面通用数学模型 建立回转面上等螺旋角刀 刃曲线模型并推导其在柱面和球面上的参数方程 设计并计算出立铣刀两种柱齿螺旋槽 端面截形并给出螺旋槽法面截形到端面截形的转化方程 2 通过V B 编程操作C A T L A 实体 线框曲面对象及属性 进行立铣刀参数化建模 在分析五大类立铣刀结构特征不同基础上 将其归结为平头立铣刀与球头立铣刀两大类 并分别设计其参数化实体建模流程 利用程序描述立铣刀通用数学模型 在C A T L A 中自 动生成两大类立铣刀的毛坯及柱齿 并在其基础上研究了球齿 端齿 过渡齿以及其它 细节的实体参数化建模方法并编程实现 3 立铣刀三维参数化设计系统设计 分析系统功能基础上制定系统参数化设计流 程 建立立铣刀的结构参数推理知识库 用户只需输入合理刀具设计参数 系统即可自 动生成满足所有参数要求的立铣刀三维实体模型 以四齿直柄数控立铣刀为例对设计模 型的参数准确性 系统参数化建模可靠性进行了测试验证 并将设计结果于V e f i e u t 中进 行加工仿真以验证其加工可行性 本文研发的系统实现了立铣刀设计计算与可视化的统一 自动生成的满足所有合理 设计参数的立铣刀三维实体模型 能为刀具C N C 磨削参数的确定提供依据 也可为刀 具加工仿真 检测提供支持 本文首次对多种类型立铣刀进行系统的分析 研究得出适 用于多种类型立铣刀的通用数学模型与三维参数化建模方法 并开发出立铣刀三维参数 化设计系统 对相关领域的刀具设计具有借鉴和推广意义 关键词 立铣刀 C A T L A 二次开发 数学模型 参数化建模 系统设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第l I 页 A b s t r a c t A st h ec o m p l e xr o t a r ys h a p e dc u t t i n gt o o l s e n dm i l lc o o r d i n a t e l i mn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n eo rm a c h i n i n gc e n t e rc a l la c h i e v eh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hq u a l i t yp r o c e s s i n g I t S w i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s a u t o m o b i l e s h i p b u i l d i n ga n do t h e r m a n u f a c t u r i n g R e s e a r c h i n gt h ed e s i g nt h e o r yo fe n dm i l l s y n t h e s i z i n gv a r i o u sa d v a n c e d d e s i g nm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sa n dt h e ne s t a b l i s h i n ga ne n dm i l lc o m p u t e ra i d e dd e s i g n s y s t e mw i l ln o to n l y r e d u c ed e s i g nc o s ta n ds h o r t e nd e s i g nc y c l e b u ta l s od r i v et h et o o ld e s i g n o fo u rc o u n t r yt ot h ed i g i t a lf l e x i b l ea u t o m a t i o nd i r e c t i o n U s i n gV B t oc a r r yo nt h es e c o n d d e v e l o p m e n tt oC A T I A t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dd e v e l o pa3 D p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mt h a ta p p l i e st o5t y p e so fe n dm i l l T h em a i nw o r k sa sf o l l o w s 1 S o m eg e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o r5t y p e so fe n dm i l lw e r ep r o p o s e d T h eg e n e r a l m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l a n ks u r f a c ec o n t a i n sc y l i n d e r c o n e t o u r s s p h e r ea n dm e i r c o m b i n a t i o nW a sc o n s t r u c t e d M a t h e m a t i cm o d e lo ft h eE q u a lh e l i xa n g l ee d g ec u r v eo nt h e s u r f a c eo fr e v o l u t i o nW a sb u i l ta n dt h e nt h ep a r a m e t e re q u a t i o no ft h ee q u a lh e l i xe d g eo nt h e c y l i n d e ra n db a l lw a sd 商v e d T w ok i n d so fs p i r a lg r o o v ec r o s ss e c t i o nw e r ed e s i g n e da n d c a l c u l a t e da n dt h es p i r a lg r o o v en o r m a ls e c t i o nt oC R O S Ss e c t i o nt r a n s f o r m a t i o ne q u a t i o nW a s d 缸v e d 一 2 M a n i p u l a t et h eb o d i e sa n dh y b r i d b o d i e so fC A T I Ab yV B t oc o n d u c tp a r a m e t r i cm o d e l i n g B a s e do na n a l y s i s5t y p e so fe n dm i l ld i f f e r e n ts t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c a t t r i b u t e dt h e mt o f l a t e n dm i l la n db a l l e n dm i l la n dt h e nt w op a r a m e t r i cm o d e l i n gp r o c e s s e sw e r ed e s i g n e d r e s p e c t i v e l y D e s c r i b i n gt h eg e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e l sb yV Bp r o g r a m st og e n e r a t et h e b l a n kb o d ya n dc y l i n d e r t o o t ha u t o m a t i c a l l yi nC A T I A a n dt h e nt h ep a r a m e t r i cm o d e l i n g m e t h o d sa b o u ts p h e r e t o o t h t h ee n d t o o t h t r a n s i t i o n t o o t ha n do t h e rd e t a i l sw e r er e s e a r c h e d a n dp r o g r a m m e dt oa c h i e v et h ep a r a m e t r i cm o d e l i n go f t h e5t y p e so f e n dm i l l 3 3 Dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo fe n dm i l lw a sb u i l t D e s i g np r o c e s sW a sd e v e l o p e db a s e do n t h es y s t e mf u n c t i o n Ak n o w l e d g eb a s ew a sb u i l tt oo b t a i nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ee n d m i l lb yi n f e r e n c e O n l yr e a s o n a b l ed e s i g np a r a m e t e r sn e e dt oi n p u tf o rU s e r s 3 Ds o l i dm o d e l f i t t i n ga l lp a r a m e t e r sc a nb eg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l y A st h eC N C e n dm i l lw i t hf o u rt o o t h e sa n e x a m p l e t h ea c e u r a c yo f t h e3 Ds o l i dm o d e la n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mw e r ep r o v e d A t t h es a l l l et i m e 3 Ds o l i dm o d e lg e n e r a t e db yd e s i g ns y s t e ma n dt h em o d a lg e n e r a t e db y m a c h i n i n gs i m u l a t i o nw e r ec o m p a r e d T h es y s t e md e v e l o p e di nt h i sp a p e rr e a l i z e st h eu n i f i c a t i o no ft h ed e s i g na n dv i s u a l i z a t i o no f e n dm i l l T h ea c c u r a t e3 Dm o d e lg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l yC a np r o v i d es o m ea d v i c e st o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 fI 页 d e t e r m i n ep a r a m e t e r sf o rC N Cg r i n d i n ga n ds u p p o r t st om a c h i n i n gs i m u l a t I ti st h ef i r s tt i m e t oa n a l y z ev a r i o u st y p e so fe n dm i l l a n dt h e nt oe s t a b l i s hg e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dt o r e s e a r c hm e t h o d sf o r3 Dp a r a m e t r i cm o d e l i n g a f t e rt h e s e t ob u i l d3 Dp a r a m e t r i cd e s i g n s y s t e m w h i c hh a v eg o o di n s p i r a t i o na n dd i r e c t i o ns i g n i f i c a n c ef o rt h ed e s i g no f r e l a t e dt o o l s K e yw o r d s E n dM i l l t h eS e c o n d D e v e l o p m e n tt oC A T I A M a t h e m a t i cM o d e l P a r a m e t r i c M o d e l i n g S y s t e mD e s i g n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 V 页 章绪论 目录 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 1 课题来源 1 1 1 2 课题研究意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 立铣刀数学模型的研究 2 1 2 2 立铣刀三维参数化建模的研究 3 1 2 3 立铣刀C A D 系统的研究 3 1 2 4 目前立铣刀参数化设计研发中存在的问题 4 1 3 课题主要研究内容 4 1 4 系统开发工具 5 1 4 1C A T I A 简介 5 1 4 2 基于C A T I A 的二次开发技术 5 1 5 本章小结 7 章立铣刀通用数学建模 8 2 1 概述 8 2 2 毛坯体通用数学建模 9 2 3 刃线通用数学建模 1 3 2 4 螺旋槽截形通用数学建模 1 6 2 4 1 端面截形数学建模 18 2 4 2 法面截形数学建模 2 3 2 5 本章小结 2 7 第3 章立铣刀参数化建模 3 1 概j 苤 2 8 3 2 平头立铣刀 3 0 3 2 1 创建平头立铣刀毛坯体 3 0 3 2 2 创建平头立铣刀刃线 3 l 3 2 3 创建平头立铣刀柱齿与退刀槽 3 3 3 2 4 创建平头立铣刀端齿与圆弧齿 3 6 3 2 5 创建平头立铣刀其它细节 3 9 3 3 球头立铣刀 一4 0 3 3 1 创建球头立铣刀毛坯体 螺旋刃线 柱齿及退刀槽 4 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第V 页 3 3 2 创建球头立铣刀球齿 4 1 3 4 本章小结 4 5 第4 章立铣刀三维参数化设计系统开发 4 6 4 1 系统描述 4 6 4 2 系统设计 4 7 4 2 1 检索与查看刀具 4 8 4 2 2 输入 修改设计参数 5 0 4 2 3 推理结构参数 5 1 4 2 4 调整结构参数 5 3 4 2 5 数据计算 建模准备 5 5 4 2 6 模型自动生成 5 6 4 2 7 模型查看和保存 5 6 4 3 系统验证 5 8 4 3 1 三维模型参数准确性验证 5 8 4 3 2 参数化建模可靠性验证 5 9 4 3 3 设计模型加工可行性验证 6 0 4 4 本章小结 6 3 结 论 6 z I 致谢 参考文献 6 6 附录1 立铣刀参数表 7 0 附录2 立铣刀三维模型实例 部分 攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于成都飞机工业 集团 有限公司项目 基于制造仿真的立铣刀三维参数 化设计系统 项目旨在开发一套在C A T I AV 5R 1 8 平台下的基于制造仿真的立铣刀三维 参数化设计与仿真系统 本论文侧重进行该项目的核心模块 立铣刀三维参数化设计 子系统的研发 以设计参数推理出结构参数基础上实现5 大类立铣刀三维实体模型的自 动设计 1 1 2 课题研究意义 高速铣削加工是一个综合应用高速加工机床 高速加工工艺以及高速加工刀具的综 合工艺系统 其中刀具是制约高速铣削效率和加工质量的最关键影响因素之一 且高速 铣削本身也对刀具提出了更高的要求 如动平衡性好 材料先进 圆度误差最小 安全 易排屑 多刃切削过程平稳等 l 随着铝合金 钛合金整体薄壁结构零件在现代航空工 业中大量使用 整体硬质合金立铣刀作为加工铝合金的最重要工具 其加工量约占航空 航天企业中铝合金材料总加工量的8 0 一9 0 因而研究立铣刀的设计和制造技术对航空 航天企业具有重大而深远的意义 目前我国航空企业所用的整体硬质合金立铣刀主要的来源有两个方面 其一是直接 从国外购买 其二为企业自行设计制造 由于立铣刀属于易耗品 国外购买的刀具价格 高 造成生产成本高 而且整个生产活动的顺利进行也势必受制于人 其二是自行设计 制造 由于国内在硬质合金立铣刀结构设计 制造工艺上与国外先进技术还存在较大差 距 因此 目前国内整体硬质合金立铣刀的生产基本依赖于W a l t e r 萨克等外国的数控 刀具磨床 虽然表面上企业具有了设计制造复杂硬质合金刀具的能力 但从长远来看 企业 甚至于刀具制造行业并未真正掌握现代 先进的硬质合金立铣刀设计制造技术 不利于企业的刀具技术发展和进步 对具有复杂形状的立铣刀的三维参数化设计 可以生成精确的满足设计要求的立铣 刀三维实体模型 使设计结果更直观 也为刀具的C N C 磨削提供切削过程参数的计算依 据 立铣刀的制造加工仿真 对保证数控程序的正确性和优化加工参数有重要作用 其 目的在于通过计算机仿真真实再现数控加工宏观过程和微观过程 使数控机床的操作者 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 能在加工工件前及时发现机床操作的错误 数控程序的不足和错误 避免损坏刀具 工件 机床以及出现不合格的产品 其为优化m I 参数 提高效率 保证产品质量提供了依据 2 因此 对立铣刀结构设计及制造仿真技术进行研究 形成完整的基于制造仿真的立铣刀 三维参数化设计系统 能保证刀具设计一次成功 降低企业生产过程中的刀具成本 缩 短刀具准备 研制和生产周期 对提高我国航空企业和刀具制造企业的刀具设计制造技 术具有重要的应用 推广价值 1 2 国内外研究现状 复杂形状的立铣刀的设计一向是刀具设计领域的难点 其外轮廓面都属于数学曲 面 都有相应的数学表达式相关联 因此立铣刀的设计过程中需要对曲线曲面理论进行 较深入的研究 随着计算机技术的发展 高效能计算机和功能强大的软件系统能够容易 地完成复杂曲面的数学计算 以进行立铣刀三维造型与加工仿真的模拟 这些就使得刀 具设计向更先进方向发展 3 因此国内外对立铣刀的研究主要集中在立铣刀精确外形轮 廓数学模型的描述 立铣刀三维参数化建模以及将C A D C A M 应用与立铣刀的设计和制造 过程 以提高设计效率和设计水平 1 2 1 立铣刀数学模型的研究 螺旋线螺旋面理论在刀具设计中的应用 使得立铣刀设计中复杂外轮廓曲面的描述 变得容易实现 便于设计者应用数学理论指导刀具设计 3 螺旋曲面都是由螺旋刃线与 螺旋沟槽扫描完成 目前国内外对立铣刀刃形曲线 刀槽的数学模型研究如下 1 螺旋刃线的设计 铣刀的螺旋刃线为铣刀的前 后刀面和刀具的回转外轮廓的交 线 一般螺旋刀具的刃线根据性能要求采用等导程或等螺旋角螺旋线 4 柳克辛等 5 论 述了常规螺旋线 线形螺旋面和圆螺旋面的几何方程 对于其他复杂回转曲面上的螺旋 线和螺旋面的几何问题则没有讨论 龚智辉等 6 根据作螺旋运动的点的切向速度与回转 体母线的夹角建立了广义螺旋角模型 定义了在各种回转面上的螺旋线的模型 何耀雄 7 提出了复杂回转刀具广义螺旋线模型 并讨论了各种运动规律下刃形曲线的通用数学 模型 何耀雄 周云飞等 7 导出了球头螺旋线方程式 并解决了球头立铣刀顶部平面刀 刃曲线与螺旋刃的光滑连接问题 杨旭静 8 以正交螺旋线作为立铣刀球头部分的S 形刀 刃曲线 2 螺旋槽的设计 在螺旋刀具结构中 螺旋槽直接关系到刀具的寿命和加工精度 许多刀具企业都为螺旋槽的合理设计进行了大量的研究 4 刘井玉等 9 提出了螺旋槽端 面截形的设计方法 并就立铣刀螺旋槽端面截形 法面截形设计进行了对比分析 孙春 华等 l o 提出了根据立铣刀刃线方程和螺旋槽的端截面和法截面方程 通过活动标架的坐 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 标变换计算螺旋槽的曲面方程的模型 该模型主要用于根据槽形设计砂轮外轮廓的逆向 设计中 w d Y ae h e n 等 l l 研究了用成型铣刀加工铣刀螺旋槽的方法 并进行了成型铣刀 加工出的螺旋槽与实际设计螺旋槽的误差分析 S K K A N G 1 2 进行了螺旋槽正向设计和 逆向设计以及两者之间的误差分析 但并没有给出设计中出现的非线性数学问题的求解 方法 鲍青山等 1 3 提出以螺旋槽形设计成形砂轮外轮廓的原理 通过中点线法几何优化 模型磨制螺旋面 吕彦朋 1 4 等使用U G 二次开发工具U GO P E NG R I P 采用砂轮与铣刀工件 的相对运动并进行布尔计算建立铣刀的螺旋槽模型 该模型受到运动步长的影响 实体 表面会产生锯齿结构 耿彤 I S 利用P R O E 进行螺旋槽成形铣刀的设计 以该软件的三维 绘图功能采用作图法绘出砂轮的一系列截圆从而包络出铣刀的螺旋槽形 但该方法工作 量大且有较大误差 1 2 2 立铣刀三维参数化建模的研究 参数化建模是用几何约束 数学方程与关系来说明产品模型的形状特征 通过改变 参数尺寸的值自动实现产品实体模型的建立与重构 它适用于结构特征固定不变的系列 化 通用化和标准化的定型产品 以避免大量的重复工作 提高设计生产效率 1 6 1 目前 为止对立铣刀三维参数化建模的研究有 李洪德 l7 等在P R O E 中分别绘制出刀具刃部和 刀体 然后采用混合特征将两者混成一体 生成立铣刀实体模型 邓远超 16 在 S o l i d W o r k s 2 0 0 8 直接搭建铣刀模型 再应用V C 编辑参数输入界面调用S o l i d W o r k sA P I 参数驱动生成立铣刀三维模型 邱迎刭3 利用V B A 对A u t o C A D 进行二次开发 以端截 面面域拉伸成薄层实体再进行布尔运算得到立铣刀三维实体模型 赵邦1 4 利用V C 对 U G 进行二次开发 结合铣刀模型工艺 以在立铣刀毛坯上进行刀齿特征面逐步切除的 方式进行立铣刀参数化建模 马世辉 l8 直接通过操作P R O E 功能命令进行球头立铣刀整 体三维实体建模 程开举等 1 9 利用P r o E 的参数设计功能建立设计参数用于控制铣刀的 结构 用户在使用时可以通过修改这些参数建立铣刀模型 该方式需要建立大量铣刀结 构元件 且不能进行大的结构参数的实时修改 如齿数 刀头类型等 因此该参数化建 模方式不适用于复杂螺旋槽铣刀模型的建立 1 2 3 立铣刀C A D 系统的研究 立铣刀计算机辅助设计系统研究涉及到铣刀的参数计算 螺旋槽设计仿真 铣刀的 计算机3 D 建模以及铣刀的加工仿真模拟等 钦兰云等脚1 以图元拼合法理论将铣刀的结 构分为若干个图形基本信息 并建立铣刀的图元库 由铣刀设计人员选择各个结构图元 但这些图元只能作为铣刀二维工程图的辅助绘制工具并不能够完全真实反映铣刀的尺寸 参数和三维结构 黄波 2 1 1 开发出螺旋槽二维仿真软件 以标准砂轮进行螺旋槽截形加工 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 仿真 输出铣刀螺旋槽主要的结构参数 胡江林r 2 2 将砂轮曲面看成由无数多个截圆组成 根据这些截圆螺旋运动所生成的螺旋曲面包络出螺旋槽的曲面截线并建立模拟仿真环 境 进行二维截面线的仿真 李清 2 3 J 等使用V c 编译环境利用O P E N G L 编写螺旋立铣刀 的几何建模程序 但该程序所建立的理想设计铣刀模型并没有考虑刀具各个结构之间的 过渡情况 熊烽掣2 4 对立铣刀的三维可视化进行了深入研究 用M A T L A B 的三维图形处 理功能进行立铣刀的三维模型的显示 1 2 4 目前立铣刀参数化设计研发中存在的问题 纵观近年来国内外学者对立铣刀三维设计及仿真方面的研究虽取得了很大的成果 但其研究结果仍存在以下几个方面的不足 1 缺乏对立铣刀刀刃曲线 螺旋沟槽设计以及螺旋槽不同截面截形转化等进行系 统的分析与计算 不畚月匕V 1 t t E K t 好满足企业对立铣刀的实际应用需求 2 只针对特定一把立铣刀进行分析并直接应用三维软件的功能命令进行实体建模 没有系统地研究适用于多种类型立铣刀 如球头立铣刀 普通立铣刀 数控立铣刀 高 速立铣刀和插铣刀 的通用三维参数化建模方法 3 缺乏成熟的立铣刀通用三维参数化设计系统用于指导相关企业进行多种类型立 铣刀的快速设计 1 3 课题主要研究内容 针对目前立铣刀参数化设计研发中存在的问题 本课题研究的主要内容包括 1 立铣刀通用数学模型研究 5 大类立铣刀结构各异 因此需建立一个通用数学模型方便这5 类刀具的三维实体模 型的设计 根据立铣刀三维实体模型的设计步骤 通用数学模型的建立包括 通用毛坯 体模型 通用螺旋刃线模型以及通用螺旋沟槽模型 在通用螺旋沟槽模型建立中 根据 立铣刀要求不同 其工程图或给出刀刃的法面剖视图或端面剖视图 因此 本文还需研 究将螺旋槽法面截形到端面截形的转化方法 具有普遍性意义 2 立铣刀通用参数化建模方法研究 利用v B 编程操作C A I T A 对象及其方法和属性实现立铣刀参数化建模 依据5 大类 立铣刀形态特征将其分为平头立铣刀以及球头立铣刀两大类 并分别搭建其参数化设计 流程 通过程序描述立铣刀通用数学模型 自动生成立铣刀的毛坯 柱齿 再在此基础 上研究端齿 球齿 以及其它特征的参数化构建方法 通过参数驱动自动生成一把完整的 立铣刀三维模型 3 立铣刀通用三维参数化设计系统的开发 立铣刀三维参数化设计系统需实现由用户输入刀具设计参数 即可生成三维实体模 型 实现刀具的参数化 3 D 设计与可视化 在满足系统功能要求基础上制定设计流程 再按照设计流程逐步进行系统开发 其中包含 v B 界面的定制 设计参数的提取 结构 参数的推理 数据处理 三维模型的生成 查看保存以及出错处理等 最后以刀具实例 进行所生成三维模型参数准确性 系统参数化建模可靠性以及加工仿真可行性的测试 1 4 系统开发工具 目前国内企业在刀具设计中大多是在A u t o C A D 软件平台上由设计人员进行交互式 设计 由于这种交互式绘图方式很难利用已有的设计结果 劳动强度大 设计效率低 难以满足实际生产需要 而参数化技术通过参数驱动得到零部件的三维实体模型 非常 适合于系列化产品设计 因而广泛应用于国外数控刀具的设计制造中 2 5 立铣刀三维模 型的参数化设计系统 需由刀具设计人员以尺寸驱动的方式 在刀具模型库中直接调用 已有的设计结果 或经过局部参数修改而形成新的品种或规格 因此本课题运用二次开 发技术 基于三维C A D 软件C A T I A 来搭建立铣刀参数化设计系统 1 4 1C A T I A 简介 C A T I A C o m p u t e r g r a p h i c sA i d e dT h r e e d i m e n s i o n a lI n t e r a c t i v eA p p l i c a t i o n 是法国 D a s s a u i t 公司于1 9 7 5 年起开始发展的一套完整的3 DC A D A M C A E 一体化软件 它的 内容涵盖了产品从概念设计 工业设计 三维建模 分析计算 动态模拟与仿真 工程 图的生成到加工生产成产品的全过程 C A T I A 不但能够保证企业内部设计部门之间的协 同设计功能 而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案 目前 C A T I A 大量应用于航空航天 汽车及摩托车行业 机械 电子 家电与3 C 产业 N C 加工等方面 C A T I A 的软件产品覆盖了产品开发的整个周期 并且一直保持着技术领先 的优势 它包含的模块有 基础结构模块 机械设计模块 曲面造型模块 分析模块 A E C 工厂模块 N C 加工模块 数字模型模块 设备和系统模块 数字程序和加工模块 人机工程设计和分析模块等 2 7 1 1 4 2 基于C A T I A 的二次开发技术 1 开发方式的选择 C A T I A 的二次开发方式主要有两种 一种是采用C A AC 技术 另一种是采用C A A A U T O M A T I O N 技术 C A A C o m p o n e n tA p p l i c a t i o nA r c h i t e c t u r e C 是C A T I A 的 整 套C 函数库 该函数库在C A T I A 运行时加载 通过安装R A D E R a p i dA p p l i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 D e v e l o p m e n tE n v i r o n m e n t 模块 用户可以在V C 编程环境下编制程序 与C A T I A 进行 通信 A u t o m a t i o n 技术是建立在C O M 基础之上 由O L EA u t o m a t i o n O b j e c tL i n k i n ga n d E m b e d d i n g A u t o m a t i o n 发展而来 A u t o m a t i o n 的核心技术是允许一个应用程序操作另一 个应用程序 A u t o m a t i o n 技术并不是直接获取及处理数据 而是间接地通过暴露的对象 和属性 利用对象的方法和属性获取 设置及处理数据 A u t o m a t i o n 技术包括两个方面 S e r v e r 和C l i e n t A u t o m a t i o nS e r v e r 是一个实现了I D i s p a t c h 接E l 的C O M 组件 而 A u t o m a t i o nC l i e n t 是一个通过I D i s p a t c h 接口与自动化服务器进行通信的C O M 客户 2 6 1 基于C A AC 的开发自由度大 开发难度大 而O L EA u t o m a t i o n 在用户定制等方面有 所局限 但开发技术难度相对容易 两者底层技术相同 开发时可以完全相互协调和集 成 因此 3 D 刀具参数化设计系统选用O L EA u t o m a t i o n 作为二次开发工具 通过编程来访问C A T I A 的对象有很多种不同的方法 其实质是3 D 刀具参数化设计 系统将C A T I A 作为一个O L E 自动化对象服务器 通过访问C O M 对象的程序或脚本都 能访问C A T I A 的对象并对其进行操作 W i n d o w s 操作系统下C A T I A 编程操作方法有两 种 1 在进程内通过V i s u a lB a s i cS 蛳gE d i t i o n V BS c r i p t 脚本或V i s u a lB a s i cf o r A p p l i c a t i o n V B A 来访问 2 在进程外通过O L E 自动化对象来访问 1 V B 即V i s u a lB a s i c 6D e v e l o p m e n tS t u d i o 或其他版本 2 O f f i c e 或其他类似程序的V B A 脚本 3 W i n d o w s S 谢p 血gH o s t 及其他类似的V BS c r i p t 或J a v aS c r i p t 脚本 4 任何能访问C O M 对象的其 他程序 2 5 1 由于进程内开发的系统必须是在C A I T A 进程运行之后才能启动 给用户使 用上会造成一定的不便 因此 刀具3 D 参数化设计系统采用进程外的方式 基于V i s u a l B a s i c 程序来进行开射2 6 2 基于V B 的二次开发流程 V i s u a lB a s i c f V B 是M i c r o s o f t 公司推出的一种可视化的 面向对象的编程语言 从其 问世之初 就以其易用 通用和开发效率高的特点得到广泛的应用 它具有的图形设计 工具 结构化的事件驱动编程模式 开放的环境 可以使用户既快又方便地编写出 W i n d o w s 下的应用程序 2 s 刀具3 D 参数化设计系统利用V B 作为开发工具 通过O L E A u t o m a t i o n 与C A T I A 实时通讯 通过编写相应的程序对C A T I A 进行操作 以达到刀 具3 D 实体模型参数化设计的目的 用V B 进行C A T I A 二次开发的基本流程如图1 1 对C A T I A 进行二次开发 主要是通过操纵C A T I AA P I 对象来实现的 C A T I A 是一 个C O M O L E 服务器 C A T I AA P I 对象即为暴露给用户的编程接口 可以用基于C O M 的方式或基于O L E 自动化的方式来调用A P I 对象 A P I 对象涵盖了全部的C A T I A 的数 据模型 用户通过在应用程序中对这些A P I 的方法和属性进行操作 就可以实现功能定 制和扩展应用程序中对A P I 的操作 其结果等效于在C A T I A 软件中进行相应的操作 甚至对A P I 对象的操作可以完成一些在C A T I A 软件中用交互方式无法进行的操作 利 1 5 本章小结 本章首先论述了课题的来源及研究背景 指出对立铣刀三维参数化设计及其制造仿 真的重要性 分析了国内外在立铣刀设计建模以及计算机辅助系统上的研究进展和目前 研究中所存在的问题 最后针对这些问题 阐述了本文的研究内容 意义及研究方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 概述 第2 章立铣刀通用数学建模 球头立铣刀 普通立铣刀 数控立铣刀 高速立铣刀和插铣刀5 种类型立铣刀的基 本结构如图2 1 从图中可知 立铣刀刀体均为回转结构 其回转体类型一般为圆柱 圆锥 球和圆环的组合 而其对应的母线分别为直线 斜线 圆弧 整个刀具由柄部 颈部和刀齿部分组成 刀柄根据母线形状可分为直柄 锥柄 颈部都为圆柱体 刀齿部 分由柱齿和端齿 球头立铣刀为球齿 组成 柱齿回转轮廓面为圆柱面 其刃形曲线有螺 旋形与直线形 插铣刀 端齿刀刃曲线为直线 球齿刀刃曲线为螺旋线 聊l 九Z 一 物 枝J 1 J 翻 nL 图2 15 大类立铣刀结构示意图 根据立铣刀的结构 其三维模型可以在建立回转毛坯基础上切割出刀齿再进行细节 处理而得来 而立铣刀刀齿又包括柱齿 端齿 球齿 其刀齿曲面都是通过刃线与截形进 行扫描阵列所得 如图2 2 所示 因此立铣刀数学建模最核心的部分就是毛坯体数学建 模 刃线数学建模与螺旋槽截形数学建模三部分 且需要建立三者的通用数学模型 才 能实现5 类立铣刀设计参数工作要求尺寸范围内任意取值的三维建模 为直柄毛坯 锥柄毛坯与削平柄毛坯 综合三种类型毛坯所有参数得到立铣刀毛坯体参 数表2 1 表2 立铣刀毛坯体参数表 切削刃长 刀柄长度 刀具直径 颈部直径 刀具齿底半径 刀柄直径 刀柄莫氏锥号 端齿向心角 刀柄倒角长度 刀柄倒角角度 削平柄柄部斜角 削平柄槽宽度 削平柄中心距 削平柄槽高度 削平柄尾槽宽度 子广 l 嗣 Q 2 3 4 5 6 8 H如H娩9 m n 屹 m 一 厶d砒足D他Q G 町如 胁 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 根据表2 1 中立铣刀毛坯体参数要求 将毛坯体回转轮廓设计如图2 3 所示 控制 图2 3 中各参数的不同取值即可得到各种结构的刀具坯体回转轮廓 图2 4 与图2 5 分别 是刀齿部分与刀柄部分不同参数取值所得到不同回转轮廓 图2 3 立铣刀回转轮廓示意图 a 夕w 0 Q 0 R 0 且R d 2 C o 夕w 0 Q 0 R 0 且R d 2 c O o f t w 0 R 0 且R d 2 d Q O f t w O R 0 且尺 d 2 e Q 0 f t w 0 R 0 图2 4 不同参数取值下的典型刀齿回转轮廓 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 z a 直柄 o 勖 O C r 0 D 2 o C o 锥柄 o C a 0 C r 0 D 2 0 图2 5 不同参数取值下的典型刀柄回转截面 在图2 3 立铣刀回转截面示意图中 根据参数表2 1 中的已知参数值 计算出各点 点 彳 雪 C D E F G H I J 目的坐标 即可以进行不同毛坯体截面的绘制 各 点坐标求解公式如下 三 0 3 耋二 d R z 一 L 1 芝三 三一 耋三 d R一夕w xD O一 詈一 一 h anQ 或 x l2 峙 二 z 1 L 1 旦一D t a n 国 2 一 t L O D 2 一 三一 c 2 1 削平柄是在直柄的基础上削去一部分得到 由图2 6 给出的削平柄尺寸可以进行各 点坐标的计算 计算见公式 2 2 图2 6 削平柄截面图 乃 d 一2 0 I I k 生2 o I I 乃 D 一2 l l h 综上所述 立铣刀坯体数学建模流程如图2 7 所示 图2 7 立铣刀毛坯体数学建模流程图 第13 页 一点绕轴线作 2 3 式中厂 z 刀具回转表面上任意点的回转半径 亦即回转面的母线方程 缈 为该回转半径与坐标轴X 的夹角 回转角 回转刀具的刃形曲线位于刀具回转轮廓面上 只要在式 2 4 中确定参数缈与Z 的函 数关系伊 妒 z 则可确定回转刀具的刃线模型 f X 厂 z c o s 9 z r z z 缈 z t 少 I z s i l l 伊 z 2 4 l z 图2 9 广义螺旋运动速度分解图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 根据文献 7 复杂回转刀具上的刃形曲线就是广义螺旋线 一个点在任意回转面上 的广义螺旋运动如图2 9 所示 设广义螺旋运动速度矢量为v 沿回转面母线方向移动 线速度矢量为忑 转动线速度矢量为瓦 轴向速度矢量为忑 径向速度矢量为虿 则 V K 吃 屹 V 匕 2 5 本文研究的等螺旋角刃形曲线 即是作广义螺旋运动的点在任意瞬时 螺旋运动转 动线速度v 与沿回转面母线方向的移动速度v 的夹角始终保持不变 所形成的广义螺旋 线 该夹角实际上也就是广义螺旋线的切线与回转面母线的夹角 称为广义螺旋角口 7 1 根据上述定义有 畔专5 警 d t 2 学2 群 p 6 v 凼丞 2 2 7 因 为定值 式 2 6 积分得 矿 z t a n 雨1 将式 2 7