數(shù)控機(jī)床和加工中心用刀具(簡(jiǎn)稱數(shù)控刀具)在國(guó)外發(fā)展很快，品種規(guī)格已形成系列。我國(guó)對(duì)數(shù)控刀具的研究開(kāi)發(fā)起步較晚，數(shù)控刀具的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)成為我國(guó)工具行業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，數(shù)控刀具的落后已成為影響國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口數(shù)控機(jī)床充分發(fā)揮作用的主要障礙之一。

　　目前國(guó)外設(shè)計(jì)數(shù)控刀具的方式基本上是通過(guò)直接調(diào)用已有的設(shè)計(jì)結(jié)果或經(jīng)過(guò)局部修改而形成新的品種或規(guī)格。而國(guó)內(nèi)企業(yè)(包括中國(guó)第一汽車制造廠)在數(shù)控刀具設(shè)計(jì)中則大多在用CAD(多為Au-toCAD)軟件平臺(tái)上由設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交互式繪圖。由于交互式繪圖很難利用已有的設(shè)計(jì)結(jié)果，勞動(dòng)強(qiáng)度大，設(shè)計(jì)效率低，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。因此，研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的數(shù)控刀具CAD/CAM技術(shù)，對(duì)于提高數(shù)控刀具設(shè)計(jì)、制造的質(zhì)量和效率十分必要。

　　參數(shù)化技術(shù)以約束造型為核心，允許工程設(shè)計(jì)人員以尺寸驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的修改，非常適合于結(jié)構(gòu)類似的系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。UG NX是美國(guó)EDS公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，在設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文以UG NX為支撐平臺(tái)，以公司片銑刀為例，研究參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)途徑和方法。其他數(shù)控刀具的設(shè)計(jì)方法與其類似。

　　1 參數(shù)化設(shè)計(jì)思想

　　在使用UG軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，為了充分發(fā)揮軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，首先應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，在大腦中構(gòu)思好產(chǎn)品各個(gè)部分之間的關(guān)系，充分了解設(shè)計(jì)意圖，然后用UG提供的強(qiáng)大的設(shè)計(jì)及編輯工具把設(shè)計(jì)意圖反映到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中去。因?yàn)樵O(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的腦力活動(dòng)，一項(xiàng)設(shè)計(jì)從任務(wù)的提出到設(shè)計(jì)完成從來(lái)不會(huì)是一帆風(fēng)順的，一項(xiàng)設(shè)計(jì)的完成過(guò)程就是一個(gè)不斷改進(jìn)、不斷完善的過(guò)程，因此，從這個(gè)意思上講，設(shè)計(jì)的過(guò)程就是修改的過(guò)程，參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的就是按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖能夠進(jìn)行靈活的修改，所以它的易于修改性是至關(guān)重要的。這也是UG軟件為什么特別強(qiáng)調(diào)它的強(qiáng)大的編輯功能的原因。

　　UG刀具參數(shù)化設(shè)計(jì)思想：將刀具零件模型的構(gòu)造工作劃分為幾何約束、尺寸約束、確定尺寸值和模型生成4個(gè)基本任務(wù)。模型生成是一項(xiàng)工作量巨大、瑣碎但是有規(guī)律的工作，可以由計(jì)算機(jī)基于UG等三維軟件完成;形狀約束、尺寸約束和尺寸值的確定是非規(guī)律性的創(chuàng)造性工作，由設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定，并建立零件特征之間的尺寸關(guān)聯(lián)，用戶修改零件模型時(shí)，只需要輸人一組新的特征尺寸值，或是個(gè)別尺寸值，改變零件結(jié)構(gòu)，而不需要重新設(shè)計(jì)，只需要改變某些特征參數(shù)即可。

　　片銑刀的產(chǎn)品模型中應(yīng)包括刀片、刀桿、夾緊裝置等，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，刀具零部件均以幾何形狀的形式來(lái)描述。構(gòu)成片銑刀每一部分的幾何體都由結(jié)構(gòu)約束、圖素集和參數(shù)集組成。圖素集為構(gòu)成幾何體的基本幾何元素，如點(diǎn)、線段、圓弧、多邊形等。為提高軟件的運(yùn)行效率，多采用封閉多邊形來(lái)定義幾何體，以減少圖素的數(shù)量。結(jié)構(gòu)約束用于限定幾何體的結(jié)構(gòu)，如兩圓的同心、相鄰邊互相垂直或平行;參數(shù)集用于確定幾何體的大小，如直線的長(zhǎng)度、圓(弧)的半徑等。并通過(guò)各參數(shù)集之間的相同參數(shù)來(lái)表達(dá)各幾何體之間的位置關(guān)系。

　　2 三維參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)方法

　　下面通過(guò)公司廠標(biāo)刀具CRB153-2001片銑刀三維模型的創(chuàng)建實(shí)例來(lái)說(shuō)明參數(shù)化建模方法。

　　2.1 分析零件模型設(shè)定特征參數(shù)

　　如圖1、表1所示，片銑刀主要尺寸特征有R，Z，B，d，R1，a，F(xiàn)，v，t，可將這9個(gè)尺寸作為主要參數(shù)驅(qū)動(dòng)片銑刀模型。片銑刀的模型可通過(guò)拉伸、陣列、旋轉(zhuǎn)等建模方式得到，在建模時(shí)應(yīng)特別注意各特征參數(shù)以及它們的關(guān)系。

　　圖1 片鐵刀示度圈

　　2.2 繪制草圖與尺寸約束

　　UG NX具有完善的系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)提取功能，它能在草圖設(shè)計(jì)時(shí)，將輸人的尺寸約束作為特征參數(shù)保存起來(lái)，并且在此后的設(shè)計(jì)中進(jìn)行可視化修改，從而到達(dá)最直接的參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模的目的。用系統(tǒng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)圖形的關(guān)鍵在于如何將從實(shí)物中提取的參數(shù)轉(zhuǎn)化到UG中，用來(lái)控制三維模型的特征參數(shù)。尺寸驅(qū)動(dòng)是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，尺寸約束是實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)的前提。UG的尺寸約束的特點(diǎn)是將形狀和尺寸聯(lián)合起來(lái)考慮，通過(guò)尺寸約束實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制。設(shè)計(jì)時(shí)必須以完整的尺寸參考為出發(fā)點(diǎn)(全約束)，不能漏注尺寸或多注尺寸。尺寸驅(qū)動(dòng)是在二維草圖Stretcher里面實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)草圖中的圖形相對(duì)于坐標(biāo)軸位置關(guān)系都確定，圖形完全約束后，其尺寸和位置關(guān)系能協(xié)同變化，系統(tǒng)將直接把尺寸約束轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參數(shù)。

　　片銑刀截面為齒形，進(jìn)入xy平面草圖模式，如圖2所示，在草圖中按圖樣尺寸繪制單個(gè)齒形線，選R，F(xiàn)，v作為主要參數(shù)并賦值來(lái)驅(qū)動(dòng)圖形，約束其角度，繪制齒形截面，完成退出草圖。在xy平面新建草圖，按圖樣尺寸繪制一個(gè)圓，圓心約束在坐標(biāo)中心，繪制成軸孔截面，如圖3所示，選擇t，d作為主要參數(shù)并賦值來(lái)驅(qū)動(dòng)圖形，完成退出草圖。在yz。

　　平面新建草圖，按適當(dāng)尺寸要求繪制側(cè)角截面草圖，如圖4所示，選用L、a作為主要參數(shù)并賦值來(lái)驅(qū)動(dòng)圖形，完成退出草圖。

　　圖2 齒形截面草圖

　　圖3 軸孔截面草圖

　　圖4 側(cè)角截面草圖

　　2.3 建立模型特征和編輯表達(dá)式驅(qū)動(dòng)模型

　　UG NX建模技術(shù)是一種基于特征的建模技術(shù)，其模塊中提供各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)特征，各標(biāo)準(zhǔn)特征突出關(guān)鍵特征尺寸與定位尺寸，能很好的傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖，并且易于調(diào)用和編輯，也能創(chuàng)建特征集，對(duì)特征進(jìn)行管理。特征參數(shù)與表達(dá)式之間能相互依賴，互相傳遞數(shù)據(jù)，提高了表達(dá)式設(shè)計(jì)的層次，使實(shí)際信息可以用工程特征來(lái)定義。不同部件中的表達(dá)式也可通過(guò)鏈接來(lái)協(xié)同工作，即一個(gè)部件中的某一表達(dá)式可通過(guò)鏈接其他部件中的另一表達(dá)式建立某種聯(lián)系，當(dāng)被引用部件中的表達(dá)式被更新時(shí)，與它鏈接的部件中的相應(yīng)表達(dá)式也被更新。

　　選用Extrude(拉伸)功能，選取圖2草圖截面拉伸，建立單齒模型，選擇Circular Array進(jìn)行齒型陣列，完成完整齒型創(chuàng)建。再次用拉仲功能選擇圖3草圖截面，通過(guò)布爾運(yùn)算建立軸孔模型。選用Re-volve(旋轉(zhuǎn))功能，選取圖4草圖截面，通過(guò)布爾運(yùn)算建成刀具模型的側(cè)角。最后根據(jù)需要進(jìn)行局部倒角修整。

　　選用Expression(表達(dá)式)功能，點(diǎn)選幾何表達(dá)式按鈕，從已用參數(shù)集中提取相應(yīng)參數(shù)，選取拉伸距離作為一個(gè)參數(shù)，命名為B，陣列數(shù)量參數(shù)設(shè)定為Z，陣列間距角度參數(shù)設(shè)為a2，根據(jù)相互數(shù)學(xué)關(guān)系編輯表達(dá)式：

　　a2=3600/Z;

　　H=B;

　　L=3×B。

　　至此，我們?cè)诓輬D空間建立了片銑刀底面的草圖模型，形成了由9個(gè)主要參數(shù)R、B、Z、d、Rl、a、F、v、t和3個(gè)輔助參數(shù)a2、H、L構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)模型(見(jiàn)圖5)，其修改可以進(jìn)人草圖修改或由表達(dá)式修改。

　　圖5 片鐵刀模型與效果圖

　　3 參數(shù)化模型基礎(chǔ)上的三維零件庫(kù)

　　3.1 創(chuàng)建三維零件庫(kù)的基本原理

　　根據(jù)相似性原理對(duì)需要建庫(kù)的零件進(jìn)行分類，確定其能夠完整表示零件族或零件系列所有零件特征的復(fù)合零件。復(fù)合零件是在UG NX環(huán)境下用交互方式創(chuàng)建的三維零件模型，我們稱其為三維零件樣板。復(fù)合零件綜合了該零件族所有零件個(gè)體的形狀和結(jié)構(gòu)特征，即基于復(fù)合零件可以派生該零件族的任何一個(gè)零件，零件可以繼承復(fù)合零件的全部特征或部分特征。在三維零件樣板的基礎(chǔ)上確定一組設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)控制模型的形狀和拓?fù)潢P(guān)系，并建立零件族設(shè)計(jì)參數(shù)的系列尺寸。最后，通過(guò)選擇不同系列尺寸來(lái)自動(dòng)生成零件的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)三維零件庫(kù)的創(chuàng)建。

　　3.2 生成三維零件樣板

　　利用UG NX的Part families工具可以方便的定義零件主要參數(shù)生成系列化零件數(shù)據(jù)庫(kù)。進(jìn)入Part families，提取表達(dá)式中的R、Z、B、d、R1、a、F、v、t九個(gè)主要驅(qū)動(dòng)參數(shù)，設(shè)置保存目錄，選擇Create命令進(jìn)入Excel工作表。在Excel里面，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)零件系列尺寸或標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸錄入零件控制參數(shù)的值，如圖6所示。保存族并退出Part families，就完成帶Excel參數(shù)表的三維零件樣板的生成。

　　圖6 Part families中錄入數(shù)據(jù)

　　3.3 三維零件庫(kù)的調(diào)用

　　在新模型文件或是裝配文件中，點(diǎn)擊引入模型命令，選擇已設(shè)計(jì)完成的片銑刀模型文件，在匹配成員列表里面會(huì)出現(xiàn)之前我們?cè)贓xcel工作表里面錄入的所有規(guī)格(如圖7示)，選擇需要的規(guī)格，系統(tǒng)將自動(dòng)生存新的零件模型，并與刀柄裝配(如圖8所示)。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　利用UG NX提供的強(qiáng)大相關(guān)參數(shù)化建模功能開(kāi)發(fā)的數(shù)控刀具設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠方便編輯修改，加速設(shè)計(jì)進(jìn)程。在相關(guān)參數(shù)化模型基礎(chǔ)上，借助零件族的Excel工作表，可以快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件、通用零件及刀具系列化設(shè)計(jì)的三維模型庫(kù)。可顯著提高設(shè)計(jì)效率，使設(shè)計(jì)人員從繁重的重復(fù)性勞動(dòng)中解放出來(lái)，將更多精力用在創(chuàng)造性設(shè)計(jì)工作中。