基于 Python 的界面程序復現：標準干涉槽型設計計算及仿真

在工業設計與制造領域，刀具的設計與優化是提高生產效率和產品質量的關鍵環節之一。本文將介紹如何使用 Python 復現一個用于標準干涉槽型設計計算及仿真的界面程序，旨在幫助工程師和研究人員更好地理解和優化刀具設計。

項目背景

在刀具制造過程中，干涉槽型的設計對于刀具的性能和壽命具有重要影響。傳統的設計方法往往依賴于經驗公式和手工計算，這種方式不僅效率低下，而且容易出錯。隨著計算機技術的發展，利用計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助工程（CAE）工具進行刀具設計已成為趨勢。
在這里插入圖片描述

本文要復現的界面程序如圖所示，來自某論文的一張圖片，該程序用于標準干涉槽型的設計計算及仿真。通過該程序，用戶可以輸入刀具的幾何參數和工藝參數，程序將自動計算相關的磨削參數、法向刃寬等，并以圖形化的方式顯示刀具的槽型。

界面程序開發

技術選型

為了實現上述功能，我們選擇使用 Python 語言，并結合以下庫進行開發：

tkinter：Python 的標準 GUI 庫，用于創建圖形用戶界面。
matplotlib：一個強大的繪圖庫，用于在界面中顯示刀具的槽型圖形。

程序結構設計

整個界面程序的設計遵循模塊化原則，主要分為以下幾個部分：

參數輸入部分：用戶可以在此輸入刀具的幾何參數（如直徑、齒數、螺旋角等）和工藝參數（如砂輪半徑、角度等）。
圖形顯示部分：用于實時顯示刀具的槽型圖形，幫助用戶直觀地了解設計結果。
計算與仿真部分：根據用戶輸入的參數，計算相關的磨削參數和刀具性能指標，并提供仿真功能。

代碼實現

以下是界面程序的核心代碼實現：

import tkinter as tk
from tkinter import ttk
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.figure import Figure
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg
from matplotlib.patches import Circleclass App:def __init__(self, root):self.root = rootself.root.title("標準干涉槽型設計計算及仿真界面程序")# 初始化參數字典self.parameters = {"直徑 d(mm)": 10.00,"齒數 Nf": 4,"螺旋角 beta(°)": 35.0,"槽前角 gama(°)": 12.0,"芯厚 Wt(mm)": 6.00,"半徑 Rw(mm)": 75.00,"角度 theta(°)": 70.00,"法向刃寬 lf(mm)": 1.000,"安裝角 epsilon(°)": None,"軸間距 A0(mm)": None,"端面偏距 e(mm)": None}# 創建左側參數輸入部分self.create_parameter_section()# 創建中間圖形顯示部分self.create_graph_section()# 創建右側步驟按鈕部分self.create_step_section()def create_parameter_section(self):# 刀具結構設計參數self.tool_frame = ttk.LabelFrame(self.root, text="刀具結構設計參數")self.tool_frame.grid(row=0, column=0, padx=10, pady=10, sticky="w")parameters = ["直徑 d(mm)", "齒數 Nf", "螺旋角 beta(°)", "槽前角 gama(°)", "芯厚 Wt(mm)"]self.entries_tool = {}for i, param in enumerate(parameters):ttk.Label(self.tool_frame, text=param).grid(row=i, column=0, padx=5, pady=5, sticky="w")entry = ttk.Entry(self.tool_frame)entry.insert(0, str(self.parameters[param]))entry.grid(row=i, column=1, padx=5, pady=5, sticky="w")entry.bind("<Return>", lambda e, p=param: self.update_parameter(p, entry.get()))self.entries_tool[param] = entry# 砂輪結構及位置參數self.wheel_frame = ttk.LabelFrame(self.root, text="砂輪結構及位置參數")self.wheel_frame.grid(row=1, column=0, padx=10, pady=10, sticky="w")parameters = ["半徑 Rw(mm)", "角度 theta(°)"]self.entries_wheel = {}for i, param in enumerate(parameters):ttk.Label(self.wheel_frame, text=param).grid(row=i, column=0, padx=5, pady=5, sticky="w")entry = ttk.Entry(self.wheel_frame)entry.insert(0, str(self.parameters[param]))entry.grid(row=i, column=1, padx=5, pady=5, sticky="w")entry.bind("<Return>", lambda e, p=param: self.update_parameter(p, entry.get()))self.entries_wheel[param] = entry# 安裝參數和刀寬self.installation_frame = ttk.LabelFrame(self.root, text="安裝參數和刀寬")self.installation_frame.grid(row=2, column=0, padx=10, pady=10, sticky="w")parameters = ["法向刃寬 lf(mm)", "安裝角 epsilon(°)", "軸間距 A0(mm)", "端面偏距 e(mm)"]self.entries_installation = {}for i, param in enumerate(parameters):ttk.Label(self.installation_frame, text=param).grid(row=i, column=0, padx=5, pady=5, sticky="w")entry = ttk.Entry(self.installation_frame)entry.insert(0, str(self.parameters[param] if self.parameters[param] is not None else ""))entry.grid(row=i, column=1, padx=5, pady=5, sticky="w")if param in ["安裝角 epsilon(°)", "軸間距 A0(mm)", "端面偏距 e(mm)"]:entry.config(state='readonly')self.entries_installation[param] = entrydef create_graph_section(self):self.graph_frame = ttk.LabelFrame(self.root, text="圖形顯示")self.graph_frame.grid(row=0, column=1, rowspan=3, padx=10, pady=10, sticky="nsew")# 創建一個簡單的圖形顯示區域self.fig = Figure(figsize=(5, 5), dpi=100)self.ax = self.fig.add_subplot(111)self.ax.set_xlim(-10, 10)self.ax.set_ylim(-10, 10)self.ax.grid(True)# 初始化時繪制兩個圓self.draw_initial_circles()# 創建一個Canvas，用于顯示圖形self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig, master=self.graph_frame)self.canvas.get_tk_widget().pack(fill=tk.BOTH, expand=True)def draw_initial_circles(self):# 清除之前的圖形，但保留坐標軸self.ax.clear()self.ax.set_xlim(-10, 10)self.ax.set_ylim(-10, 10)self.ax.grid(True)# 繪制兩個圓outer_radius = self.parameters["直徑 d(mm)"] / 2inner_radius = self.parameters["芯厚 Wt(mm)"] / 2outer_circle = Circle((0, 0), outer_radius, fill=False, color='blue')inner_circle = Circle((0, 0), inner_radius, fill=False, color='red')self.ax.add_patch(outer_circle)self.ax.add_patch(inner_circle)self.canvas.draw()def draw_slot_profile(self):# 在現有圖形上繪制槽型# 這里只是一個示例，實際槽型計算需要根據具體需求實現self.ax.plot([1, 2, 3, 4], [1, 2, 3, 4], 'g-')self.canvas.draw()def create_step_section(self):self.step_frame = ttk.LabelFrame(self.root, text="步驟")self.step_frame.grid(row=0, column=2, rowspan=3, padx=10, pady=10, sticky="nsew")steps = ["step1 計算磨削參數", "step2 計算法向刀寬", "step3 顯示刀具徑向槽型", "step4 計算面積慣性矩"]self.buttons = []for i, step in enumerate(steps):button = ttk.Button(self.step_frame, text=step, command=lambda s=step: self.on_button_click(s))button.pack(fill=tk.X, padx=5, pady=5)self.buttons.append(button)def update_parameter(self, param, value):try:if param in ["齒數 Nf"]:self.parameters[param] = int(value)else:self.parameters[param] = float(value)# 更新參數字典后，重新繪制圖形self.draw_initial_circles()except ValueError:print(f"Invalid value for {param}")def on_button_click(self, step):print(f"Button clicked: {step}")if step == "step1 計算磨削參數":self.calculate_grinding_parameters()elif step == "step3 顯示刀具徑向槽型":self.draw_slot_profile()def calculate_grinding_parameters(self):# 這里只是一個簡單的示例，實際計算需要根據具體需求實現d = self.parameters["直徑 d(mm)"]Nf = self.parameters["齒數 Nf"]beta = self.parameters["螺旋角 beta(°)"]lf = self.parameters["法向刃寬 lf(mm)"]# 計算安裝角 epsilonepsilon = 45.0  # 示例計算# 計算軸間距 A0A0 = d * Nf / 2  # 示例計算# 計算端面偏距 ee = -d / (2 * Nf)  # 示例計算# 更新參數字典self.parameters["安裝角 epsilon(°)"] = epsilonself.parameters["軸間距 A0(mm)"] = A0self.parameters["端面偏距 e(mm)"] = e# 更新界面顯示self.entries_installation["安裝角 epsilon(°)"].config(state='normal')self.entries_installation["安裝角 epsilon(°)"].delete(0, tk.END)self.entries_installation["安裝角 epsilon(°)"].insert(0, str(epsilon))self.entries_installation["安裝角 epsilon(°)"].config(state='readonly')self.entries_installation["軸間距 A0(mm)"].config(state='normal')self.entries_installation["軸間距 A0(mm)"].delete(0, tk.END)self.entries_installation["軸間距 A0(mm)"].insert(0, str(A0))self.entries_installation["軸間距 A0(mm)"].config(state='readonly')self.entries_installation["端面偏距 e(mm)"].config(state='normal')self.entries_installation["端面偏距 e(mm)"].delete(0, tk.END)self.entries_installation["端面偏距 e(mm)"].insert(0, str(e))self.entries_installation["端面偏距 e(mm)"].config(state='readonly')if __name__ == "__main__":root = tk.Tk()app = App(root)root.mainloop()