基于UG/Open GRIP的麻花钻参数化设计

荆浩旗， 白海清， 王春月， 杨 柳

(陕西理工学院 机械工程学院， 陕西 汉中 723003)

0 引 言

在现代机械加工中，尤其在孔加工占重要比重的汽车与航空等制造业中，麻花钻的钻削加工是应用广泛的加工方式之一。由于麻花钻结构比较复杂，各参数之间有严格的函数关系，导致设计过程比较繁琐，所以实现麻花钻的参数化设计是一项有意义的工作。

UG软件向用户提供了强大的二次开发工具集UG/Open，本文以UG 6.0为平台，基于UG/Open GRIP二次开发工具，利用GRIP语言编写程序,实现麻花钻的参数化、交互性设计，自动建立麻花钻实体模型，提高了麻花钻的设计效率与准确性，并为麻花钻的切削性能分析、钻削过程仿真和数控加工等工作提供了支持。

1 基于GRIP的参数化设计方法

参数化设计是在模型构建过程中用参数变量来控制模型的几何尺寸和约束关系，改变参数变量，从而实现达到驱动几何图形的目的，对于提高企业产品的设计创新能力与竞争力具有非常重要的意义。UG/Open GRIP是UG二次开发工具集中的一个重要模块，本文采用GRIP语言编程实现参数化设计，它是UG的内嵌语言，是一种图形交互式、解释性的编程语言[1]，能够实现UG的绝大多数交互操作，如几何体模型建立、装配创建和工程图绘制等功能。GRIP程序交互性能强，在人机交互界面上，输入相关参数，可以自动建立模型，实现参数化设计，过程如图1所示。

图1 GRIP参数化 建模过程

2 基于GRIP的麻花钻参数化建模

麻花钻的工作部分主要有螺旋槽和后刀面。结合近些年对麻花钻建模过程的相关研究工作[2-3]，本文采用GRIP语言编程的麻花钻的建模过程主要分为以下几个步骤。

2.1 螺旋槽的绘制

麻花钻的螺旋槽曲面有容纳和排屑的作用，故螺旋槽的设计关系到加工过程中的排屑、散热、冷却等直接影响加工质量的问题。螺旋槽的绘制首先要编程实现麻花钻螺旋槽横向截形的绘制，包括钻刃曲线[4]、刃带部分曲线等的绘制；再绘制螺旋线、刀具轴线等；最后以螺旋槽横向截形为扫掠曲线，分别以刀具轴线与螺旋线为引导线，自动螺旋生成刀具螺旋槽，包括刃带部分的建模。建模参数包括钻头半径、半锥角、螺旋角、钻芯半径。

钻刃曲线方程如下[4]：

首先采用GRIP语言编程根据钻刃曲线方程绘制钻刃曲线，然后调用相关函数创建出相关的点、线、面等实体，再通过旋转复制等操作绘制螺旋槽横向截形；绘制螺旋线、刀具轴线等，最后通过扫掠操作创建出螺旋槽实体。

绘制螺旋槽的部分代码如下：

……

$$ 创建钻刃曲线 $$

num=0

b=R*(sinf(m)/cosf(m))/(sinf(n)/cosf(n))

au=(sqrtf(R*R-rc*rc))/b

DO/L20:,i, 0,1,0.001 $$循环 控制精度

bu=i*au

cu=bu*360/(2*&pi)

xt=rc*cosf(cu)+b*bu*sinf(cu)

yt=rc*sinf(cu)-b*bu*cosf(cu)

zt=0

num=num+1

if/num<=num1,pt(num)=POINT/xt,yt,zt $$创建点

L20:

ln(1)=SPLINE/pt(1..num) $$拟合曲线 形成钻刃曲线

DELETE/pt(1..num)

……

ln(13)=LINE/0,0,0,0,0,-p*a $$绘制刀具轴线

ln(14)=SPLINE/APPROX,DELETE,TOLER,0.0001,ln(10..11)

$$逼近曲线 形成螺旋槽横向截形曲线

obj(1)=BSURF/SWPSRF,TRACRV,ln(12..13),GENCRV,ln(14)

$$扫掠法形成B-曲面 形成螺旋槽实体

……

运行程序，得到的螺旋槽实体如图2所示。

图2 螺旋槽实体的绘制

图3 圆锥面的绘制

2.2 后刀面的绘制

钻削过程中后刀面磨损最为严重，因此，能否对麻花钻后刀面进行合理刃磨对麻花钻的使用寿命有较大的影响。本文麻花钻后刀面的刃磨采用常用的锥面刃磨法。刃磨参数包括偏距、锥顶距、锥顶半角、轴间角，为方便在软件中建模，对4个刃磨参数进行转化，为使主切削刃是直线刃，偏距等于钻芯半径，且锥顶半角和轴间角角度之和为半锥角，半锥角在绘制螺旋槽时已经设定，只要知道锥顶半角，轴间角也就确定。

由于传统锥面刃磨法在刃磨参数选择不当时，常常会出现后刀面的翘尾现象，所以在原有刃磨参数基础上，新增一个刃磨参数：让钻头附加一个绕圆锥母线逆时针的旋转角度[5]，不但可以刃磨出合理的后刀面角度，而且可以有效避免翘尾现象的产生。这样后刀面的刃磨主要由参数锥顶距、锥顶半角和旋转角度决定。

根据文献[5]的相关优化参数，首先通过GRIP语言编程实现圆锥面轴线与母线的绘制，在调用相关函数实现母线绕轴线旋转生成圆锥面的操作，旋转复制得到对侧圆锥面，如图3所示，再调用实心体分割函数，以圆锥面为边界切割螺旋槽实体，得到圆锥后刀面。

麻花钻有直柄麻花钻和锥柄麻花钻。柄部设计不是本文重点，在此不再详细叙述。

绘制后刀面的部分代码如下：

……

obj(2)=REVSRF/ln(16),AXIS,ln(17),-30,60

$$回转生成圆锥面

mat3(1..12)=MATRIX/XYROT,180

obj(3)=TRANSF/mat3,obj(2) $$旋转复制

obj(4)=SPLIT/obj(1),WITH,obj(2)

obj(5)=SPLIT/obj(4),WITH,obj(3) $$切割实体

……

2.3 人机交互界面的设计

GRIP语言最大的特点在于其人机交互性能强，只需要调用人机交互的函数就能实现与UG系统的对话，完成人机交互操作[6]。设计者根据需求，在交互界面中输入相关参数就可达到实现自动建模的目的。本文根据麻花钻的建模过程，设计了两个人机交互界面，效果图见图4。

(a)钻头设计参数对话框 (b)后刀面刃磨参数对话框图4 人机交互界面

人机交互界面部分代码如下：

……

L10:

PARAM/′钻头设计参数′,′钻头半径′,R, $

′半锥角′,m, $

′螺旋角′,n, $

′钻芯半径′,rc,resp

jump/trm:,trm:,,resp

……

L50:

PARAM/′后刀面刃磨参数′,′锥顶半角′,o, $

′锥顶距′,L, $

′旋转角度′,v,resp

jump/trm:,trm:,,resp

……

建模过程对麻花钻的相关参数进行了转化，使实际加工参数能在建模过程中实现，利用GRIP语言编程成功地实现了麻花钻的参数化建模，避免了繁琐的三维建模过程，并且设计人机交互界面，方便设计者改变相关参数，得到所需麻花钻的准确模型。

3 GRIP程序的编译链接与执行

GRIP程序是在UG平台下编写的，有其独特的开发工具[7]，必须经过编译链接，生成可执行文件后才能被UG系统调用运行,具体实现过程如下：

(1)在系统开始菜单程序中选择NX Tools→UG Open GRIP，调出UG Open GRIP语言环境界面“Grip Advanced Development Environment”，如图5所示。

图5 GRIP开发环境界面

(2)在UG Open GRIP开发环境界面中，选择“4>Change Directory”，输入目标文件地址，如D:GRIP；

图6 麻花钻实体模型

新建记事本文件创建或者选择“1>Edit”创建一个后缀为*.grs的文件，即为源文件，用GRIP语言在源文件中编写程序代码；选择“2>Compile”对*.grs源文件进行编译，注意错误的修改，生成后缀为*.gri的目标文件；选择“3>Link”链接生成后缀为*.grx的文件，此文件为UG可以识别运行的可执行文件。编译链接过程中，如有错误则根据提示进行修改，直至链接成功，得到所需的*.grx可执行文件。

(3)在UG界面菜单中选择File→Execute UG/Open→Grip调用，选择链接成功*.grx文件就可以执行。

以Φ20 mm直柄麻花钻为例，按照麻花钻的建模过程和GRIP语言规则，编写GRIP程序，设计人机交互界面，在UG界面中调用*grx可执行文件，按照要求在交互界面中输入相关参数，自动生成的麻花钻实体模型如图6所示，在模型的基础上可以进行后期实验研究。

4 结 语

本文利用UG/Open GRIP的三维建模和人机交互功能，用GRIP语言编写程序实现麻花钻的螺旋槽、后刀面建模，设计了交互式界面，在人机交互界面中输入相关参数值，可以实现麻花钻的自动化建模，大大缩短了麻花钻的设计周期，避免了繁琐的建模过程，提高了麻花钻的设计效率与准确性，节约成本，同时为后期麻花钻的机构仿真、钻削过程仿真与分析、有限元分析和数控加工等提供了支持。

[参考文献]

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