CN110703691B - 一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法 - Google Patents

一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，涉及机械加工软件仿真技术领域，包括以下步骤：步骤1：建立砂轮表面磨粒分布二维模型；步骤2：建立横磨外圆加工三维模型；步骤3：建立工件进给运动二维模型；步骤4：建立磨刃主运动二维模型；步骤5：建立相对运动轨迹二维模型；步骤6：建立磨刃轨迹曲面三维模型。本发明提供的横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，采用三维软件先建立横磨外圆加工结构模型，然后建立磨刃与工件相对运动轨迹模型，根据磨刃相对运动轨迹和磨刃轮廓建立磨刃轨迹曲面三维模型，采用UG三维建模方法建立横磨外圆磨刃轨迹曲面，直观反映磨刃轨迹，方便分析横磨外圆表面微观形状的确定，直观性好，效率高和精度高。

Description

一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法
技术领域
本发明涉及机械加工软件仿真技术领域，特别是涉及一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法。
背景技术
在机械加工领域，常需要对工件进行外圆磨削加工。外圆磨削中的横磨法磨削效率高，磨削时，砂轮的高速旋转为主运动，工件的旋转运动、砂轮的横向连续进给为进给运动。
对于外圆横磨法磨削，现有技术中常采用函数法，根据砂轮磨刃和工件之间的相对运动，建立函数关系，以确定磨刃与工件相对轨迹，但这种方法不能获得磨刃轨迹的三维形状，因此不能直观反映磨刃轨迹、方便分析工件表面微观形状。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，通过建立横磨外圆磨刃轨迹曲面，直观反映磨刃轨迹，方便分析横磨外圆表面微观形状的确定，直观性好，效率高和精度高。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，包括以下步骤：
步骤1：根据砂轮组织结构和磨粒参数，建立砂轮表面磨粒分布二维模型；
步骤2：根据磨削工艺、工件和砂轮参数，利用UG软件，按照一定比例，建立横磨外圆加工三维模型；
步骤3：在步骤2所获得的横磨外圆加工三维模型的右视图上，根据横磨外圆运动和运动学理论，在工件的端面建立工件进给运动二维模型，并确定工件上各位置点的进给矢量；
步骤4：在步骤2所获得的横磨外圆加工三维模型的右视图上，根据横磨外圆运动和运动学理论，在砂轮的端面建立磨刃主运动二维模型，并确定与步骤3中确定的工件各位置点相对应的磨刃位置点；
步骤5：在步骤4所获得的磨刃主运动二维模型的基础上，根据横磨外圆的运动和运动学理论，将步骤3所获得的工件上各位置点的进给矢量依次与磨刃上对应的位置点运动矢量合成，建立相对运动轨迹二维模型；
步骤6：在步骤5所获得的相对运动轨迹二维模型的基础上，利用UG软件，建立磨粒的三维模型，模拟横磨外圆的运动，建立磨刃轨迹曲面三维模型。
优选的，在步骤2中，采用100：1的比例建立横磨外圆加工三维模型。UG软件优选采用UG4.0以上版本。
优选的，步骤3包括以下步骤：
1)删除步骤2建立的横磨外圆加工三维模型中的砂轮，留下工件，在工件的右视图中，以o2为工件中心，建立yz坐标系，以α2为与砂轮上的周向相邻的两个磨粒所对应的工件转角；
2)在工件的右视图中绘制o2J1，使∠yo2J1＝α2/2，J1位于工件的圆周上；
3)在工件的右视图中绘制o2J5，使∠yo2J5＝-α2/2，J5位于工件的圆周上；
4)确定J2、J3、J4，使J2、J3、J4为圆弧
Figure BDA0002229131230000021
的等分点；
5)连接矢量
Figure BDA0002229131230000022
和
Figure BDA0002229131230000023
优选的，步骤4包括以下步骤：
1)删除步骤2建立的横磨外圆加工三维模型中的工件，保留砂轮，在砂轮的右视图中，以o1为砂轮中心，建立yz坐标系，以α1为与周向相邻的两个磨粒所对应的砂轮转角；
2)在砂轮的右视图中绘制o1r1，使∠yo1r1＝180-α1/2，r1位于砂轮的圆周上；
3)在砂轮的右视图中绘制o1r5,使∠yo1r5＝180+α1/2，r5位于砂轮的圆周上；
4)确定r2、r3、r4，使r2、r3、r4为圆弧
Figure BDA0002229131230000024
的等分点。
优选的，步骤5包括以下步骤：
1)依次将步骤3所获得的进给矢量
Figure BDA0002229131230000025
平移到步骤4所获得的r2、r3、r4、r5位置点；
2)将各矢量分别绕相对应的点r2、r3、r4、r5顺时针转180°，旋转后用
Figure BDA0002229131230000026
Figure BDA0002229131230000027
表示；
3)用样条曲线连接R1到R5，获得磨刃与工件的相对运动轨迹。
优选的，在步骤6中，在xyz坐标系中确定r5o1x平面上的磨刃轮廓，r5o1x平面为x轴与r5o1线构成的平面；接着模拟横磨外圆的运动，用“扫掠”命令进行建模，将磨刃轮廓沿步骤5所获得的磨刃与工件的相对运动轨迹扫掠，从而获得磨刃轨迹曲面三维模型。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用三维软件先建立横磨外圆加工结构模型，然后建立磨刃与工件相对运动轨迹模型，根据磨刃相对运动轨迹和磨刃轮廓建立磨刃轨迹曲面三维模型，采用UG三维建模方法建立横磨外圆磨刃轨迹曲面，直观反映磨刃轨迹，方便分析横磨外圆表面微观形状的确定，直观性好，效率高和精度高。
附图说明
图1是本发明的横磨外圆磨刃轨迹三维建模技术流程图；
图2是磨粒分布二维模型；
图3是横磨外圆加工结构三维模型；
图4是横磨外圆加工结构三维模型右视图；
图5是工件进给运动二维模型；
图6是磨刃主运动二维模型；
图7是磨刃工件相对运动轨迹二维模型；
图8是图7中A处的放大图；
图9是磨刃轨迹曲面三维模型。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明涉及一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，其技术流程图如图1所示。磨粒分布建模介绍磨粒在砂轮圆周面分布。磨削三维建模指建立横磨外圆加工时刀具和工件的结构模型。工件进给矢量建模指建立工件进给矢量的二维模型。磨刃主运动建模指建立磨粒刃在砂轮圆周面上的主运动矢量二维模型。相对运动轨迹建模指合成进给矢量和主运动矢量以获得磨刃轨迹二维模型。磨刃轨迹三维建模指建立磨粒刃轨迹曲面三维模型。
本发明所述的横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法包括以下步骤：
步骤1：根据砂轮3组织结构和磨粒1参数，建立砂轮3表面磨粒1分布二维模型；
步骤2：根据磨削工艺、工件2和砂轮3的参数，利用UG软件，按照一定比例，建立横磨外圆加工三维模型；
步骤3：在步骤2所获得的横磨外圆加工三维模型的右视图上，根据横磨外圆运动和运动学理论，在工件2的端面建立工件2进给运动二维模型，并确定工件2上各位置点的进给矢量；
步骤4：在步骤2所获得的横磨外圆加工三维模型的右视图上，根据横磨外圆运动和运动学理论，在砂轮3的端面建立磨刃主运动二维模型，并确定与步骤3中确定的工件2各位置点相对应的磨刃位置点；
步骤5：在步骤4所获得的磨刃主运动二维模型的基础上，根据横磨外圆的运动和运动学理论，将步骤3所获得的工件2上各位置点的进给矢量依次与磨刃上对应的位置点运动矢量合成，建立相对运动轨迹二维模型；
步骤6：在步骤5所获得的相对运动轨迹4二维模型的基础上，利用UG软件，建立磨粒1的三维模型，模拟横磨外圆的运动，建立磨刃轨迹曲面三维模型。
在步骤1中，根据砂轮3组织结构和磨粒1参数建立砂轮3表面磨粒1分布二维模型，如图2所示，xoy为坐标系，磨粒1，s1为周向相邻磨粒1间距(mm)，D3为磨粒1直径(mm)。
在步骤2中，根据磨削工艺、工件2和砂轮3参数，利用UG4.0软件，采用100：1的比例建立如图3所示的横磨外圆加工三维模型。在图3中，xyz为坐标系，工件2，砂轮3，n1为砂轮3转速(r/s),n2为工件2转速(r/s)，fr为径向进给量(mm)。图4为横磨外圆加工结构右视图。在图4中，yz为坐标系，砂轮中心o1，工件中心o2，砂轮3直径D1(mm)，工件2直径D2(mm)，其余参数同图3。
步骤3为：在图4基础上，根据横磨外圆运动和运动学理论，建立如图5所示的工件2进给二维模型。图5为工件2进给运动二维模型，YZ为以工件2的中心o2为原点的坐标系，α2为与砂轮上的周向相邻的两个磨粒所对应的工件转角，J1到J5为工件2外圆上α2区域的5个等距离位置点，其余参数同前。
步骤3的具体过程如下：
1)删除图4中砂轮3，留下工件2，以o2为工件2中心，建立yz坐标系，以α2为与砂轮上的周向相邻的两个磨粒所对应的工件转角(下文简称工件转角)；
2)绘制o2J1，使∠yo2J1＝α2/2，J1位于工件2的圆周上；
3)绘制o2J5,使∠yo2J5＝-α2/2，J5位于工件2的圆周上；
4)确定J2,J3,J4，使J2、J3、J4为圆弧
Figure BDA0002229131230000041
的等分点；
5)连接矢量
Figure BDA0002229131230000042
步骤4为：在图4基础上，根据横磨外圆运动和运动学理论，建立如图6所示的磨刃主运动二维模型。图6为砂轮3主运动二维模型，图6中YZ为以砂轮中心o1为原点的坐标系，α1为与周向相邻的两个磨粒所对应的砂轮转角，将周向相邻的两个磨粒的中心分别命名为o31和o32，则∠o31o1o32＝α1。砂轮旋转α1时对应的工件转角为α2。r1到r5为砂轮3外圆上α1区域的5个等距离位置点，其余参数同前。
步骤4的具体步骤如下：
1)删除图4中工件2，保留砂轮3，以o1为砂轮3中心，建立yz坐标系，以α1为周向相邻的两个磨粒所对应的砂轮转角(以下简称磨粒夹角)；
2)绘制o1r1，使∠yo1r1＝180-α1/2，r1位于砂轮3的圆周上；
3)绘制o1r5,使∠yo1r5＝180+α1/2，r5位于砂轮3的圆周上；
4)确定r2,r3,r4，使r2、r3、r4为圆弧
Figure BDA0002229131230000051
的等分点。
步骤5为：在图6的基础上，根据横磨外圆的运动和运动学理论，将图5所示的工件2上各位置点的进给矢量
Figure BDA0002229131230000052
依次与磨刃上对应的位置点运动矢量合成，建立如图7和图8所示的相对运动轨迹4二维模型。图7中，YZ为坐标系，磨刃与工件2相对运动轨迹4，R1到R5为相对运动轨迹4上的位置点，依次与磨刃的位置r1到r5,以及工件2的位置J1到J5对应，其余参数同前。
步骤5的具体过程如下：
1)依次将图5中的进给矢量
Figure BDA0002229131230000053
平移到图6中r2、r3、r4、r5位置点；
2)将各矢量依次绕点r2、r3、r4、r5顺时针旋转180°，旋转后用
Figure BDA0002229131230000054
Figure BDA0002229131230000055
表示；
3)用样条曲线连接R1到R5，获得磨刃与工件2的相对运动轨迹4。
步骤6包括以下步骤：
1)在图7基础上，利用UG软件，建立磨粒1的三维模型，确定r5o1x平面上磨刃轮廓6，r5o1x平面为x轴与r5o1线构成的平面；
2)模拟横磨外圆的运动，用“扫掠”命令进行建模，将磨刃轮廓6沿相对运动轨迹4扫掠，获得如图9所示的磨刃轨迹曲面5三维模型。
3)图9中，xyz为坐标系，D3、R1、R5同前，相对运动轨迹4，磨刃轮廓6，磨刃轨迹曲面5。
4)本发明在机械设计与制造工艺仿真领域中应用。表1为横磨外圆磨刃轨迹确定方案与结果。表1中参数1-10为磨削工艺参数，由工艺设计给出；参数11-20为磨刃轨迹参数，由本发明给出。
表1横磨外圆磨刃轨迹确定方案与结果
Figure BDA0002229131230000056
Figure BDA0002229131230000061
本发明提供的横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，采用三维软件先建立横磨外圆加工结构模型，然后建立磨刃与工件2相对运动轨迹4模型，根据相对运动轨迹4和磨刃轮廓6建立磨刃轨迹曲面5的三维模型。采用UG三维建模方法建立横磨外圆磨刃轨迹曲面，直观反映磨刃轨迹，方便分析横磨外圆表面微观形状的确定，直观性好，效率高和精度高。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据砂轮组织结构和磨粒参数，建立砂轮表面磨粒分布二维模型；
步骤2：根据磨削工艺、工件和砂轮参数，利用UG软件，按照一定比例，建立横磨外圆加工三维模型；
步骤3：在步骤2所获得的横磨外圆加工三维模型的右视图上，根据横磨外圆运动和运动学理论，在工件的端面建立工件进给运动二维模型，并确定工件上各位置点的进给矢量；
步骤4：在步骤2所获得的横磨外圆加工三维模型的右视图上，根据横磨外圆运动和运动学理论，在砂轮的端面建立磨刃主运动二维模型，并确定与步骤3中确定的工件各位置点相对应的磨刃位置点；
步骤5：在步骤4所获得的磨刃主运动二维模型的基础上，根据横磨外圆的运动和运动学理论，将步骤3所获得的工件上各位置点的进给矢量依次与磨刃上对应的位置点运动矢量合成，建立相对运动轨迹二维模型；
步骤6：在步骤5所获得的相对运动轨迹二维模型的基础上，利用UG软件，建立磨粒的三维模型，模拟横磨外圆的运动，建立磨刃轨迹曲面三维模型；
步骤3包括以下步骤：
1)删除步骤2建立的横磨外圆加工三维模型中的砂轮，留下工件，在工件的右视图中，以o2为工件中心，建立yz坐标系，以α2为与砂轮上的周向相邻的两个磨粒所对应的工件转角；
2)在工件的右视图中绘制o2J1，使∠yo2J1＝α2/2，J1位于工件的圆周上；
3)在工件的右视图中绘制o2J5，使∠yo2J5＝-α2/2，J5位于工件的圆周上；
4)确定J2、J3、J4，使J2、J3、J4为圆弧
Figure FDA0002563962680000011
的等分点；
5)连接矢量
Figure FDA0002563962680000012
和
Figure FDA0002563962680000013
步骤4包括以下步骤：
1)删除步骤2建立的横磨外圆加工三维模型中的工件，保留砂轮，在砂轮的右视图中，以o1为砂轮中心，建立yz坐标系，以α1为与周向相邻的两个磨粒所对应的砂轮转角；
2)在砂轮的右视图中绘制o1r1，使∠yo1r1＝180-α1/2，r1位于砂轮的圆周上；
3)在砂轮的右视图中绘制o1r5,使∠yo1r5＝180+α1/2，r5位于砂轮的圆周上；
4)确定r2、r3、r4，使r2、r3、r4为圆弧
Figure FDA0002563962680000014
的等分点；
步骤5包括以下步骤：
1)依次将步骤3所获得的进给矢量
Figure FDA0002563962680000015
平移到步骤4所获得的r2、r3、r4、r5位置点；
2)将各矢量分别绕相对应的点r2、r3、r4、r5顺时针转180°，旋转后用
Figure FDA0002563962680000016
Figure FDA0002563962680000017
表示；
3)用样条曲线连接R1到R5，获得磨刃与工件的相对运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，其特征在于：在步骤2中，采用100：1的比例建立横磨外圆加工三维模型。
3.根据权利要求1所述的横磨外圆磨刃轨迹三维建模方法，其特征在于：在步骤6中，在xyz坐标系中确定r5o1x平面上的磨刃轮廓，r5o1x平面为x轴与r5o1线构成的平面；接着模拟横磨外圆的运动，用“扫掠”命令进行建模，将磨刃轮廓沿步骤5所获得的磨刃与工件的相对运动轨迹扫掠，从而获得磨刃轨迹曲面三维模型。
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