一、數(shù)控車刀仿真環(huán)境的建立

隨著科技的發(fā)展計(jì)算機(jī)軟件的大量運(yùn)用，現(xiàn)在軟件開發(fā)很多，較為常用的有Microsoft，Visualc++6.0，Borlandc++，Delphi等，數(shù)控車刀仿真系統(tǒng)主要采用基于開放式圖形庫(kù)OpenGL，結(jié)合使用Delphi語(yǔ)言進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，使用Delphi工具在Windows XP操作環(huán)境下開發(fā)。OpenGL即開發(fā)式圖形庫(kù)(Open Graphics Library)，是目前比較完善的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛適合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境下的三維圖形應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口，目前已成為開放式的國(guó)際三維圖形程序標(biāo)準(zhǔn)。

二、數(shù)控車刀仿真系統(tǒng)對(duì)象的確定

現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一就是面向?qū)ο?，可將仿真系統(tǒng)的對(duì)象確定如下幾類：一是機(jī)床類（Mach Tool）。機(jī)床是由主軸，立柱，床身，工作臺(tái)等組成，它和實(shí)際的仿真對(duì)象的組成有所不同。二是毛坯類（Rough）。在仿真加工過(guò)程中根據(jù)裝夾方式，切削速度等方面不同，可以選用不同尺寸和材料的毛坯。三是刀具類(Choose Tool Para)。由于加工模式，加工材料，毛坯，加工精度等方面不同，在仿真加工中可以選擇不同的刀具，可以粗略地將刀具類分為車刀和銑刀，刀具的參數(shù)有：刀具類型、刀柄長(zhǎng)度、刀具直徑、倒角半徑和刀具顯示顏色。四是視圖類（Simill View）用OpenGL的圖像顯示技術(shù)，將刀具各部件模型在Windows的界面下顯示出來(lái)，在仿真過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)地顯示刀具位置。此外，還有文件編輯類（File Edit）。

通過(guò)了解仿真系統(tǒng)對(duì)象不同的類別特點(diǎn)，確定出本文仿真系統(tǒng)研究對(duì)象為刀具類，細(xì)分為刀具類中的車刀進(jìn)行建模仿真，在眾多仿真軟件中本課題借助于VERICUT仿真系統(tǒng)對(duì)其刀具庫(kù)車刀模型的文件格式進(jìn)行分析并建立車刀仿真模型。

三、車刀模型結(jié)構(gòu)

通常所說(shuō)的計(jì)算機(jī)仿真是指數(shù)學(xué)仿真。用數(shù)學(xué)模型代表仿真對(duì)象，便于編制仿真程序，在機(jī)械制造中最常用的是幾何仿真，機(jī)械工程中設(shè)計(jì)、制造所涉及的產(chǎn)品都是有形的物體，是由曲線和面組成的。這些線和面以及它們之間的相互位置關(guān)系與幾何上點(diǎn)、線、面的概念是完全相同的。這就為用幾何概念模擬工程中的點(diǎn)、線、面（仿真）提供了可能，所以幾何仿真就是運(yùn)用幾何模擬工程中產(chǎn)品的外形及其形成過(guò)程。

從車刀仿真系統(tǒng)的開發(fā)來(lái)講，就是把現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)和運(yùn)用的實(shí)體車刀在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)，這就需要把車刀抽象成幾何模型，然后轉(zhuǎn)換為相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，由數(shù)學(xué)模型再轉(zhuǎn)換為人們?cè)谟?jì)算機(jī)上直接運(yùn)用的模擬實(shí)物即車刀的物理模型。

建模過(guò)程就是對(duì)車刀描述、處理、儲(chǔ)存、表達(dá)車刀及其屬性的過(guò)程。對(duì)于不同形狀的車刀就簡(jiǎn)化為不同形狀的幾何圖形。為了對(duì)數(shù)學(xué)模型操作帶來(lái)方便，一般把車刀分為刀片和刀柄兩部分，減輕了對(duì)車刀數(shù)學(xué)建模的難度，圖1、圖2所示為車刀結(jié)構(gòu)。

在現(xiàn)實(shí)的車刀形狀與建模中的車刀形狀會(huì)有些不同。一把車刀的建立主要是改變刀片形狀來(lái)規(guī)定不同類型的車刀。就拿一把 外圓車刀為例，在計(jì)算機(jī)圖形中通過(guò)分析刀片的幾何特征，把刀片看作一個(gè)平行四邊形，顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，顯示成二維圖形，在二維圖形坐標(biāo)下通過(guò)計(jì)算各個(gè)點(diǎn)線的關(guān)系，分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，得出相關(guān)點(diǎn)、線、圓弧的連接點(diǎn)，確定它的幾何體，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、平移變換三維圖形之后，刀片模型便顯現(xiàn)在人們眼前。

四、車刀幾何模型的建立

1.刀片的選擇

在數(shù)控車削加工中一般用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車刀，此車刀采用機(jī)械夾固刀片，其目的是為了減少換刀時(shí)間和方便對(duì)刀，提高工件尺寸精度和工作效率，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的標(biāo)準(zhǔn)化。

刀片材質(zhì)的選擇 車刀刀片的材料主要有高速鋼，硬質(zhì)合金，涂層硬質(zhì)合金，陶瓷，金剛石和立方氮化硼等。其中應(yīng)用最多的是硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金刀片。選擇刀片材質(zhì)，主要依據(jù)被加工工件的材料，被加工表面的精度，表面質(zhì)量要求，切削載荷的大小及切削過(guò)程中有無(wú)沖擊和震動(dòng)等而定。

刀片尺寸的選擇。刀片的大小取決于必要的有效切削刃長(zhǎng)度L，有效切削刃長(zhǎng)度與背吃刀量和車刀的主偏角有關(guān)，使用時(shí)可查閱有關(guān)刀具手冊(cè)選取。

刀片形狀的選擇。刀片形狀主要依據(jù)被加工工件的表面形狀，切削方法，刀具壽命和刀片的轉(zhuǎn)位次數(shù)等因素選擇。刀片每邊都有切削刃，當(dāng)某切削刃磨損鈍化后，只需松開加緊元件，將刀片轉(zhuǎn)一個(gè)位置便可繼續(xù)使用。刀片是機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車刀的一個(gè)重要組成元件。基本上可分為帶圓孔，帶沉孔以及無(wú)孔三大類。

根據(jù)國(guó)標(biāo)，刀片形狀有三角形，正方形，五邊形，六邊形，圓形以及菱形等共19種。通過(guò)對(duì)刀片類型的分析，根據(jù)刀片的共同特征可以將刀片分為三種類型：DIAMOND(菱形)、PARALLELOGRAM(平行四邊形)、POLYGON(多邊形)。下面以菱形類型車刀為例對(duì)車刀刀片進(jìn)行幾何運(yùn)算，通過(guò)幾何關(guān)系來(lái)確定刀片的幾何模型。

2.建立菱形類車刀刀片幾何模型

菱形類刀片：

已知：如圖3所示∠BAD=55°，∠a== 275°，O1E=R。

菱形邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，求菱形幾何形狀各個(gè)基點(diǎn)坐標(biāo)。

在Rt△AEO1中可得：

在Rt△中可得:，sina.R

在Rt△中可得:，JD=tga.I1J=tga.sina.R

在Rt△中可得:

由于圖形是對(duì)稱的，所以可以分別得到：

O3點(diǎn)的坐標(biāo)是 O4點(diǎn)的坐標(biāo)是

E1點(diǎn)的坐標(biāo)是 E2點(diǎn)的坐標(biāo)是

E3點(diǎn)的坐標(biāo)是I2點(diǎn)的坐標(biāo)是

I3點(diǎn)的坐標(biāo)是 I4點(diǎn)的坐標(biāo)是

通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算確定出刀片幾何形狀各基點(diǎn)，連接各基點(diǎn)從而確定出刀片幾何圖形。其他類型的刀片幾何形狀基點(diǎn)根據(jù)不同的幾何形狀應(yīng)用數(shù)學(xué)計(jì)算方法求得各個(gè)基點(diǎn)坐標(biāo)，從而確定各個(gè)類型幾何模型。

3.建立刀柄幾何模型

通過(guò)對(duì)上述刀片的幾何模型的建立，同理可以推導(dǎo)出對(duì)刀柄幾何模型建立的方法。首先對(duì)刀柄進(jìn)行分類，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中，我們可以得知廣泛應(yīng)用的刀柄類型大致分三種，即長(zhǎng)方體、圓臺(tái)、圓柱形狀的刀柄。

在定義長(zhǎng)方體形狀的刀柄建模時(shí)，所涉及的刀柄主要幾何參數(shù)有長(zhǎng)度L(X)、寬度W(Y)、高度H(Z)（如圖4所示）；在定義圓臺(tái)形狀的刀柄建模時(shí)，所涉及的刀柄主要幾何參數(shù)有圓臺(tái)的高度H(Z)、圓臺(tái)底面半徑R1、圓臺(tái)頂面半徑R2（如圖5所示）；在定義圓柱形狀的刀柄建模時(shí)，所涉及的刀柄主要幾何參數(shù)有圓柱體的高度H(Z)、半徑R（如圖6所示）。

定義完幾何模型相關(guān)參數(shù)后，建立其物理模型，可以通過(guò)自定義模塊SWEEP塊拉伸實(shí)現(xiàn)三維幾何模型。

通過(guò)上述建立了車刀刀片和刀柄的幾何模型。從而確定出仿真系統(tǒng)中完整的車刀模型。

（作者單位：鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文