基于UG/NX软件的刀具设计方法及系统与流程

基于ug/nx软件的刀具设计方法及系统
技术领域
1.本发明涉及刀具设计技术领域，具体涉及一种基于ug/nx软件的刀具设计方法及系统。


背景技术：

2.随着制造业的转型升级，切削加工技术也在不断发展，无论是高精密的超精加工还是高效率的重载加工、新型复合材料加工还是传统钢材加工、或是其他复杂结构件加工，多样化的切削加工对刀具的需求也日益增多，越来越受机械制造行业用户的广泛关注。为了缩短刀具产品开发周期，刀具生产企业通常在满足客户需求工况的前提下会选择现有刀具进行设计和优化，一般是先梳理客户需求的工况信息(如工件材料、切削参数等)，从中提取刀具设计参数(如轴向前角、径向前角、主偏角等)，然后在现有产品中匹配与之相符的刀具产品，再在ug/nx软件中将产品模型进行设计、优化等，最终获得所需的产品设计方案。
3.如图1所示，是一种传统刀具设计流程，利用ug/nx软件将现有刀具产品进行设计和优化，但存在以下问题：
4.a、设计难度较大，刀具模型的摆正(摆正，即在ug/nx的虚拟三维空间中将模型摆放至满足需求的静态工作状态)需要计算复杂的三维空间角度，并且验证一种方案是否可行所需要的时间较长、步骤较为复杂；
5.b、设计门槛为较高，需要设计人员对ug/nx软件熟练掌握、对切削刀具的设计参数非常熟悉以及具有一定设计经验才能胜任该项工作。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于ug/nx软件的刀具设计方法及系统，将原本复杂的过程简化为特征选择和参数设置，并利用计算机强大的计算能力，快速从众多可预见或不可预见的方案中筛选出满足关键几何参数需求的最佳设计方案，从而实现刀具的快速设计。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
8.一方面，一种基于ug/nx软件的刀具设计方法，基于ug/nx软件进行，包括：
9.导入刀具模型；
10.获取选择的切削刀具的关键特征；
11.获取设置的切削刀具的第一关键参数；
12.将设置的第一关键参数与经验数据库中存储的第二关键参数进行匹配，匹配出关键几何参数；
13.基于选择的关键特征进行自动测量计算，筛选出符合关键几何参数的所有刀具设计方案；
14.基于实际工况要求，输出最佳刀具设计方案。
15.优选的，选择的关键特征包括：切削刃、修光刃、关键点和刀具。
16.优选的，设置的第一关键参数包括工件材料信息ξ1、切削方式ξ2、关键几何参数ξ3和计算精度ξ4中的一个及以上。
17.优选的，经验数据库中存储的第二关键参数包括工件材料信息ξ1、切削方式ξ2、关键几何参数ξ3和计算精度ξ4。
18.优选的，匹配出的关键几何参数包括：主偏角kr、轴向前角ar、径向前角rr和刃型精度ξ
37
；所述轴向前角ar的取值范围为[ξ
31
,ξ
32
]；所述轴向前角ar的计算精度为ξ
33
；所述径向前角rr的取值范围为[ξ
34
,ξ
35
]；所述径向前角rr的计算精度为ξ
36
。
[0019]
优选的，基于选择的关键特征进行自动测量计算，筛选出符合关键几何参数的所有刀具设计方案，具体包括：
[0020]
(a)获取关键参数和关键特征步骤，基于选择的关键特征和匹配出的第二关键参数，得到刀具回转轴s的方向向量轴上点sp＝(x
p
,y
p
,z
p
)、点k(x0,y0,z0)、切削刃的端点p0、修光刃的端点集合{x1,x2}和主偏角kr；
[0021]
(b)获取基本条件特征步骤，以点k为球心，则点p0绕点k旋转产生的球面q轨迹方程为(a-x0)2+(b-y0)2+(c-z0)2＝r2，球面q上的点集合为{p0}，该点集合中任意点的坐标为p0＝(a,b,c)，则点k与点p0的距离即为半径r，球面上任意点p0在刀具回转轴s上的垂足为p0′
，点p0距离刀具回转轴s的距离为r
′
；点k在刀具回转轴s上的垂足为点k
′
，点k距离点k
′
的距离为r；点p0′
与点k
′
之间的距离为l；过k
′
点且以为法向的平面为轴投影平面f；过点k且以为法向的平面为假定工作平面w；过点k且与相垂直的向量为则以为法向的平面为切向平面t；
[0022]
(c)计算条件集合步骤，计算以点k为起点，以点集合{p0}中任意点p0为终点的向量为则过点k且以向量为方向的轴的集合为{an}，依次以集合{an}内的轴an为回转轴进入循环h，直至最后一个轴an；循环h结束后，将所有满足条件的点集合{p0}中点p0与旋转角a的组合作为条件集合{p
0-a}进行保存；
[0023]
循环h包括：切削刃11的长度为l1，则在切削刃11上等间距取点集合{p
11
}，点集合{p
11
}数量为n
11
取整数，点集合{p
11
}上任意点p
11
在刀具回转轴s上的垂足为点p
111
，则p
11
与点p
111
的距离的为集合{r
11
}，点集合{p
11
}上任意点p
11
在平面w的垂足为点p
112
点，则p
11
与点p
112
的距离为集合{h
11
}，则以点集合{p
11
}上任意点p
11
对应集合{r
11
}的值r
11
为坐标x，以点集合{p
11
}上任意点p
11
对应集合{h
11
}的值h
11
为坐标y，构成坐标集合{p
11
′
＝(x,y)}，则在以点k为原点的二维坐标系x-y中，点集合{p
11
′
＝(x,y)}中各点p
11
′
距离直线y＝k
·
x的最大距离与最小距离之差的绝对值为刃精度η；点p0在平面f上的投影点为p1，则切削刃方向向量在平面f上的投影向量则与的夹角即为轴向前角ar；修光刃绕轴an进行旋转，旋转角为a，则修光刃方向向量在平面w上的投影向量为向量与向量的夹角即为径向前角rr；由于切削刃与修光刃二者归属于一个整体，当满足预设条件时，判断出点集合{p0}中点p0与旋转角a为满足条件的组合。
[0024]
优选的，所述预设条件包括：
[0025]
条件1：其中，t为调整系数，且t＞0；
[0026]
条件2：ξ
31
≤ar≤ξ
32
；
[0027]
条件3：ξ
34
≤rr≤ξ
35
；
[0028]
条件4：刃精度η≤ξ
37
。
[0029]
优选的，基于实际工况要求，输出最佳刀具设计方案，具体包括：
[0030]
如果实际工况要求满足工件加工精度，则输出条件集合{p
0-a}中刃精度η最小的数据作为最佳方案；
[0031]
如果实际工况要求刀具满足强刀具槽型结构，则输出条件集合{p
0-a}中径向前角rr最小的数据作为最佳方案；
[0032]
如果实际工况要求刀具满足锋利槽型结构，则输出条件集合{p
0-a}中轴向前角rr最大的数据作为最佳方案；
[0033]
如果实际工况要求刀具满足综合性能，则输出条件集合{p
0-a}中适中的径向前角rr以及适中的轴向前角ar的数据作为最佳方案；
[0034]
如果条件集合{p
0-a}仅有一组，则输出该组作为最佳方案。
[0035]
优选的，所述的基于ug/nx软件的刀具设计方法，还包括：
[0036]
若没有满足条件的条件集合{p
0-a}，即无适合方案，输出修改关键参数和/或关键特征的提示。
[0037]
另一方面，一种基于ug/nx软件的刀具设计系统，包括：
[0038]
刀具模型导入步骤，用于导入刀具模型；
[0039]
关键特征设置模块，用于在基于ug/nx软件开发的gui界面上，获取选择的切削刀具的关键特征；
[0040]
第一关键参数设置模块，用于在基于ug/nx软件开发的gui界面上，获取设置的切削刀具的第一关键参数；
[0041]
关键参数匹配模块，用于通过编程语言将设置的第一关键参数与经验数据库中存储的第二关键参数进行匹配，匹配出关键几何参数；
[0042]
自动测量计算模块，用于在ug/nx软件下，基于算法编写程序进行自动测量计算，算法包括：基于选择的关键特征进行自动测量计算，筛选出符合关键几何参数的所有刀具设计方案；
[0043]
最佳方案输出模块，用于在ug/nx软件下，基于实际工况要求，输出最佳刀具设计方案。
[0044]
采用上述方案后，本发明的有益效果是：
[0045]
(1)本发明利用ug/nx软件的二次开发功能，实现刀具的快速设计，从而简化操作步骤，提高设计效率；具体的通过开发的gui界面，将原本复杂的过程简化为几步简单的特征选择和参数设置，并利用计算装置强大的计算能力，快速从众多可预见或不可预见的方案中筛选出满足需求的最佳设计方案；
[0046]
(2)本发明降低了设计门槛，将以往的设计经验参数固化到数据库，没有设计经验的人员只需要设置一个及以上的关键参数即可获得到关键几何参数，从而设计出满足需求的最佳设计方案。
[0047]
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于ug/nx软件的刀具设计方法及系统不局限于实施例。
附图说明
[0048]
图1是传统刀具设计流程图；
[0049]
图2是本发明实施例的基于ug/nx软件的刀具设计方法流程图；
[0050]
图3是本发明实施例的基于ug/nx软件的刀具设计方法的具体实施流程图；
[0051]
图4是本发明实施例的“自动测量计算算法”示意图；
[0052]
图5是本发明实施例的获取“关键特征”示意图；
[0053]
图6是本发明实施例的获取“关键参数”示意图；
[0054]
图7是本发明实施例的获取“基本条件特征”示意图；
[0055]
图8是本发明实施例的获取工作平面和切向平面的示意图；
[0056]
图9是本发明实施例的获取距离集合的示意图；
[0057]
图10是本发明实施例的距离直线的示意图；
[0058]
图11是本发明的基于ug/nx软件的刀具设计系统结构框图。
具体实施方式
[0059]
以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述和讨论。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0060]
参见图2所示，本发明一种基于ug/nx软件的刀具设计方法，基于ug/nx软件进行，包括：
[0061]
s201，导入刀具模型；
[0062]
s202，获取选择的切削刀具的关键特征；
[0063]
s203，获取设置的切削刀具的第一关键参数；
[0064]
s204，将设置的第一关键参数与经验数据库中存储的第二关键参数进行匹配，匹配出关键几何参数；
[0065]
s205，基于选择的关键特征进行自动测量计算，筛选出符合关键几何参数的所有刀具设计方案；
[0066]
s206，基于实际工况要求，输出最佳刀具设计方案。
[0067]
具体的，所述的基于ug/nx软件的刀具设计方法，还包括：
[0068]
若无适合方案，输出修改关键参数和/或关键特征的提示。
[0069]
本实施例中，一种基于ug/nx软件的刀具设计方法的执行主体为安装有ug/nx软件的终端设备，如计算机。
[0070]
本实施例以一种可转位切削刀具测量为例。参见图5～图7为一种可转位切削刀具模型示意图，该可转位切削刀具由刀具1、螺钉3以及具有回转轴s的刀体2组成，刀具1通过螺钉3固定在刀体2上。
[0071]
参见图3所示，与上述步骤对应的，本发明的基于ug/nx软件的刀具设计方法的具体实施步骤包括：
[0072]
a.ug/nx中导入刀具模型至任意位置；
[0073]
b.在ug/nx软件上通过“自定义菜单”打开二次开发软件(后面简称“软件”)；
[0074]
c.根据步骤提示依次选择“关键特征”；
[0075]
d.在软件中设置“关键参数”，软件会根据“关键参数”自动与“经验数据库”匹配得
到合适的“关键几何参数”；
[0076]
e.软件根据所选特征进行自动测量计算，筛选出符合“关键几何参数”的方案，并将方案保存到输出数据库中；
[0077]
f.若输出数据库无数据，即无适合方案，系统自动提醒用户修改“关键参数”或“关键特征”，若修改则返回步骤c或步骤d，重新设置后再次计算；
[0078]
g.软件自动汇总所有满足“关键几何参数”的方案并输出到用户界面供用户查看使用。
[0079]
h.用户根据输出结果选择“最佳方案”并进行刀具设计。
[0080]
参见图5所示，是一种可转位切削刀具，所述步骤c中的“关键特征”，可包括但不仅限于：切削刃11、修光刃12、关键点13(点k)、刀具1等特征。
[0081]
所述步骤d中的“关键参数”，可包括且不仅限于：工件材料信息ξ1、切削方式ξ2(本实例为方肩铣)、刀具“关键几何参数”ξ3(包括：主偏角kr＝90
°
、轴向前角ar取值范围[ξ
31
,ξ
32
]＝[0
°
,20
°
]、轴向前角ar计算精度ξ
33
＝0.05、径向前角rr取值范围[ξ
34
,ξ
35
]＝[-20
°
,0
°
]、径向前角rr计算精度ξ
36
＝0.05、刃型精度ξ
37
＝0.05等)、计算精度ξ4＝0.1。
[0082]
所述步骤d中的“经验数据库”：是利用仿真分析软件模拟在不同加工工况下，使用不同刀具几何结构设计方案和不同切削方式切削各种工件材料的加工情况，并结合实际测试，收集汇总仿真分析结果和测试结果数据，通过mysql等数据库软件进行存储，存储的内容包括工件材料信息、切削方式信息、刀具关键几何参数信息等，并与所述的“软件”进行数据互通。
[0083]
所述步骤d中的关键参数匹配，具体是软件获取设置的“关键参数”后，自动关联到“经验数据库”，以设置的“关键参数”作为筛选条件，并利用sql语言在“经验数据库”中按工件材料信息、切削方式信息、刀具关键几何参数信息等信息进行匹配，筛选出符合条件的数据，最后将匹配筛选出的数据输出到“关键参数”设置界面中，完成参数匹配。
[0084]
本实施例具体实施时，只需要在“关键参数”设置界面设置其中至少一个的上述的第一关键参数即可，如只需要输入工件材料信息ξ1，或工件材料信息ξ1与切削方式ξ2的组合，或工件材料信息ξ1、切削方式ξ2和关键几何参数ξ3的组合，或工件材料信息ξ1、切削方式ξ2、关键几何参数ξ3和计算精度ξ4的组合等，“经验数据库”即可匹配出与输入关键参数匹配的第二关键参数。需要说明的是，所输入的第一关键参数的信息越多，匹配精度越高，如只设置工件材料信息ξ1，可能匹配出几百条第二关键参数信息，设置工件材料信息ξ1与切削方式ξ2，则可能只匹配出几十条第二关键参数信息，更方便用户选择。此外，如果“经验数据库”中没有与设置的第一关键参数完全匹配的信息，则可根据算法匹配出最为接近的第二关键参数，如输入的关键几何参数ξ3在“经验数据库”中不存在，则会输出预设精度偏差内的关键几何参数。
[0085]
所述步骤e中的软件“自动测量计算”，是以数学中的相关理论知识为基础，结合刀具设计中的各“关键几何参数”的定义设计“自动测量和计算”算法，利用ug/nx的二次开发功能将算法转换成代码，并在三维模型上将各“关键几何参数”进行自动测量计算。
[0086]
参见图4所示，所述的“自动测量和计算”算法流程如下。
[0087]
①
获取“关键特征”。如图5和图6所示，得到刀具回转轴s的方向向量轴上点sp＝(x
p
,y
p
,z
p
)、点k(关键点13)＝(x0,y0,z0)、切削刃11的端点p0、
修光刃12的端点集合{x1,x2}，获取“关键参数”，得到主偏角kr等参数。
②
如图6所示，计算并获取基本条件特征。以点k(关键点13)为球心，则点p0绕点k(关键点13)旋转产生的球面q轨迹方程为(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝r2，球面q上的点集合为{p0}，则如图7所示，点k与点p0的距离即为半径r，球面上任意点p0在刀具回转轴s上的垂足为p0′
，点p0距离刀具回转轴s的距离为r
′
；点k在刀具回转轴s上的垂足为点k
′
，点k距离点k
′
的距离为r；点p0′
与点k
′
之间的距离为l；过k
′
点且以为法向的平面为轴投影平面f；过点k且以为法向的平面为工作平面w；过点k且与相垂直的向量为则以为法向的平面为切向平面t；
③
计算条件集合{p
0-a}。如图7所示，计算以点k为起点，以点集合{p0}中任意点p0为终点的向量为则过点k且以向量为方向的轴的集合为{an}，如图4所示，依次以集合{an}内的轴an为回转轴进入循环h，直至最后一个轴an。循环h具体：切削刃11的长度为l1，则在切削刃11上等间距取点集合{p
11
}，点集合{p
11
}数量为n
11
取整数(其中，ξ4为所述的计算精度)。如图9所示，点集合{p
11
}上任意点p
11
在刀具回转轴s上的垂足为点p
111
，则p
11
与点p
111
的距离的集合为{r
11
}，点集合{p
11
}上任意点p
11
在平面w的垂足为点p
112
点，则p
11
与点p
112
的距离的集合为{h
11
}。如图10所示，以点集合{p
11
}上任意点p
11
对应集合{r
11
}的值r
11
为坐标x、以点集合{p
11
}上任意点p
11
对应集合{h
11
}的值h
11
为坐标y，构成坐标集合{p
11
′
＝(x,y)}，则在以点k为原点的二维坐标系x-y中，点集合{p
11
′
＝(x,y)}中各点p
11
′
距离直线y＝k
·
x(其中k＝arctan(kr)，kr为主偏角，0
°
＜kr＜180
°
)的最大距离与最小距离之差的绝对值为刃精度η，当kr＝90
°
时直线方程为x＝0。如图8所示，点p0在平面f上的投影点为p1，则切削刃方向向量在平面f上的投影向量则与的夹角即为轴向前角ar；修光刃12绕轴an进行旋转，旋转角为a(0
°
≤a≤360
°
)，则修光刃方向向量在平面w上的投影向量为向量与向量的夹角即为径向前角rr。由于切削刃11与修光刃12二者归属于一个整体，当满足以下四个条件时即可获取条件集合{p
0-a}。条件1：其中，kr为所述的主偏角，ξ
33
为所述的轴向前角ar计算精度，t为调整系数，且t＞0，l为前面
②
所述点p0′
与点k
′
之间的距离，r’为前面
②
所述点p0距离刀具回转轴s的距离。当kr＝90
°
时条件一变为r
′
＝r，r为前面
②
所述点k距离刀具回转轴s的距离。条件2：ξ
31
≤ar≤ξ
32
，其中，ξ
31
、ξ
32
为所述的轴向前角ar取值范围。条件3：ξ
34
≤rr≤ξ
35
，其中，ξ
34
、ξ
35
为所述的径向前角rr取值范围。条件4：刃精度η≤ξ
37
，其中，ξ
37
为所述的刃型精度。循环h结束后，同时满足4个条件的点集合{p0}中点p0与旋转角a的组合集合即为条件集合{p
0-a}。
[0088]
所述步骤h中的用户根据输出结果选择“最佳方案”并进行刀具设计，具体包括：
[0089]
自动测量计算算法中计算出了条件集合{p
0-a}，包括了满足所选择的“关键参数”以及匹配出的所述的“关键几何参数”的所有合适方案，用户可需根据实际工况需求进行最后筛选。
[0090]
刷选方案包括：
[0091]
若实际工况要求工件加工精度高则选择方案集合{p
0-a}中所述的刃精度η最小的数据作为“最佳方案”；
[0092]
若实际工况要求刀具具有较强刀具槽型结构的优先选择方案集合{p
0-a}中所述的径向前角rr较小的数据作为“最佳方案”；
[0093]
若实际工况要求刀具具有锋利槽型结构的优先选择方案集合{p
0-a}中所述的轴向前角ar较大的数据作为“最佳方案”；
[0094]
若实际工况要求刀具具有较好综合性能的优先选择方案集合{p
0-a}中所述的适中的径向前角rr以及适中的轴向前角ar的数据作为“最佳方案”；若方案集合{p
0-a}仅有一组，则该组即为“最佳方案”。
[0095]
本实施例中，所述步骤b中的“自定义菜单”，是使用ug/nx二次开发的menu script自定义菜单创建。
[0096]
本实施例中，所述步骤b中的“软件”代码，可使用c、c++、c#、.net、java、python等ug/nx支持的二次开发语言撰写，将“软件”gui界面、参数设置模块、自动测量模块、输出模块等进行程序化封装，编译成动态链接文件。
[0097]
需要说明的是，本发明不限于可转位刀具设计，也适用于其他焊接式和整体式刀具设计。
[0098]
另一方面，参见图11所示，本发明一种基于ug/nx软件的刀具设计系统，包括：
[0099]
刀具模型导入步骤111，用于导入刀具模型；
[0100]
关键特征设置模块112，用于在基于ug/nx软件开发的gui界面上，获取选择的切削刀具的关键特征；
[0101]
第一关键参数设置模块113，用于在基于ug/nx软件开发的gui界面上，获取设置的切削刀具的第一关键参数；
[0102]
关键参数匹配模块114，用于通过编程语言将设置的第一关键参数与经验数据库中存储的第二关键参数进行匹配，匹配出关键几何参数；
[0103]
自动测量计算模块115，用于在ug/nx软件下，基于算法编写程序进行自动测量计算，算法包括：基于选择的关键特征进行自动测量计算，筛选出符合关键几何参数的所有刀具设计方案；
[0104]
最佳方案输出模块116，用于在ug/nx软件下，基于实际工况要求，输出最佳刀具设计方案。
[0105]
一种基于ug/nx软件的刀具设计系统的具体实现同一种基于ug/nx软件的刀具设计方法，本实施例不再重复说明。
[0106]
以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。