CN104217071A - 一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法 - Google Patents

Abstract

一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，属于可转位刀具自动虚拟装配技术领域。本发明为了解决现有的可转位端面铣刀刀体及其组件装配过程中繁琐复杂、易于出错，设计精度低、产品的设计周期长、设计成本高的问题。提出的技术方案如下：创建具有随动性的人机交互界面，开发不同窗口界面间的调用函数；创建基于ACCESS的关系型刀盘参数数据库，用于刀盘数据的加载；刀盘主体模型的加载、垫片模型的加载、刀盘与垫片的装配、刀片模型的加载、刀盘与刀片的装配。本发明适用于可转位刀具刀体及其组件的自动虚拟装配。

Description

一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法

技术领域

本发明涉及一种铣刀刀体及其组件虚拟装配方法，尤其涉及一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，属于可转位刀具自动虚拟装配技术领域。

背景技术

传统的可转位刀具设计过程中，刀体与刀片的装配通常使用手动装配，繁琐复杂、难度大、工作量大且易出现错误，这不仅降低了设计者的工作效率，而且降低了装配质量。并且由于装配体都是系列化的，大多数装配体的结构和零件的结构都具有相似性，手工装配的实施，必然会使设计人员把更多的精力放在重复装配上。因此参数化的CAD系统的自动装配技术始终是软件二次开发的一个重要方向。

传统三维软件的装配技术采用的是自顶向下的设计方法，该方法的思路是在产品设计初期就从整体的角度考虑零件与零件间的约束定位关系，在产品的整体设计完成之后，再对单个零件进行详细的设计。传统装配方法往往将大部分的时间耗费在零件装配中的定位方式上，这种方法必然降低零件的设计效率。

目前，国内的可转位刀具普遍采用普通机床加工，在加工效率和加工精度上存在较多问题。国外的可转位刀具与数控机床发展相结合，刀具的设计制造装配普遍采用计算机辅助设计与计算机辅助制造技术。

UG是美国UGS公司推出的三维设计软件Unigraphics，是一个交互式计算机辅助设计与计算机辅助制造系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。已经成为机械行业三维实体设计、加工工艺流程设计、装配设计的一个主流应用。但UG软件没有提供企业专用系列化可转位刀具刀体及其组件的自动虚拟装配系统，可转位刀具装配还有很多约束和不便之处。

因此，如何利用UG软件开发企业定制的专用系列化可转位刀具刀体及其组件的自动虚拟装配系统，使可转位刀具的装配简化、提高可操作性、扩大适用性，有利于提高刀具设计的整体水准，成为现代企业提高设计能力、提高自主创新能力从而实现高效率、高品质、低成本生产，提高经济效益亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，以解决现有的可转位端面铣刀刀体及其组件装配过程中繁琐复杂、易于出错，设计精度低、产品的设计周期长、设计成本高的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，包括以下步骤：

步骤一、创建具有随动性的人机交互界面，开发不同窗口界面间的调用函数；

步骤二、创建基于ACCESS的关系型刀体参数数据库，用于刀体数据的加载；

步骤三、刀体主体模型的加载、垫片模型的加载、刀体与垫片的装配、刀片模型的加载、刀体与刀片的装配。

本发明具有以下有益效果：

1.大大降低了可转位端面铣刀刀体及其组件手动装配的强度，大大缩短了产品的设计周期，降低了设计成本。同一系列可转位端面铣刀刀体根据尺寸参数不同有很多单品，若采用手工装配可转位端面铣刀刀体及其组件需要大约两周时间左右，采用本发明装配只需15分钟左右；

2.装配精度高，完全满足生产实际需要，灵活性好；

3.采用ODBC数据访问接口与SQL语言和C++语言开发了基于ACESS的关系型刀体参数数据库，该数据库完成刀体数据的加载，方便快捷；

4.采用UG自带的UIStyler和Windows应用程序开发工具MFC创建随动的人机交互界面，开发不同窗口界面间的调用函数。人机交互界面包括菜单和窗口，菜单编写采用的是UG/Open Menuscript脚本语言，主窗口采用的是UIStyler，与UG环境界面风格相匹配，且其开发形式相对简单，数据库窗口采用的Windows应用程序开发工具MFC，与UIStyler相比它能提供了与数据库的接口，方便数据的链接与访问，并易于实现复杂的界面，与UG/Open API相比它易于实现复杂数据结构，与UG/Open相比它能更好的处理长字符串；

5.在生成的可转位端面铣刀刀体与刀片的自动虚拟装配生成的可转位端面铣刀三维实体模型基础上，还可以开发可转位端面铣刀切削过程仿真软件，对切削过程进行动态仿真，帮助刀具设计者验证刀具的参数合理与否，减少或者避免试切，直接降低工件的试切、调试费用，缩短试制周期，提高经济效益。

附图说明

图1是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统的菜单图，点击自动装配，进入加载与装配下拉菜单，点击加载刀体，进入人机交互界面中的刀体数据库界面。

图2是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统的人机交互界面中的刀体数据库界面，包含查询数据库中的数据、全部显示数据库中的所有数据等操作。输入查询条件，点击查询可查询符合查询条件的刀具；点击全部显示可显示数据库中所有的刀具数据；选中某一个刀体参数数据点击确认完成刀体模型加载。

图3是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统在数据库中选取齿数为4的数据进行自动虚拟装配结果。

图4是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统在数据库中选取齿数为6的数据进行自动虚拟装配结果。

图5是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统在数据库中选取齿数为4的数据进行自动虚拟装配仰视图。

图6是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统VC环境设置中的工程属性设置。

图7是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统VC环境设置中的头文件及库文件的查找目录设置。

图8是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统UG系统环境变量设置图。

图9是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统工程文件夹的组织形式图。

图10是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统刀体与刀片装配示意图，其中(a)是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统刀体示意图,(b)是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统刀体装配刀片处放大图，A1、A2为刀体面，(c)是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统刀片示意图，B1、B2为刀片面。

图11是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统遍历特征的方式装配流程图。

图12是本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统遍历特征的方式装配坐标系图，x、y分别为绝对坐标系的坐标轴，工作坐标系1为刀体所在空间坐标系，工作坐标系2为刀片所在空间坐标系，x1、y1分别为工作坐标系1的坐标轴，x2、y2分别为工作坐标系2的坐标轴，其中，目标面1为刀体面，目标面2为刀片面。

图13本发明可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统搜索已命名基准面的方式装配流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，包括以下步骤：

步骤一、创建具有随动性的人机交互界面，开发不同窗口界面间的调用函数；

步骤二、创建基于ACCESS的关系型刀体参数数据库，用于刀体数据的加载；

步骤三、刀体主体模型的加载、垫片模型的加载、刀体与垫片的装配、刀片模型的加载、刀体与刀片的装配。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一的具体过程为：使用UG自带的UIStyler和Windows应用程序开发工具MFC创建随动性的人机交互界面，开发不同窗口界面间的调用函数。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述的人机交互界面包括菜单和窗口，菜单编写采用的是UG/Open Menuscript脚本语言，主窗口采用的是UIStyler，数据库窗口采用的Windows应用程序开发工具MFC。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二所述的创建过程为：采用ODBC数据访问接口与SQL语言和C++语言开发基于ACCESS的关系型刀盘参数数据库。其它步骤与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三的具体过程为：基于UG提供的二次开发工具包，利用C++语言完成刀盘主体模型的加载、垫片模型的加载、刀盘与垫片的装配、刀片模型的加载、刀盘与刀片的装配。其它步骤与具体实施方式一至四之一相同。

本发明的实施例如下：

本发明构建基于UG平台的自动虚拟装配系统，创建具有随动性的人机交互界面，开发了不同窗口界面间的调用函数，完成刀体主体模型的加载、垫片模型的加载、刀体与垫片的装配、刀片模型的加载、整体装配等过程。

实施例一：

可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配过程：进入UG软件→在菜单栏选择可转位数控刀体CAD系统→在下拉菜单中选择自动装配(如图1所示)→点击加载刀体→系统跳出刀体数据库对话框(如图2所示)→选择数据库中的某一刀具→点击确定按钮→加载刀体三维实体模型完毕→在菜单栏选择可转位数控刀体CAD系统→在下拉菜单中选择自动装配(如图1所示)→点击加载垫片→系统自动加载垫片→在菜单栏选择可转位数控刀体CAD系统→在下拉菜单中选择自动装配(如图1所示)→点击第一个装配按钮→完成刀体与垫片的自动装配→在菜单栏选择可转位数控刀体CAD系统→在下拉菜单中选择自动装配(如图1所示)→点击加载刀片→系统自动加载与该刀体相配合的刀片→在菜单栏选择可转位数控刀体CAD系统→在下拉菜单中选择自动装配(如图1所示)→点击第二个装配按钮→完成刀体、垫片与刀片的整体装配。

可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统在数据库中选取齿数为4的数据进行自动虚拟装配结果(如图3、5所示)。

可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配系统在数据库中选取齿数为6的数据进行自动虚拟装配结果(如图4所示)。

可转位端面铣刀刀体的参数化设计系统的运行平台为UG NX6.0，相应的操作系统为Microsoft Windows XP或者更高的版本，在进行二次开发的过程中设置以下环境：

①统的开发环境为VC++，在进行软件开发的过程中设置工程属性。添加链接库，libugopenint.lib libvmathpp.lib libufun.lib库是调用UG二次开发函数UF函数的代码在链接时必须的。单击【PROJECT】→【Setting】→【Link】，在Outputfile name文本框中填入最终编译链接成的DLL文件名，在Object/Library/modules文本框中，加入需要的库名。对于NX Open程序，添加的库名为libugopenint.liblibvmathpp.lib libufun.lib，(如图6所示)；设置头文件及库文件的查找目录，在菜单上单击【Tools】→【Options】→【Directories】，在【Options】对话框中分别为包含文件(Include files)和库文件(Library files)设置查找目录，本系统中的查找目录如图7。

②系统编译完成后应当对UG软件的环境变量进行设置，以使程序在软件启动时能够自动进行加载。设置系统环境变量在本系统中软件的工作目录为F:\WIDIA_F\sourcefile，右键单击“我的电脑”，单击【属性】→【高级】→【环境变量】，新建一个名为“UGII_USER_DIR”的环境变量，并将路径设为“F:\WIDIA_F\sourcefile”，并单击【确定】，创建成功。本系统的环境变量设置如图8所示。刀体参数化设计的实体建模系统的所有工程文件的组织形式如图9，application文件夹用于存放由UG二次开发工具UIStyler生成的*.dlg对话框文件，startup文件夹用于存放程序编译生成的*.dll文件及*.men文件。其中*.dll文件是程序编译生成的动态链接库，是进行一系列动作的基础，而*.men文件主要用于生成菜单文件。Database文件夹用于存放数据库表格*.mdb，该文件是数据库建立的物理部分。

实施例二：

自动虚拟装配技术的难点在于定位基准的自动识别过程上。运用基于实体拓扑结构的特征识别技术，分析了自动虚拟装配的实现过程，提出了系列化的产品设计过程中的基于特征遍历的方式进行装配和搜索已命名基准面的方式进行装配，并将该方法应用于刀体及其组件的装配。

由于参数化设计中所进行装配的模型都是系列化的，不仅其拓扑结构具有相似性，同时，其在装配体中的位置也具有相似性。以图10中刀体及其组件的装配为例说明系列化刀体及组件的装配特性相似性。在系列化的刀体系统设计中，当刀体尺寸发生变化时，与之装配的刀片尺寸也会做出相应的变化，但是装配关系始终是刀体面A1与刀片面B1对齐，刀体面A2与刀片面B2对齐。因此在参数化CAD系统的开发中可以利用这一确定的对应关系，建立刀体与刀片的自动装配。针对以上思路将应用两种方式对自动装配的过程进行研究，一种是遍历特征面的方式，另一种是搜索已命名基准的方式。图11表示了特征遍历的方式进行刀体及其组件进行装配时的流程图。

根据对模型的分析，确定装配中的主动件与被动件上用于定位的点、线、面，由于系列化的产品设计中，用于装配约束的基准始终是固定的，因此可以在装配前就先将用于定位的点、线、面的属性确定出来，在模型加载后对各个面的特征属性进行遍历，查找到符合要求的面进行装配约束体UF_ASSEM_constraint_s的添加,然后进行约束的求解与应用。

以刀体与刀片装配为例，在刀体与刀片加载到装配环境时，需要预先设定刀体及刀片在空间中的姿态，UG中采用齐次坐标来完成工件的旋转、镜像、阵列的操作，在UG中坐标表示采用的是齐次坐标，M′为变换后的工件坐标，M为变换前的工件坐标，M′＝T·M，T表示的是坐标变换矩阵，其定义形式如下：

$T=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{csys}0& \mathrm{csys}1& \mathrm{csys}2& \mathrm{orig}0\\ \mathrm{csys}3& \mathrm{csys}4& \mathrm{csys}5& \mathrm{orig}1\\ \mathrm{csys}6& \mathrm{csys}7& \mathrm{csys}8& \mathrm{orig}2\\ \mathrm{trns}0& \mathrm{trns}1& \mathrm{trns}2& \mathrm{scale}\end{array}\right]---(5-1)$

其中，T按变换功能可拆分成四个子矩阵：

$T_1=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{csys}0& \mathrm{csys}1& \mathrm{csys}2\\ \mathrm{csys}3& \mathrm{csys}4& \mathrm{csys}5\\ \mathrm{csys}6& \mathrm{csys}7& \mathrm{csys}8\end{array}\right]$ 产生旋转变换；

T₂＝[trns0 trns1 trns2]产生投影变换；

T₃＝[orig0 orig1 orig2]^T产生平移变换；

T₄＝[scale]为整体比例放缩系数。

在定义了变换矩阵T后，部件加载函数UF_ASSEM_add_part_to_assembly通过对矩阵T的运算可以确定工件在绝对坐标系中的方位，工件在确定了在绝对坐标系中的姿态后，以绝对坐标系为参考便可以确定工件的目标边或面。以图12中刀体与刀片的自动装配为例，通过部件加载函数将刀体与刀片加载到装配环境中后，在装配环境中可以看到共有三个坐标系，一个绝对坐标系以及两个工作坐标系，x、y分别为绝对坐标系的坐标轴，工作坐标系1为刀体所在空间坐标系，工作坐标系2为刀片所在空间坐标系，x1、y1分别为工作坐标系1的坐标轴，x2、y2分别为工作坐标系2的坐标轴，按装配的需要进行分析，将两个工作坐标系定义为与绝对坐标系相平行的方位，这样目标面1与目标面2的法向量可以方便的确定出来，由面的法向量这一特征就可以确定出要用来进行装配的面。通过特征遍历函数将这两个面进行提取，并对装配约束体进行定义，通过求解实现刀体与刀片的自动装配。其他刀片的装配可以用装配体的阵列函数UF_ASSEM_create_iset_array来实现。

基于遍历特征的自动装配方法的具体实施过程如下：

(1)部件加载利用UG/Open API部件加载函数将部件加载到装配空间，并利用坐标变换矩阵进行部件的姿态与位置调整。加载件加载完成后，位置固定不变的为被动件，而求解完成后与被动件进行配合的为主动件。主动件与被动件都可以为单个零件或者子装配体。

(2)目标特征的识别与提取目标特征是在装配初期按照实际的装配需要确定的用于装配定位的点线面等定位基准，定位特征的识别与参数化建模过程中的特征识别过程一样，程序设计初期确定目标面的特征，并在程序中预先定义，利用函数UF_MODL_ask_face_data对模型的面进行遍历，用于定位的基准面的属性为面的法向量的方向，当法向量的方向符合目标属性时即为指定面，在查找到符合要求的面后，将其tag值提取，作为后续的操作所要用的目标面的ID。

(3)填充装配约束结构体UG中的装配配合关系用来确定部件在装配中的定位方式及其与相应部件的配合方式，UG/Open API所提供的装配约束结构体UF_ASSEM_constraint_s的众多数据变量要用主、从动件的原型、事例和实例三种标识赋值。以往的虚拟装配方法到这一步时需要人工点击来辅助程序选取装配表面，而采用该种装配方法，根据建模初期对模型的分析确定装配的定位基准及其属性，在程序设计时利用特征遍历的方式对基准面进行自动拾取。

(4)约束条件的求解与施加利用函数UF_ASSEM_solve_mc来求解约束条件，若求解成功则将约束利用函数UF_ASSEM_apply_mc_data施加到装配件上，最后进行模型的更新。图3和图5是基于遍历特征的自动装配方法的装配结果图。

搜索已命名基准面的装配流程：

由上述基于遍历特征的方式进行装配的方法可知，对于系列化的产品而言，其装配过程具有相似性，每次进行装配定位的基准的拓扑结构不发生改变，只是尺寸发生变化，而遍历特征的装配方法就是根据对于已有模型的分析，来确定装配中的基准，根据基准应该具有的特征来进行其在装配环境中的方位，运用逆向推导的方式来进行编程而实现最终的装配。

由于应用于装配的基准在零件的设计初期就已经确定，因此可以将用于装配的确定的基准面在建模初期利用UF_MODL_set_name进行命名，利用对象搜索函数UF_OBJ_cycle_by_name在装配过程中对事先定义好的基准按名称进行搜索，搜索完成后直接进行约束的定义及求解，这种装配方式的优点在于省去了坐标变化矩阵T的计算，使得复杂的空间装配变得容易。但是该种方式的装配将工作量转移到建模初期对于基准面的命名上，对于基准面的命名，采用的方法依旧是基于实体拓扑结构的特征识别的方式，由于算法成熟。这与坐标变换矩阵的计算相比更容易。

基于搜索已命名基准面的自动装配流程与基于特征遍历的自动装配流程基本相同，其装配结果图与图3和图5相同。图13表示了基于已命名基准面的自动装配流程，下面将结合该流程将两种方法不同的地方做详细的解释：

(1)基准的命名基准命名是在参数化建模的过程中直接实现的，在进行建模底层程序编写的过程中，基于UG中对于实体结构的拓扑定义可完成对特定装配基准面的搜索，该搜索过程与参数化建模过程中特征提取的方式一样，也是利用UG中对于实体拓扑结构的定义来完成的。在完成特定面的查找之后，提取该基准面的ID，利用API函数UF_MODL_set_name对该面进行命名，由于参数化设计过程中，刀体及组件的装配采用相同装配方式，因此可以对系列化的刀体的装配面采用相同的命名方式，以方便后续的自动装配过程的实现。

(2)基准特征的遍历由于基准特征在参数化建模的初期就已经命名，因此在进行约束装配体的填充过程中，直接利用API函数UF_OBJ_cycle_by_name按名字进行基准的直接搜索，该种方式避免了反复利用循环体进行特征定位的复杂过程。

Claims (5)

1.一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一、创建具有随动性的人机交互界面，开发不同窗口界面间的调用函数；

步骤二、创建基于ACCESS的关系型刀盘参数数据库，用于刀盘数据的加载；

步骤三、刀盘主体模型的加载、垫片模型的加载、刀盘与垫片的装配、刀片模型的加载、刀盘与刀片的装配。

2.根据权利要求1所述的一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，其特征在于步骤一的具体过程为：使用UG自带的UIStyler和Windows应用程序开发工具MFC创建随动性的人机交互界面，开发不同窗口界面间的调用函数。

3.根据权利要求2所述的一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，其特征在于步骤一所述的人机交互界面包括菜单和窗口，菜单编写采用的是UG/Open Menuscript脚本语言，主窗口采用的是UIStyler，数据库窗口采用的Windows应用程序开发工具MFC。

4.根据权利要求3所述的一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，其特征在于步骤二所述的创建过程为：采用ODBC数据访问接口与SQL语言和C++语言开发基于ACCESS的关系型刀盘参数数据库。

5.根据权利要求4所述的一种可转位端面铣刀刀体及其组件自动虚拟装配方法，其特征在于步骤三的具体过程为：基于UG提供的二次开发工具包，利用C++语言完成刀盘主体模型的加载、垫片模型的加载、刀盘与垫片的装配、刀片模型的加载、刀盘与刀片的装配。