銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化建模

康元元， 曹 巖， 方 舟

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力對(duì)制造系統(tǒng)適應(yīng)全球性制造的趨勢(shì)是非常有效的。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和快速性是企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵因素。建立一種適應(yīng)用戶與市場(chǎng)需求的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式(即機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程模型)，是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)所面臨的緊迫任務(wù)。雖然目前關(guān)于設(shè)計(jì)過(guò)程建模方法的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，但這些方法仍存在一定的局限性，即在設(shè)計(jì)復(fù)雜產(chǎn)品時(shí)，其設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果不穩(wěn)定，可視化程度較低，模型不但不能重復(fù)使用，而且較難理解，因此急需建立一種具有基本繪圖功能，同時(shí)可用于用戶自定義繪圖的圖形化平臺(tái)。本文在圖形化平臺(tái)下對(duì)銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行建模，直觀、動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)銑刀的設(shè)計(jì)過(guò)程，以提高銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程的柔性和模型的可重用性，并提高銑刀設(shè)計(jì)的效率。

1 銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程

查閱刀具設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)[1-7]，可概括出銑刀的設(shè)計(jì)流程(見(jiàn)圖1)。

在不同刀具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，原始條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)類型、幾何參數(shù)多有不同，而且，三維建模軟件和仿真分析軟件有多種選擇。因此，所有銑刀在設(shè)計(jì)時(shí)都需要設(shè)定原始條件、工具類型和參數(shù)(見(jiàn)圖2)；設(shè)計(jì)可轉(zhuǎn)位銑刀時(shí)還需要對(duì)刀片的形狀和尺寸、刀片的定位與夾緊方式進(jìn)行設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)。

圖1 銑刀的設(shè)計(jì)流程

(a) 原始條件

(b) 工具類型

(c) 結(jié)構(gòu)參數(shù)

(d) 幾何參數(shù)圖2 設(shè)計(jì)銑刀時(shí)設(shè)定的原始條件、工具類型和參數(shù)

(a) 刀片的形狀及尺寸

(b) 刀片的定位與夾緊方式

2 銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程的模塊化

根據(jù)銑刀設(shè)計(jì)流程，結(jié)合“模塊化設(shè)計(jì)”概念，可繪制銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程的功能模塊。在圖形化平臺(tái)下，把銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程繪制成圖4中主模塊，并根據(jù)圖2和圖3繪制圖4中子模塊。圖4中子模塊包括處理模塊和文檔儲(chǔ)存模塊：處理模塊表示處理過(guò)程；文檔儲(chǔ)存模塊表示文檔的查找與儲(chǔ)存[8-11]。

繪制的功能模塊均采用通用模型(見(jiàn)圖5)。當(dāng)模塊只是簡(jiǎn)單的輸入輸出時(shí)，采用圖5(a)的模塊樣式；當(dāng)模塊設(shè)計(jì)中需要查詢相關(guān)表、設(shè)計(jì)手冊(cè)以及使用計(jì)算公式時(shí)，采用圖5(b)的模塊樣式。但是，這兩個(gè)功能模塊的通用模型中各部分內(nèi)容是一樣的，主要包括編號(hào)、功能、實(shí)現(xiàn)功能過(guò)程和輸出內(nèi)容四部分。

圖4 銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程的功能模塊

(a) 處理模塊 (b) 文檔儲(chǔ)存模塊圖5 功能模塊的通用模型

2.1 編 號(hào)

模塊的編號(hào)是模塊之間區(qū)別的標(biāo)識(shí)。為了便于區(qū)分和使用，模塊的編號(hào)用大寫英文字母(如A、B、C等)或大寫英文字母+阿拉伯?dāng)?shù)字(如A1或A11等)表示。其中，大寫英文字母表示主功能模塊，如B表示確定銑刀類型模塊，C表示確定結(jié)構(gòu)參數(shù)模塊等(其命名順序是按英文字母順序依次排序的，英文字母所代表的功能依次對(duì)應(yīng)銑刀的設(shè)計(jì)流程)；大寫英文字母+阿拉伯?dāng)?shù)字表示子模塊，字母后的第一位表示子模塊的序列，之后的數(shù)字只是為了區(qū)分子模塊，沒(méi)有特殊意義。功能模塊通用模型的編號(hào)表示規(guī)則如圖6所示。

圖6 功能模塊通用模型的編號(hào)表示規(guī)則

2.2 模塊功能

模塊功能部分通常包括簡(jiǎn)單的輸入輸出功能、查表功能、計(jì)算參數(shù)值功能、查詢標(biāo)準(zhǔn)化手冊(cè)功能等。

2.3 實(shí)現(xiàn)功能過(guò)程

在模塊定義過(guò)程中，每個(gè)模塊表示一條指令，完成一定的功能。實(shí)現(xiàn)功能過(guò)程部分是模塊功能實(shí)現(xiàn)的方法及步驟，主要是通過(guò)輸入相應(yīng)的已知參數(shù)(值)、實(shí)現(xiàn)功能所需的表、原則、計(jì)算公式以及判斷依據(jù)等，而得出結(jié)果。

2.4 輸出內(nèi)容

輸出內(nèi)容部分是處理實(shí)現(xiàn)功能過(guò)程的結(jié)果，可以輸出數(shù)據(jù)(如模塊C21)，調(diào)用子模塊(如模塊B11)，選擇子模塊(如模塊B)，也可以結(jié)束過(guò)程(當(dāng)某種銑刀的某一參數(shù)不需要設(shè)計(jì)時(shí)可以結(jié)束此模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程)。

3 模塊自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)

3.1 模塊相關(guān)操作的實(shí)現(xiàn)

3.1.1 接 入

以某個(gè)模塊作為根節(jié)點(diǎn)的對(duì)象樹，與另外一個(gè)以其他模塊為根節(jié)點(diǎn)的對(duì)象樹連接，這一過(guò)程被稱為模塊的接入。當(dāng)要接入的對(duì)象樹(從樹)進(jìn)入被接入的對(duì)象樹(主樹)上某個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效接入?yún)^(qū)域時(shí)，原來(lái)與主樹上該節(jié)點(diǎn)連接的其他節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)從這個(gè)接入點(diǎn)分離出去，從樹則接入該節(jié)點(diǎn)，分離出去的節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)接入從樹的接入點(diǎn)，從而改變主樹的連接關(guān)系[12]。

3.1.2 移 動(dòng)

模塊的移動(dòng)，指模塊沒(méi)有接入設(shè)計(jì)流程圖中而需要移動(dòng)模塊的位置，使其接入該模塊的父模塊，最后生成完整的設(shè)計(jì)流程圖。從自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的角度看，模塊即節(jié)點(diǎn)。當(dāng)模塊或以模塊為根節(jié)點(diǎn)的對(duì)象樹接入的位置不合適而需要調(diào)整流程圖的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須移動(dòng)模塊或?qū)ο髽?。這里，移動(dòng)的方式很簡(jiǎn)單，選中要移動(dòng)的對(duì)象，摁住鼠標(biāo)左鍵不放，然后拖動(dòng)鼠標(biāo)，直至移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的位置再放開(kāi)鼠標(biāo)左鍵即可。這一移動(dòng)過(guò)程也是將移動(dòng)對(duì)象先從其父節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)，然后接入另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。若移動(dòng)的區(qū)域大于父節(jié)點(diǎn)的接入?yún)^(qū)域則斷開(kāi)，若小于要接入節(jié)點(diǎn)的有效區(qū)域則接入。

3.1.3 刪 除

刪除主要是刪除沒(méi)有用的或多余的對(duì)象。通常沒(méi)有分支的節(jié)點(diǎn)直接刪除即可，而有分支的節(jié)點(diǎn)，一般先把該節(jié)點(diǎn)的分支節(jié)點(diǎn)刪除，然后刪除節(jié)點(diǎn)本身，這樣做是為了達(dá)到刪除以該節(jié)點(diǎn)為根的對(duì)象樹的目的。刪除之后還需要把其他節(jié)點(diǎn)接入相應(yīng)的位置，以保證設(shè)計(jì)流程的完整性。

3.1.4 縮 放

用戶可以通過(guò)調(diào)節(jié)整個(gè)界面的大小來(lái)控制模塊的比例。實(shí)現(xiàn)比例縮放的方法通常有兩種，即Trace和Rata。同時(shí)，每個(gè)功能模塊具有左右、上下縮放功能，拖動(dòng)模塊的左右或上下邊緣即可實(shí)現(xiàn)。

3.2 自動(dòng)生成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)過(guò)程圖形化的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成技術(shù)，它不但是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。自動(dòng)生成技術(shù)包括兩方面內(nèi)容，即設(shè)計(jì)流程圖與相應(yīng)的C代碼[12]。這兩方面內(nèi)容的自動(dòng)生成均需要從整體考慮，即將節(jié)點(diǎn)及其分支作為一個(gè)對(duì)象樹。在設(shè)計(jì)流程圖的自動(dòng)生成過(guò)程中，先繪制節(jié)點(diǎn)自身的外在圖標(biāo)，然后依次繪制由其分支組成對(duì)象樹的圖標(biāo)。C代碼的自動(dòng)生成與設(shè)計(jì)流程圖的生成順序正好相反。

4 銑刀設(shè)計(jì)模塊的重組定制

當(dāng)設(shè)計(jì)某種銑刀時(shí)，可按照4個(gè)步驟定制設(shè)計(jì)過(guò)程模型。

步驟一，功能模塊重組定制。根據(jù)銑刀的設(shè)計(jì)需求，對(duì)已建立的若干模塊進(jìn)行取舍和重組。

步驟二，選定模塊實(shí)例化。根據(jù)選定模塊各部分的具體內(nèi)容與要求，將輸入輸出內(nèi)容具體化、實(shí)例化，最終得到該銑刀的設(shè)計(jì)結(jié)果。選定模塊實(shí)例化的過(guò)程就是定義模塊的過(guò)程，應(yīng)根據(jù)C語(yǔ)言的編程思想定義通用模塊的各部分，以便模塊的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

步驟三，建立結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)過(guò)程模型。根據(jù)拼圖思想，對(duì)于重組后功能模塊，用順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)等基本結(jié)構(gòu)，從上往下構(gòu)建設(shè)計(jì)流程圖的結(jié)構(gòu)，并在功能模塊的內(nèi)部組建一種算法結(jié)構(gòu)。這種算法結(jié)構(gòu)的搭建與設(shè)計(jì)流程圖外在結(jié)構(gòu)的搭建過(guò)程是一致的，同樣需要建立在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。所有結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)流程都可以用這些基本結(jié)構(gòu)組合表示。

步驟四，建立功能模塊之間的連接。在定義功能模塊時(shí)已經(jīng)明確了模塊之間的關(guān)系，因此只需在選用的功能模塊之間建立連接箭頭，表明輸出內(nèi)容的流向即可[13-15]。

5 實(shí)例驗(yàn)證

本文以成形銑刀和硬質(zhì)合金立銑刀的設(shè)計(jì)過(guò)程為例，驗(yàn)證所建立銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程圖形化模型的可行性。

5.1 成形銑刀

5.1.1 給定條件

(1) 在圖7所示的工件廓形中，R=10 mm，φ=10°，h1=R+h2=10+1=11(mm)，h3=2 mm。

圖7 工件廓形

(2) 所設(shè)計(jì)銑刀作半精加工之用。

(3) 設(shè)備及工件安裝情況：鏟齒車床帶有凸輪軸一套；回程有3種(90°、60°和45°)；通過(guò)絲桿機(jī)構(gòu)可任意調(diào)節(jié)機(jī)床的鏟背量K，不受任何限制；芯軸直徑為22～40 mm的標(biāo)準(zhǔn)銑刀一套[4]。

5.1.2 成形銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模型

根據(jù)銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程建模步驟建立的成形銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模型如圖8所示。

在設(shè)計(jì)成形銑刀時(shí)，選用B模塊,確定刀具類型;根據(jù)已知加工條件、使用的機(jī)床和工件截圖等原始條件，選擇B13、B14、B15各子模塊，并輸入相應(yīng)的原始條件信息；通過(guò)B22，根據(jù)工件廓形選擇刀具類型，并將輸出的刀具類型確定為成形銑刀。以此類推，選用C模塊、D模塊、E模塊等，直至設(shè)計(jì)出成形銑刀的所有參數(shù)。

5.2 硬質(zhì)合金立銑刀

5.2.1 原始條件

所設(shè)計(jì)整體硬質(zhì)合金立銑刀的加工對(duì)象為Ti-6A1-4V，材料的化學(xué)成分和性能參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。刀具設(shè)計(jì)主要面向?qū)嶋H生產(chǎn)中常用的型面?zhèn)缺阢娤鞴に?，其加工參?shù)如表3所示。

圖8 成形銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模型

%

表2 Ti-6A1-4V的性能參數(shù)

表3 刀具設(shè)計(jì)面向型面?zhèn)缺阢娤鞴に嚨募庸?shù)

5.2.2 硬質(zhì)合金立銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模型

根據(jù)銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程建模步驟建立的硬質(zhì)合金立銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模型如圖9所示。

在設(shè)計(jì)整體硬質(zhì)合金立銑刀時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程模型的建立方法與成形銑刀相似，但選用的模塊不同，選用模塊之后輸入的參數(shù)不同，輸出的結(jié)果也不同。

5.3 實(shí)例驗(yàn)證分析

從該實(shí)例可以看出，運(yùn)用所建立的銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模塊，結(jié)合成形銑刀和整體硬質(zhì)合金立銑刀設(shè)計(jì)的具體情況，選擇適用的功能模塊，可以建立結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)過(guò)程模型。各模塊都有其自動(dòng)實(shí)現(xiàn)和可重復(fù)利用的特性，可達(dá)到提高銑刀設(shè)計(jì)效率的目的。

圖9 硬質(zhì)合金立銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程建模

6 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)了銑刀的設(shè)計(jì)過(guò)程，在圖形化平臺(tái)下，通過(guò)建立銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模型，實(shí)現(xiàn)銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模型的可視化及可重用性，并動(dòng)態(tài)地展示了具體的銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程。以成形銑刀和硬質(zhì)合金立銑刀為具體實(shí)例，驗(yàn)證了所建立銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程模型的可行性。銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程的圖形化建模，能夠直觀、動(dòng)態(tài)地表達(dá)銑刀的設(shè)計(jì)過(guò)程，提高銑刀設(shè)計(jì)過(guò)程的柔性及其模型的可重用性，進(jìn)而提高銑刀的設(shè)計(jì)效率、加工速度和質(zhì)量。