數控仿真車刀幾何模型建立

一、數控車刀仿真環境的建立

隨著科技的發展計算機軟件的大量運用，現在軟件開發很多，較為常用的有Microsoft，Visualc++6.0，Borlandc++，Delphi等，數控車刀仿真系統主要采用基于開放式圖形庫OpenGL，結合使用Delphi語言進行應用軟件開發，使用Delphi工具在Windows XP操作環境下開發。OpenGL即開發式圖形庫(Open Graphics Library)，是目前比較完善的三維圖形標準，它廣泛適合計算機系統環境下的三維圖形應用程序設計接口，目前已成為開放式的國際三維圖形程序標準。

二、數控車刀仿真系統對象的確定

現代仿真技術的發展趨勢之一就是面向對象，可將仿真系統的對象確定如下幾類：一是機床類（Mach Tool）。機床是由主軸，立柱，床身，工作臺等組成，它和實際的仿真對象的組成有所不同。二是毛坯類（Rough）。在仿真加工過程中根據裝夾方式，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，刀具的參數有：刀具類型、刀柄長度、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，將刀具各部件模型在Windows的界面下顯示出來，在仿真過程中，可以實時地顯示刀具位置。此外，還有文件編輯類（File Edit）。

通過了解仿真系統對象不同的類別特點，確定出本文仿真系統研究對象為刀具類，細分為刀具類中的車刀進行建模仿真，在眾多仿真軟件中本課題借助于VERICUT仿真系統對其刀具庫車刀模型的文件格式進行分析并建立車刀仿真模型。

三、車刀模型結構

通常所說的計算機仿真是指數學仿真。用數學模型代表仿真對象，便于編制仿真程序，在機械制造中最常用的是幾何仿真，機械工程中設計、制造所涉及的產品都是有形的物體，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系與幾何上點、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、線、面（仿真）提供了可能，所以幾何仿真就是運用幾何模擬工程中產品的外形及其形成過程。

從車刀仿真系統的開發來講，就是把現實生產和運用的實體車刀在計算機上顯示出來，這就需要把車刀抽象成幾何模型，然后轉換為相關的數學模型，由數學模型再轉換為人們在計算機上直接運用的模擬實物即車刀的物理模型。

建模過程就是對車刀描述、處理、儲存、表達車刀及其屬性的過程。對于不同形狀的車刀就簡化為不同形狀的幾何圖形。為了對數學模型操作帶來方便，一般把車刀分為刀片和刀柄兩部分，減輕了對車刀數學建模的難度，圖1、圖2所示為車刀結構。

在現實的車刀形狀與建模中的車刀形狀會有些不同。一把車刀的建立主要是改變刀片形狀來規定不同類型的車刀。就拿一把 外圓車刀為例，在計算機圖形中通過分析刀片的幾何特征，把刀片看作一個平行四邊形，顯示在計算機屏幕上，顯示成二維圖形，在二維圖形坐標下通過計算各個點線的關系，分析數據結構，得出相關點、線、圓弧的連接點，確定它的幾何體，通過拉伸、旋轉、平移變換三維圖形之后，刀片模型便顯現在人們眼前。

四、車刀幾何模型的建立

1.刀片的選擇

在數控車削加工中一般用機夾可轉位車刀，此車刀采用機械夾固刀片，其目的是為了減少換刀時間和方便對刀，提高工件尺寸精度和工作效率，便于實現機械加工的標準化。

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

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

刀片形狀的選擇。刀片形狀主要依據被加工工件的表面形狀，切削方法，刀具壽命和刀片的轉位次數等因素選擇。刀片每邊都有切削刃，當某切削刃磨損鈍化后，只需松開加緊元件，將刀片轉一個位置便可繼續使用。刀片是機夾可轉位車刀的一個重要組成元件。基本上可分為帶圓孔，帶沉孔以及無孔三大類。

根據國標，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。通過對刀片類型的分析，根據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車刀刀片進行幾何運算，通過幾何關系來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。

菱形邊長為L，求菱形幾何形狀各個基點坐標。

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:

由于圖形是對稱的，所以可以分別得到：

O3點的坐標是 O4點的坐標是

E1點的坐標是 E2點的坐標是

E3點的坐標是I2點的坐標是

I3點的坐標是 I4點的坐標是

通過數學計算確定出刀片幾何形狀各基點，連接各基點從而確定出刀片幾何圖形。其他類型的刀片幾何形狀基點根據不同的幾何形狀應用數學計算方法求得各個基點坐標，從而確定各個類型幾何模型。

3.建立刀柄幾何模型

通過對上述刀片的幾何模型的建立，同理可以推導出對刀柄幾何模型建立的方法。首先對刀柄進行分類，在實際生產運用中，我們可以得知廣泛應用的刀柄類型大致分三種，即長方體、圓臺、圓柱形狀的刀柄。

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

定義完幾何模型相關參數后，建立其物理模型，可以通過自定義模塊SWEEP塊拉伸實現三維幾何模型。

通過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中完整的車刀模型。

（作者單位：鶴壁職業技術學院）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文