張旭， 鄭清春， 胡亞輝， 張善青

(1.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384； 2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

0 引言

表面微織構(gòu)技術(shù)是在摩擦副表面加工出具有一定尺寸和規(guī)則的幾何形貌(如微槽、微孔等)，相對于光滑表面而言，合理的微織構(gòu)表面能夠?qū)崿F(xiàn)良好的減摩、降摩以及抗粘結(jié)效果[1]。微織構(gòu)刀具能夠減少刀具與工件切屑之間的摩擦，提高刀具的切削性能，減少刀具磨損，改善抗粘附特性等[2-3]。要想實(shí)現(xiàn)對不同形貌和尺寸的系列化微織構(gòu)刀具的研究，首先要對不同形貌及尺寸的微織構(gòu)刀具進(jìn)行建模。對微織構(gòu)刀具的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以將建模工作變得簡單[4-6]。

本文針對微織構(gòu)車刀進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，以車刀的5個基本角度作為刀具參數(shù)，以微織構(gòu)的類型和尺寸作為微織構(gòu)參數(shù)，將UG作為開發(fā)平臺，基于UG的二次開發(fā)功能，以Visual Studio作為開發(fā)工具[7-9]，開發(fā)出一套微織構(gòu)車刀的參數(shù)化建模系統(tǒng)，可以方便地繪制微織構(gòu)車刀模型，從而提高建模效率。

1 微織構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)

以微織構(gòu)車刀為例介紹微織構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要包括刀具的主要結(jié)構(gòu)和微織構(gòu)的形貌及分布情況。

1.1 車刀的主要結(jié)構(gòu)

車刀的主要角度有前角(γo)、后角(αo)、主偏角(κr)、副偏角(κr’)和刃傾角(λs)，如圖1所示，它們就是從正交坐標(biāo)系中定義和測量的。正交坐標(biāo)系由基面(Pr)、切削平面(Ps)和正交平面(Po)組成，是在描述靜止?fàn)顟B(tài)下的車刀角度時最常用的一種坐標(biāo)系。

圖1 車刀的主要角度

在微織構(gòu)車刀的參數(shù)化設(shè)計(jì)中，將車刀的5個主要角度作為車刀的主要尺寸參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對車刀的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

1.2 微織構(gòu)的形貌及分布

在刀具的刀面上制備仿生微織構(gòu)需要考慮以下幾個方面：微織構(gòu)分布的刀面，微織構(gòu)的類型和微織構(gòu)的參數(shù)尺寸。

對于車刀而言，微織構(gòu)的分布位置可以是前刀面、主后刀面和副后刀面中的任意一個刀面。微織構(gòu)的類型主要有圓柱型、凹坑型、凸包型、溝槽型和鱗片型等，對于每種類型需要定義不同的尺寸參數(shù)。

在微織構(gòu)車刀的參數(shù)化設(shè)計(jì)中，將微織構(gòu)的分布刀面設(shè)計(jì)為多選形式，用戶可根據(jù)需要對3個刀面任意組合。

2 基于UG二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

UG二次開發(fā)工具包括UG/Open MenuScript界面菜單編輯語言、UG/Open Block UI Styler用戶界面制作工具、UG/Open GRIP專用的UG用戶圖形交互語言和UG/Open API C編程接口[10]。

為實(shí)現(xiàn)基于UG二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)過程分為3個部分，分別是GRIP模型、交互界面和相互調(diào)用。首先，建立GRIP模型，使用GRIP語言進(jìn)行曲線、實(shí)體等幾何模型的建立；然后，設(shè)計(jì)交互界面，利用MenuScript編寫菜單欄，利用Block UI Styler設(shè)計(jì)對話框，生成對話框的C++程序；最后，相互調(diào)用，利用基于C++平臺的UG/Open API與GRIP的相互調(diào)用實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的編寫。圖2為UG二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的思想。

圖2 UG二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的思想

圖3所示為UG二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法中涉及到的GRIP模型的建立、交互界面的設(shè)計(jì)以及相互調(diào)用的流程圖。

圖3 UG二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的流程

3 基于UG/Open GRIP的微織構(gòu)刀具模型建立

微織構(gòu)刀具的GRIP模型的建立過程可分為2個步驟，刀具的GRIP建模和微織構(gòu)的GRIP建模。本文以微織構(gòu)車刀為例詳細(xì)介紹了微織構(gòu)刀具的GRIP建模過程,將建模程序分為2個部分，分別建立車刀和微織構(gòu)的模型。

編寫好的GRIP程序需要經(jīng)過編譯和運(yùn)行才能在UG中被執(zhí)行。

3.1 車刀的GRIP建模

1) 變量的約定

在對車刀建模之前，需要明確其主要尺寸參數(shù)，車刀的主要參數(shù)及在程序中所對應(yīng)的符號見表1。

表1 車刀主要參數(shù)

2) 編寫車刀GRIP源程序

在Windows記事本中新建一個文件wzgcd.grs，作為微織構(gòu)車刀的GRIP源程序文件，保存在自定義文件夾。

用GRIP程序畫車刀的過程總的來說分為3步。首先編寫程序畫出刀體，然后根據(jù)各刀具角度編寫用來切割刀體的實(shí)體，最后通過將前2個步驟編寫的實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算形成車刀的“三面兩刃一尖”。部分源程序如下：

……

$$在正交平面上形成前角

……

ln(26)=LINE/pt(1),ATANGL,(90-ro)

ln(27)=LINE/pt(14),pt(15)

ln(28)=LINE/pt(14),ATANGL,90

pt(16)=POINT/INTOF,ln(26),ln(27) $求線段交點(diǎn)

pt(17)=POINT/INTOF,ln(26),ln(28)

……

solid(7)=SOLEXT/ln(29..31),HEIGHT,50,$

AXIS,(SINF(vs)/COSF(vs)),0,1

$$根據(jù)主偏角和副偏角大小補(bǔ)償拉伸長度

$$并做布爾減運(yùn)算

IFTHEN/(kr+kr1)>=90

solid(9)=SUBTRA/solid(6),WITH,solid(7)

ELSE

solid(8)=SOLEXT/ln(29..31),HEIGHT,-20,$

AXIS,(SINF(vs)/COSF(vs)),0,1

solid(9)=SUBTRA/solid(6),WITH,solid(7),$

solid(8)

ENDIF

$$布爾加運(yùn)算

solid(10)=UNITE/solid(9),WITH,solid(2)

……

HALT

3.2 不同刀面的微織構(gòu)建模

1) 變量的約定

在對微織構(gòu)建模之前，需要明確其主要的尺寸參數(shù)。以圓柱型微織構(gòu)為例，其主要參數(shù)及在程序中所對應(yīng)的符號見表2。

表2 微織構(gòu)主要參數(shù)

2) 編寫微織構(gòu)的GRIP程序

在不同的刀面建立微織構(gòu)模型之前，要以這個刀面為坐標(biāo)平面，建立一個新的坐標(biāo)系，然后再在刀面所在平面上進(jìn)行微織構(gòu)的建模以及布爾運(yùn)算。

對不同刀面上的微織構(gòu)的編寫需結(jié)合其所在刀面及相關(guān)角度分別進(jìn)行，但每個刀面上微織構(gòu)的編寫過程大致遵循同一過程。首先選定刀面，然后根據(jù)相關(guān)角度求解出對應(yīng)的分布矩陣，再編寫出用來切割單個織構(gòu)的實(shí)體，并將其依據(jù)所求矩陣進(jìn)行排列，最后通過布爾運(yùn)算在刀面上形成微織構(gòu)。部分源程序如下：

……

$$在前刀面上打微織構(gòu)

$$建立變換矩陣

mat1=MATRIX/YZROT,-90

mat2=MATRIX/TRANSL,1,dep1,-1

mat3=MATRIX/mat1,mat2

mat4=MATRIX/TRANSL,dis1,0,0

mat5=MATRIX/TRANSL,(-dis1*SINF(90-kr-kr1)),$

0,(-dis1*COSF(90-kr-kr1))

$$建立微織構(gòu)模型

clm(1)=SOLCYL/ORIGIN,0,0,0,HEIGHT,heg1,$

DIAMTR,dim1

clm(2)=TRANSF/mat3,clm(1),MOVE

clm(3)=TRANSF/mat4,clm(2)

……

clm(37)=TRANSF/mat5,clm(31)

solid(14)=SUBTRA/solid(13),WITH,clm(2..37)

……

HALT

3.3 GRIP程序的編譯和鏈接

在GRADE中對GRIP的源程序進(jìn)行編譯和鏈接。其中<2>Compile用于對源程序進(jìn)行編譯，如果編譯無錯誤，則自動生成一個新文件wzgcd.gri。編譯后的文件通過<3>Link進(jìn)行鏈接，自動生成wzgcd.grx。

3.4 生成模型

編譯、鏈接后的GRIP程序可以直接被Unigraphics調(diào)用執(zhí)行，便可在UG界面中生成微織構(gòu)車刀的模型。

進(jìn)入UG環(huán)境并新建一個文件，單擊“文件”→“執(zhí)行”→“GRIP”，在瀏覽對話框中選擇wzgcd.grx文件，就自動生成特定尺寸微織構(gòu)車刀的三維幾何模型。

4 交互界面的設(shè)計(jì)

交互界面包括菜單欄中的定制菜單項(xiàng)和菜單項(xiàng)所對應(yīng)的對話框。在開發(fā)環(huán)境下，用MenuScript語言編輯菜單欄，并在Block UI Styler模塊中設(shè)計(jì)用戶對話框，即可完成交互界面的設(shè)計(jì)。

4.1 設(shè)置用戶開發(fā)環(huán)境

在運(yùn)行UG開發(fā)程序之前，必須設(shè)置開發(fā)環(huán)境。

1) 在F:zx路徑下建立自己的menu文件夾，放置開發(fā)文件；

2) 在menu文件夾下建立startup和application兩個文件夾，其中startup中存放UG啟動時需要加載的動態(tài)共享庫及菜單腳本文件，application中存放具體的擴(kuò)展程序文件；

3) 激活二次開發(fā)功能的擴(kuò)展，設(shè)置自己的開發(fā)路徑，在ugii_env.dat文件中找到#UG_USER_DIR=${HOME}，將其修改為UG_USER_DIR=F:/zx/menu。

4.2 基于MenuScript的菜單設(shè)計(jì)

在F:/zx/menustartup路徑下新建weizhigou.men文件，用MenuScript語言編寫菜單欄，部分源程序如下：

VERSION 121

EDIT UG_GATEWAY_MAIN_MENUBAR

BEFORE UG_HELP

CASCADE_BUTTON LAUNCH_CASCADE

LABEL微織構(gòu)刀具

END_OF_BEFORE

MENU LAUNCH_CASCADE

BUTTON DEMO_BTN1

LABEL車刀

ACTIONS chedao.dll

……

END_OF_MENU

編輯完成后運(yùn)行UG便可看到通過程序添加的用戶菜單，如圖4所示。

圖4 用戶菜單

4.3 基于Block UI Styler的對話框設(shè)計(jì)

進(jìn)入UG主界面，單擊“開始”→“所有應(yīng)用模塊”→“塊UI樣式編輯器”，制作自定義對話框，并設(shè)置相應(yīng)的塊屬性以及生成代碼屬性。

本例中采用UG/Open Block UI Styler定制對話框，并將其保存在F:zxmenuapplication路徑下。如圖5所示， 該對話框可根據(jù)用戶所需輸入刀具的主要參數(shù)、選擇創(chuàng)建微織構(gòu)的刀面、選擇微織構(gòu)類型和輸入微織構(gòu)尺寸。其中，對于刀面的選擇實(shí)行多選式，可以滿足用戶同時在多個刀面創(chuàng)建微織構(gòu)的需求。

圖5 用戶對話框

該對話框采用C++語言作為代碼生成語言,保存后生成wzgcd.dlg，wzgcd.cpp和wzgcd.hpp 3個文件，其中wzgcd.dlg是對話框文件，wzgcd.cpp和wzgcd.hpp分別為對話框的C++源程序和頭文件。

5 微織構(gòu)刀具參數(shù)化建模系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

簡單地將GRIP模型生成程序和交互界面羅列在一起并不能實(shí)現(xiàn)微織構(gòu)刀具的智能參數(shù)化，必須要將交互界面與GRIP程序相連，使交互界面調(diào)用GRIP程序生成相應(yīng)模型，才能使微織構(gòu)刀具參數(shù)化系統(tǒng)生效。

5.1 參數(shù)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

用戶對話框通過調(diào)用并修改GRIP程序和為其中的參數(shù)賦值的方式來建立微織構(gòu)刀具模型，而二者的相互連接需要以用戶對話框的源程序?yàn)槊浇?，參?shù)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理如圖6所示。

圖6 實(shí)現(xiàn)原理

對話框源程序wzgcd.cpp在編輯對話框時由UG系統(tǒng)自動生成，通過編寫源程序中的回調(diào)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)用戶通過交互界面來控制生成微織構(gòu)刀具模型。

5.2 回調(diào)函數(shù)的編寫

打開Visual Studio 2010，建立NX7 Open Wizard項(xiàng)目，添加程序wzgcd.cpp，就可以對對話框的源程序進(jìn)行回調(diào)函數(shù)的編寫。在回調(diào)函數(shù)的編寫中，采用UG/Open API與UG/Open GRIP相互調(diào)用的方式，確定模型的GRIP程序與對話框中各項(xiàng)目的對應(yīng)關(guān)系并將其相連接，即可實(shí)現(xiàn)通過對話框調(diào)用GRIP程序生成相應(yīng)的微織構(gòu)車刀模型。

回調(diào)函數(shù)的部分源程序如下：

……

//從用戶界面塊獲取前角的值

PropertyList *qianjiaoProps = qianjiao->GetProperties();

double myro = qianjiaoProps->GetDouble("Value");

delete qianjiaoProps;

qianjiaoProps = NULL;

……

//從用戶界面塊獲取前刀面的布爾值

PropertyList* qiandaomianproplist = qiandaomian->GetProperties();

myrakeface = qiandaomianproplist->GetLogical("Value");

delete qiandaomianproplist;

……

//UG/Open API調(diào)用UG/Open GRIP

static void do_ugopen_api(void)

{

int status;

char *grip_exe="F:\zx\GRIP\wzgcd.grx";

int grip_arg_count=9;

UF_args_t grip_arg_list[9];

//按順序?yàn)楣蚕韰?shù)表定義賦值

grip_arg_list[0].type=

UF_TYPE_DOUBLE_ARRAY;

grip_arg_list[0].length=3;

grip_arg_list[0].address=myro;

……

//判斷前刀面是否被勾選

grip_arg_list[5].type=

UF_TYPE_DOUBLE_ARRAY;

grip_arg_list[5].length=2;

if(myrakeface=true)

{grip_arg_list[5].address=mydiameter;

}

else

{grip_arg_list[5].address=0;

}

……

status = UF_CALL(UF_call_grip(grip_exe, 9,

grip_arg_list));

}

……

將編輯好的wzgcd.cpp進(jìn)行編譯，可生成wzgcd.dll，保存到F:/zx/menu/Application文件夾中，并在MenuScript編寫的菜單文件中“車刀”模塊調(diào)用wzgcd.dll，便可實(shí)現(xiàn)在點(diǎn)擊“微織構(gòu)刀具”的下拉菜單“車刀”時調(diào)用已編輯好的對話框。

5.3 運(yùn)行結(jié)果

打開UG軟件，新建模型，選擇菜單欄中的 “微織構(gòu)刀具”，然后在下拉菜單中選擇“車刀”，會彈出微織構(gòu)車刀的對話框，根據(jù)所需選擇相關(guān)項(xiàng)目、填寫一組參數(shù)，點(diǎn)擊“確定”便可生成對應(yīng)的微織構(gòu)車刀模型，如圖7所示。

圖7 運(yùn)行結(jié)果

6 結(jié)語

1) 基于UG的二次開發(fā)功能設(shè)計(jì)了微織構(gòu)刀具的參數(shù)化建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效地簡化了微織構(gòu)刀具的建模過程，使其更為簡單便捷，縮短了微織構(gòu)刀具的研究周期，提高了工作效率。

2) UG為開發(fā)者提供了多種二次開發(fā)工具，包括UG/Open GRIP、MenuScript、Block UI Styler和UG/Open API等。開發(fā)者可以采用有機(jī)結(jié)合的方式靈活運(yùn)用這些工具，定制出所需的界面和功能。

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