数控车刀仿真建模

2022-09-10

1 绪论

1.1 概述

仿真技术通过利用计算机可视化和面向对象的手段, 在机床设计和研究的许多方面得到了广泛应用, 为机床结构设计提供参考依据, 帮助了解机床工作空间的形态与极限等。目前市场上常见的加工仿真软件主要有两大类:一类是集成于高端CAD/CAM软件如UGNX等之中;另一类是专用的数控加工仿真软件:如Matcut等[1]。

1.2 仿真系统对象类的确定

现代仿真技术的发展趋势之一就是面向对象, 可将仿真系统的对象确定如下:

(1) 机床类:机床是由主轴, 床身, 工作台等组成, 它和实际的仿真对象的组成有所不同。

(2) 毛坯类:在仿真加工过程中根据装夹方式, 切削速度等方面不同, 可以选用不同尺寸和材料的毛坯。

(3) 刀具类:由于加工模式、材料、精度等不同, 在仿真加工中可以选择不同的刀具, 可以粗略地将刀具类分为车刀和铣刀。

(4) 文件编辑类。

(5) 视图类:用Op en GL的图像显示技术, 将刀具各部件模型在Windows的界面下显示出来, 在仿真过程中, 可以实时地显示刀具位置[2]。

2 车刀模型结构

2.1 概述

通常所说的计算机仿真是指数学仿真, 用数学模型代表仿真对象, 便于编制仿真程序, 在机械制造中最常用的是几何仿真, 机械工程中设计、制造所涉及的产品都是有形的物体, 是曲线和面组成的, 这些线和面以及它们之间的相互位置关系与几何上点、线、面的概念是完全相同的, 这就为用几何概念模拟工程中的点、线、面 (仿真) 提供了可能, 所以几何仿真就是运用几何模拟工程中产品的外形及其形成过程,

2.2 主流应用软件的实现

随着计算机技术的发展, 在CAD/CAM软件中, 以工作站和微机为平台的软件已经占据主导地位, 目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统的集成。第一种一体化的CAD/CAM系统, 第二种相对独立的CAM系统如Mastercam、Surfeam等[3]。

2.3 模型结构

从车刀仿真系统的开发来讲, 就是把现实生产和运用的实体车刀在计算机上显示出来, 这就需要把车刀抽象成几何模型, 然后转换为相关的数学模型, 由数学模型再转换为人们在计算机上直接运用的模拟实物即车刀的物理模型。

建模过程就是对车刀描述、处理、储存、表达车刀及其属性的过程, 对于不同形状的车刀就简化为不同形状的几何图形, 为了对数学模型操作带来方便, 一般把车刀分为刀片和刀柄两部分, 减轻了对车刀数学建模难度。

3 车刀几何模型的建立

3.1 车刀刀体的连接方式

车刀与刀体的连接固定方式主要可分为焊接式与机夹固定式两大类。

焊接式车刀:将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上称为焊接式车刀。这种车刀的优点是结构简单, 刚性较好。缺点是由于存在焊接应力, 使刀具材料的使用性能受到影响, 甚至出现裂纹。另外, 刀杆不能重复使用, 硬质合金刀片不能充分回收利用, 造成刀具材料的浪费。

机夹可转位车刀:机械夹固式可转位车刀由刀杆, 刀片, 刀垫及夹紧元件组成如图1。

3.2 刀片的选择

在数控车削加工中一般用机夹可转位车刀, 此车刀采用机械夹固刀片, 其目的是为了减少换刀时间和方便对刀, 提高工件尺寸精度和工作效率, 便于实现机械加工的标准化。刀片形状有三角形, 多方形, 圆形以及菱形等。

3.3 建立刀片几何模型

以菱形为例

在Rt∆AEO1中可得:

在Rt∆AEF中可得:

在Rt∆AKO中可得:

在Rt∆O2 J I1中可得:

同理可得

由于图形是对称的, 可以分别得到3O、4O、1E、2E、3E、I2、I3、I4各点的坐标。

3.4 建立刀柄几何模型

通过对上述刀片的几何模型的建立, 同理可以推导出对刀柄几何模型建立的方法。首先对刀柄进行分类, 在实际生产运用中, 我们可以得知广泛应用的刀柄类型大致分三种, 即长方体如图3、圆台如图4、圆柱如图5形状的刀柄。图形如下 (见图3、4、5) 。

定义完几何模型相关参数后, 建立其物理模型, 可以通过自定义模块SWEEP块拉伸实现三维几何模型, 刀柄的物理模型建立如同刀片的物理模型建立。

4 物理模型范例

现即拿一把车刀举一个简单的实例如下:

摘要：为了提高数控的操作技能及加工精度, 在此提出了刀具仿真系统并开发车刀仿真建模系统。通过对主流软件的分析和比较, 确定出车刀的模型结构, 它主要结构形式有数学模型、几何模型、物理模型。确定完刀片几何模型、物理模型之后即而又确定其车刀刀柄的几何模型, 从而建立车刀的仿真建模系统, 提高了仿真系统的精确性和优越性。

关键词：仿真系统,几何模型,物理模型