摘" 要：研究專注于插齒刀磨削過程中砂輪截形計(jì)算的高效實(shí)現(xiàn)，針對當(dāng)前插齒刀磨削工藝中的關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)了一款基于C# Winform的上位機(jī)軟件。首先，深入分析了現(xiàn)有磨削工藝，重點(diǎn)研究了砂輪截形參數(shù)的計(jì)算及其在插齒刀磨削中的應(yīng)用。軟件通過構(gòu)建友好的可視化用戶界面，簡化了刀具參數(shù)的輸入和管理，并運(yùn)用C#語言開發(fā)了高效的計(jì)算算法，以確保計(jì)算過程的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。此外，軟件支持將計(jì)算結(jié)果存儲至數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)數(shù)據(jù)調(diào)取與分析。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該系統(tǒng)顯著提升了插齒刀磨削的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，為插齒刀的設(shè)計(jì)與制造提供了有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：插齒刀；磨削；C#；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP311；TP273" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）23-0100-06

Design of Grinding Software Upper Computer for Insert Cutter Based on C# WinForm

ZHANG Limeng， WANG Linyan

（School of Mechatronic Engineering， Xi'an Technological University， Xi'an" 710021， China）

Abstract： This research focuses on the efficient implementation of grinding wheel sectional calculation during the grinding process of insert cutter. Aiming at the key issues in the current insert cutter grinding technology， upper computer software based on C# Winform is designed. Firstly， the existing cutting technology is analyzed in depth， focusing on the research on calculation of grinding wheel sectional parameters and its application in insert cutter grinding. The software simplifies the input and management of tool parameters by building a friendly visual user interface， and uses C# language to develop efficient calculation algorithms to ensure the accuracy and real-time nature of the calculation process. In addition， the software supports storing calculation results in the database for subsequent data retrieval and analysis. After the verification of practical application， this system significantly improves the production efficiency and processing quality of insert cutter grinding， and provides strong technical support for the design and manufacturing of insert cutter.

Keywords： insert cutter; grinding; C#; software design

0" 引" 言

插齒刀作為齒輪加工中的核心工具，其性能直接影響齒輪的加工精度和整體質(zhì)量。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，齒輪在汽車制造、航空航天和重型機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，對齒輪加工的精度和性能要求也隨之提高。因此，對插齒刀自身的精度提出了更高要求，使其成為保障齒輪加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。為了保證插齒刀的高精度加工，插齒刀專用磨床通過其高精度和高效率的磨削能力提供了有力支持。然而，隨著齒輪結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化和對加工精度需求的提升，插齒刀的制造正面臨新的挑戰(zhàn)，尤其是在磨削設(shè)備的自動化和智能化方面，迫切需要創(chuàng)新和提升。

目前，在插齒刀磨削過程中，插齒刀磨床的自動化和智能化水平仍存在技術(shù)瓶頸，尤其是在砂輪截形的精確計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化方面，傳統(tǒng)加工方式效率受限，難以滿足現(xiàn)代高精度加工的需求。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，國內(nèi)外多家企業(yè)紛紛投入插齒刀磨削技術(shù)的研發(fā)，致力于改進(jìn)磨削設(shè)備及相關(guān)軟件，從而提升磨床的自動化水平。國內(nèi)如天津第一機(jī)床有限公司、重慶興旺工具制造有限公司等企業(yè)，逐步實(shí)現(xiàn)了插齒刀磨床的國產(chǎn)化和數(shù)控化，推動了插齒刀制造裝備的自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新；國外則有德國的SAACKE、日本的伊藤制作株式會社、澳大利亞的ANCA等企業(yè)，它們憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)，為插齒刀的智能化磨削提供了有效的技術(shù)支持。

在此背景下，本文的研究重點(diǎn)在于開發(fā)一套插齒刀磨削的上位機(jī)系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)通過輸入工件的相應(yīng)參數(shù)，自動計(jì)算砂輪的截形，并將計(jì)算結(jié)果保存為指定的文件格式，從而為插齒刀磨削過程提供精確的數(shù)據(jù)支持。該自動化磨削軟件不僅減少了人為操作誤差，還顯著提升了加工效率和精度，滿足當(dāng)前制造業(yè)對插齒刀高精度加工的需求。本文將圍繞軟件的功能設(shè)計(jì)、核心算法實(shí)現(xiàn)、文件管理和用戶操作流程進(jìn)行詳細(xì)闡述，旨在為插齒刀磨削的智能化發(fā)展提供技術(shù)支持。

1" 軟件設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

插齒刀磨削軟件的總體架構(gòu)如圖1所示，由四個(gè)主要模塊組成：數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)生成模塊。這些模塊通過相互配合，實(shí)現(xiàn)了插齒刀磨削過程的智能化和自動化。

數(shù)據(jù)輸入模塊：負(fù)責(zé)插齒刀基本參數(shù)的錄入，并支持DXF文件的導(dǎo)入，為后續(xù)計(jì)算提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理模塊：用于對工件參數(shù)的增、刪、改、查操作，便于用戶高效管理插齒刀的相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊：系統(tǒng)核心模塊，根據(jù)工件參數(shù)計(jì)算所需的砂輪截形，以滿足特定的加工要求。數(shù)據(jù)生成模塊：將處理結(jié)果導(dǎo)出為TXT和DXF文件，為磨削操作提供詳細(xì)的加工信息。

插齒刀磨削軟件的流程圖如圖2所示，展示了從數(shù)據(jù)輸入到最終文件輸出的完整操作流程，確保了磨削過程的連續(xù)性和可操作性。

2" 功能實(shí)現(xiàn)

2.1" 數(shù)據(jù)輸入與管理模塊

由于插齒刀通常為單件小批量生產(chǎn)，對數(shù)據(jù)的管理尤為重要。在插齒刀磨削軟件中，數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)對刀具相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化的增加、刪除、修改、查詢操作，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，支持高效的生產(chǎn)過程管理。

插齒刀的主要參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、名義壓力角、前角和后角等。用戶可以手動輸入這些參數(shù)，或通過DXF文件導(dǎo)入功能直接獲取設(shè)計(jì)圖紙中的數(shù)據(jù)。DXF（Drawing Exchange Format）是一種由AutoCAD使用的文件格式，廣泛應(yīng)用于CAD數(shù)據(jù)的交換。DXF文件包含點(diǎn)、線、圓等幾何元素，這些元素通過成對的組碼與組值來表示并存儲在文件的ENTITIES段和BLOCK段中。根據(jù)本軟件的需求，系統(tǒng)僅讀取DXF文件的ENTITIES段信息，以提取基本的幾何數(shù)據(jù)。

圖3展示了DXF文件解析的流程圖。在DXF文件解析過程中，系統(tǒng)依次檢查圖形實(shí)體是否為LINE、CIRCLE、ARC或POLYLINE，并將每種類型的圖形坐標(biāo)分別存儲在對應(yīng)的列表中（如LINEList、CIRCLEList等）[1]。通過對DXF文件的解析和數(shù)據(jù)提取，軟件能夠有效獲取設(shè)計(jì)圖紙中的圖形坐標(biāo)，為后續(xù)的砂輪截形計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該文件導(dǎo)入功能減少了手動輸入的工作量，降低了人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，確保了數(shù)據(jù)輸入的準(zhǔn)確性。

軟件將上述參數(shù)存儲在Access數(shù)據(jù)庫中，以滿足后續(xù)計(jì)算需求。Access數(shù)據(jù)庫具有易于使用、快速開發(fā)、多用戶訪問及基本安全性等優(yōu)點(diǎn)[2]，能夠高效的支持插齒刀生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)管理需求。

在增加、刪除、修改、查詢操作中，系統(tǒng)以圖號作為主鍵，以確保每條數(shù)據(jù)記錄的唯一性，實(shí)現(xiàn)更高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)管理。在具體實(shí)現(xiàn)的過程中，通過獲取文本框中的圖號進(jìn)行數(shù)據(jù)插入，確保新數(shù)據(jù)與現(xiàn)有記錄匹配，從而維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性。

2.2" 數(shù)據(jù)處理模塊

2.2.1" 插齒刀齒形計(jì)算

插齒刀的標(biāo)準(zhǔn)齒形為漸開線齒廓。如圖4所示，以基圓圓心O為中心，基圓半徑為rb，rk為漸開線在任意點(diǎn)K處的向徑?；鶊A圓心O到A點(diǎn)與K點(diǎn)矢徑的夾角θk稱為漸開線在K點(diǎn)的展角[3-5]。

當(dāng)此漸開線與其共軛齒廓在K點(diǎn)嚙合時(shí)，該點(diǎn)所受正壓力角的方向與該點(diǎn)的速度方向之間所夾的銳角αk，稱為漸開線在點(diǎn)K的壓力角。

由ΔKON可知，

（1）

根據(jù)漸開線的性質(zhì)，可得：

故：

（2）

因此，漸開線的極坐標(biāo)方程為：

（3）

在直角坐標(biāo)系中，漸開線方程為：

（4）

2.2.2" 砂輪截形計(jì)算

砂輪截形的計(jì)算基于磨削時(shí)插齒刀與砂輪的相對運(yùn)動和嚙合原理。其基本思路是建立齒面與砂輪的接觸線方程，確定接觸線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，并將這些坐標(biāo)映射到砂輪的截面上，最終得到砂輪的截形。

在磨削過程中，插齒刀在坐標(biāo)系（O2-X2，Y2）中作轉(zhuǎn)動，砂輪在坐標(biāo)系（O1-X1，Y1）中作平移，如圖5所示[6-8]。砂輪坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

（5）

根據(jù)插齒刀與砂輪的相對速度條件，以及已知齒形法向矢量等于零的條件，可在插齒刀坐標(biāo)系中找到一點(diǎn)M，其法線通過O1，則M點(diǎn)即為齒形與砂輪的接觸點(diǎn)。當(dāng)插齒刀轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，齒形轉(zhuǎn)至另一位置時(shí)，可用以上同樣的方式求得法線通過此時(shí)瞬心點(diǎn)M′。在此過程中，一系列接觸點(diǎn)的位置在固定坐標(biāo)系（P-X，Y）中形成的軌跡稱為嚙合線（如圖6所示），而這些接觸點(diǎn)在砂輪截面上的投影軌跡則為所求的砂輪截形。

其中：

根據(jù)式（5）得砂輪截形的方程為：

（6）

2.2.3" 磨削角的選取

在磨削過程中，隨著磨削角的增大，砂輪的磨削寬度和參與磨削的砂粒數(shù)量會增加，從而提高磨削精度[9-10]。為在加工中獲得較高的磨削精度并節(jié)省砂輪，應(yīng)選擇較大的磨削角。然而，如果直接使用插齒刀分度圓的壓力角進(jìn)行磨削，雖然能夠完成加工，但可能會導(dǎo)致砂輪的過度消耗，造成資源浪費(fèi)。

為了經(jīng)濟(jì)高效地利用砂輪，該軟件設(shè)計(jì)了多個(gè)規(guī)格的砂輪，每個(gè)規(guī)格的磨削角度相差2°，例如20°、22°、24°等。確定最優(yōu)磨削角的步驟如下：首先將磨削角設(shè)定為分度圓壓力角加2°，檢查砂輪截形是否存在交叉現(xiàn)象。如果沒有交叉現(xiàn)象，則繼續(xù)增加磨削角2°，進(jìn)行進(jìn)一步測試；如果出現(xiàn)交叉現(xiàn)象（如圖7所示），則說明磨削角過大，需要將角度減小2°。重復(fù)該過程，直至找到使砂輪截形最小直徑達(dá)到0.2 mm的最佳磨削角。

通過該方法，軟件能夠精確控制磨削角度，避免因過大磨削角而導(dǎo)致的砂輪過度磨損，從而在保障磨削精度的同時(shí)顯著減少了砂輪的消耗。這種優(yōu)化不僅節(jié)約了磨削資源，還延長了砂輪的使用壽命，大大提高了整體加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

3" 交互界面

為了便于操作人員高效、便捷地使用所開發(fā)的插齒刀磨削軟件，系統(tǒng)針對每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)了相應(yīng)的交互界面，以優(yōu)化操作體驗(yàn)，提升使用效率。圖8展示了刀具管理界面。在該界面中，用戶可以基于插齒刀的圖號進(jìn)行參數(shù)的輸入、編輯和刪除操作，以便靈活管理各類工件信息。當(dāng)某工件需要二次加工時(shí)，用戶可以直接調(diào)用此前保存的參數(shù)數(shù)據(jù)，無須重新輸入，從而大大簡化了操作流程，提高了整體工作效率，降低了操作復(fù)雜性。此外，參數(shù)數(shù)據(jù)的重復(fù)利用也有助于確保加工的一致性，減少因重復(fù)輸入造成的誤差。

圖9展示了齒形生成界面。在該界面中，圖8中選擇的刀具參數(shù)會自動傳遞至圖9，以便進(jìn)行齒形計(jì)算。用戶可以根據(jù)實(shí)際加工需求選擇多種修形方式，包括齒形修緣、凸角、齒根圓弧、齒根倒角和齒型修形等。系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的修形方式和輸入的參數(shù)完成齒形計(jì)算，并自動生成DXF文件，以便在后續(xù)加工環(huán)節(jié)中使用。為了進(jìn)一步提升操作的便捷性，下次選擇該工件時(shí)，系統(tǒng)會自動加載先前的修形方式，避免了重復(fù)操作。此外，該頁面還支持直接輸入型線數(shù)據(jù)，以滿足特定的設(shè)計(jì)需求。

圖10展示了砂輪截形生成界面。基于圖9中的插齒刀齒形，系統(tǒng)在此界面中對砂輪截形進(jìn)行自動計(jì)算。操作人員可以根據(jù)具體加工要求在界面上調(diào)整磨削角度，以便控制磨削加工。若一次加工后需要對齒形進(jìn)行修正，用戶還可以通過輸入新的數(shù)值來生成修正后的砂輪截形，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的二次加工。此外，該界面還支持將砂輪截形導(dǎo)出為DXF文件，以及磨削參數(shù)的TXT文件，為后續(xù)加工環(huán)節(jié)提供詳細(xì)的技術(shù)支持。這些導(dǎo)出功能確保了系統(tǒng)生成數(shù)據(jù)與加工設(shè)備的良好對接，便于操作人員在后續(xù)工序中準(zhǔn)確執(zhí)行磨削操作。

通過對各交互界面的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效的參數(shù)傳遞與管理，顯著提升了操作便捷性和工作效率，為插齒刀磨削過程中的精確控制提供了可靠支持。

4" 驗(yàn)證案例及實(shí)驗(yàn)

基于開發(fā)的插齒刀磨削軟件，按照圖紙輸入相應(yīng)的工件參數(shù)，并通過各功能按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)插齒刀磨削參數(shù)的自動化輸出。隨后，根據(jù)軟件生成的砂輪截形對工件進(jìn)行磨削加工。

實(shí)驗(yàn)平臺采用HSM400機(jī)床，檢測平臺為P40。這些設(shè)備能夠滿足課題的實(shí)驗(yàn)需求。本實(shí)驗(yàn)所使用的插齒刀的基本參數(shù)如表1所示，其檢測結(jié)果如圖11所示。

5" 結(jié)" 論

本研究圍繞插齒刀磨削過程的自動化需求，開發(fā)了一套高效的插齒刀磨削軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了插齒刀磨削參數(shù)的自動化計(jì)算與輸出。軟件包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)生成等模塊，能夠有效支持插齒刀磨削過程中的數(shù)據(jù)處理需求。通過DXF文件導(dǎo)入功能，系統(tǒng)自動提取工件圖紙中的幾何數(shù)據(jù)，為齒形與砂輪截形的計(jì)算提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，極大地減少了手動操作，提高了加工精度和效率。

在磨削過程中，通過合理選取磨削角度和砂輪規(guī)格，軟件實(shí)現(xiàn)了砂輪的經(jīng)濟(jì)利用，減少了資源浪費(fèi)，并延長了砂輪的使用壽命。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，基于該軟件生成的磨削參數(shù)能夠滿足插齒刀的加工要求，且生成的砂輪截形精度達(dá)到了預(yù)期效果，為進(jìn)一步優(yōu)化插齒刀加工提供了有力支持。

總體而言，本研究開發(fā)的插齒刀磨削軟件系統(tǒng)大幅提升了插齒刀磨削過程的自動化水平，顯著提高了磨削效率和精度，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

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作者簡介：章黎萌（1998—），女，漢族，陜西安康人，碩士研究生在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助精密制造；王林艷（1974—），女，漢族，陜西渭南人，高級工程師，工學(xué)碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助測試。