0 引言
隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，大量新型材料的投入使用，零部件的加工制造對(duì)刀具高、精、尖的技術(shù)要求越來越高。目前大多數(shù)刀具的研究主要集中在二維CAD技術(shù)上，自主開發(fā)的以三維CAD技術(shù)為背景的刀具系統(tǒng)應(yīng)用匱乏，特別在通用刀具的研究方面。本文通過深化三維CAD/CAM集成系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)制造手段，提高刀具產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)、制造能力，制造出符合航空航天企業(yè)要求的高精尖刀具，是我國國內(nèi)刀具發(fā)展道路上急需解決的重要課題之一。
本文在調(diào)研分析企業(yè)實(shí)際的基礎(chǔ)上，面對(duì)復(fù)雜多樣的加工刀具，試著提出一種新的建庫管理方法。該方法首先利用零件族法對(duì)刀具確立了一種標(biāo)準(zhǔn)的分類編碼制度，利用UG的二次開發(fā)技術(shù)建立刀具的三維參數(shù)化系統(tǒng)，搭建出三維零件庫，最后結(jié)合Teamcenter強(qiáng)大的兼容存儲(chǔ)功能與UG實(shí)現(xiàn)交互。
1 三維參數(shù)化刀具庫的分析
1.1 刀具庫的需求分析
1)刀具庫標(biāo)準(zhǔn)件服務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)件服務(wù)功能指的是三維參數(shù)化刀具庫必須具備標(biāo)準(zhǔn)刀具（國標(biāo)、航標(biāo)、企標(biāo)刀具）的收錄功能，可以建立有效地標(biāo)準(zhǔn)化刀具參數(shù)模板，以供設(shè)計(jì)者進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)而形成系列化的標(biāo)準(zhǔn)刀具庫；
2)自定義非標(biāo)準(zhǔn)件功能，由于航空航天企業(yè)的特殊性，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)的刀具，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)刀具，如特殊形式的刀具系統(tǒng)必須具備自定義功能，這就要求在刀具分類及編碼過程中也要考慮到非標(biāo)準(zhǔn)；
3)知識(shí)庫服務(wù)，參數(shù)化刀具庫不應(yīng)該僅僅是參數(shù)化的堆積，為了滿足企業(yè)日益復(fù)雜的需求，刀具庫應(yīng)該具備知識(shí)庫服務(wù)，刀具的分類和編碼問題。
1.2 參數(shù)化刀具庫的開發(fā)方法
本文采用零件族法與編程相結(jié)合的方式。
1)使用零件族法創(chuàng)建典型刀具參數(shù)化的零件模板：
2)借助UG軟件，使用UI Styler或MFC設(shè)計(jì)調(diào)用界面，為典型刀具的參數(shù)化模板制定參數(shù)化的驅(qū)動(dòng)程序，最后設(shè)置刀具零件的生成環(huán)境。參數(shù)化刀具庫在使用過程中用戶只需直接選擇刀具零件的型號(hào)和幾何尺寸，通過參數(shù)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)，依據(jù)用戶所選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)，使刀具零件實(shí)例化，以此來實(shí)現(xiàn)刀具模板文件的調(diào)用。這樣建庫的優(yōu)點(diǎn)是不僅減少了刀具建庫的編程任務(wù)，而且方便了用戶對(duì)刀具庫內(nèi)的零件進(jìn)行編輯、修改等。刀具零件庫體系結(jié)構(gòu)和操作流程圖如圖1和圖2所示。
圖1 刀具零件庫體系結(jié)構(gòu)
圖2 零件庫操作流程
2 刀具的理論知識(shí)
2.1刀具的分類及編碼
1)刀具的分類
刀具分類技術(shù)是刀具參數(shù)庫建立的前期準(zhǔn)備工作，能否科學(xué)直觀的對(duì)采集的刀具信息進(jìn)行科學(xué)合理的分類，直接決定了參數(shù)化刀具庫的使用性能。目前對(duì)于關(guān)系復(fù)雜的機(jī)床刀具，分類方式多種多樣，本文結(jié)合項(xiàng)目來源單位采取加工方式的不同進(jìn)行分類，其分類如圖3所示。
圖3 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通用刀具分類
2)刀具的編碼規(guī)則
通過匯總企業(yè)刀具元件的信息，共計(jì)4357項(xiàng)，其中包括：1900項(xiàng)刀片、484項(xiàng)刀柄、450項(xiàng)刀桿、800項(xiàng)整體銑刀、323項(xiàng)整體鉆頭、300項(xiàng)鉸刀、100項(xiàng)整體鏜刀。整體刀具根據(jù)加工方式進(jìn)行分類，刀具元件信息如刀片、刀桿、刀柄參照ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。本文以拉墊式可轉(zhuǎn)位90度外圓車刀為例進(jìn)行刀具編碼分類，其中刀具三維模型如圖4所示。
圖4 拉墊式可轉(zhuǎn)位90度外圓車刀模型圖
根據(jù)刀具參數(shù)結(jié)合ISO編碼規(guī)則，得出拉墊式可轉(zhuǎn)位90度外圓車刀編碼形式如下：
M T L N R 25 20 L 09 N
第1位：壓緊方式為M型螺釘上壓式夾緊；
第2位：刀片形狀為T型；
第3位：刀具形式與主偏角為L(zhǎng)型90度主偏角；
第4位：刀片后角0度，代號(hào)為N;
第5位：切削方向?yàn)橛�，代�?hào)為R;
第6位：刀尖高度25:
第7位：刀體寬度20;
第8位：刀具長(zhǎng)度140;
第9位：切削刃長(zhǎng)根據(jù)T型刀具內(nèi)切圓半徑查詢表格得到切削刃長(zhǎng)09:
第10位：制造商自定義代碼，此處無定義。
2.2 刀具的知識(shí)表示
根據(jù)企業(yè)刀具使用情況調(diào)研分析，其實(shí)刀具知識(shí)就是來自于企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)與生活中知識(shí)的積累，這樣的知識(shí)是粗放的，這些刀具相關(guān)的知識(shí)必須經(jīng)過專業(yè)的分析、整理才能儲(chǔ)存到知識(shí)管理系統(tǒng)中。
1)刀具知識(shí)的存在形式
企業(yè)刀具知識(shí)以兩種不同的形式存在，顯性知識(shí)和隱性知識(shí)。顯性知識(shí)是系統(tǒng)化的、人們方便學(xué)習(xí)的知識(shí)，然而隱性知識(shí)指的是難以表達(dá)的，隱含于生產(chǎn)或者生活過程中的非具體化的知識(shí)。通常情況下，隱性知識(shí)不容易發(fā)現(xiàn)，但卻是企業(yè)生存的最主要知識(shí)來源。
在企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐過程中，通過歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)刀具的知識(shí)主要存在于以下五種方式：
(1)以工藝文件的形式存在的刀具知識(shí)：刀具使用規(guī)范、刀具清單、刀具圖紙等。
(2)以電子文檔形式存在的刀具知識(shí)：刀具參數(shù)的電子樣本。
(3)以結(jié)構(gòu)化的形式存在的刀具知識(shí)：刀具的切削理論知識(shí)。
(4)物化在機(jī)床設(shè)備上的刀具知識(shí)：刀具切削理論知識(shí)。
(5)體現(xiàn)在工作人員頭腦中的刀具知識(shí)：刀具的操作經(jīng)驗(yàn)和加工技巧。
以數(shù)控銑刀為例，介紹整個(gè)刀具使用過程中的刀具知識(shí)存在形式，具體表述如表1所示。
表1 數(shù)控銑刀知識(shí)存在形式
2)刀具知識(shí)分類
從刀具知識(shí)庫的本質(zhì)上分析，知識(shí)庫是事實(shí)與規(guī)則的集合，是智能化合成的數(shù)據(jù)庫。刀具知識(shí)庫中的知識(shí)要素最終還是以數(shù)據(jù)的方式在保存在數(shù)據(jù)庫中，所以對(duì)于所有刀具知識(shí)庫中的知識(shí)都要定義相應(yīng)的庫來存儲(chǔ)和進(jìn)行其他相應(yīng)的操作。刀具知識(shí)庫的組成如圖5所示。
圖5 知識(shí)庫結(jié)構(gòu)
3 三維刀具庫的構(gòu)建
3.1 參數(shù)化刀具系統(tǒng)
基于UG的三維參數(shù)化刀具庫的設(shè)計(jì)思想，是將刀具的參數(shù)化零件模型的構(gòu)造工作進(jìn)行模塊式的劃分，分為幾何約束、尺寸約束、確定尺寸值和模型生成四個(gè)基本任務(wù)模塊。模型生成工作工作量巨大，但是參數(shù)化的規(guī)律性明顯，所以借助三維CAD軟件完成大量的模型生成工作。刀具庫的建立工基于UG同系列產(chǎn)品Teamcenter完成刀具庫模型的生成、更新、增添、刪除、保存等工作。完成刀具庫系統(tǒng)的建立和維護(hù)工作。通過刀具參數(shù)推理確定刀具三維參數(shù)化刀具庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 參數(shù)化刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.2 三維刀具庫參數(shù)化模板設(shè)計(jì)
目前在UG CAD中，參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法主要有交互圖形設(shè)計(jì)方法和二次開發(fā)兩種不同形式。交互圖形的設(shè)計(jì)方法的原理是在UG軟件的系統(tǒng)環(huán)境下，用戶使用UG提供的模型交互的操作命令和基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的建模方式。二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)是以UG系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用UG/OPEN、VC、Data Base等相關(guān)工具最大程度的滿足設(shè)計(jì)要求，并且完全支持知識(shí)庫的創(chuàng)建功能、知識(shí)的準(zhǔn)確獲取及應(yīng)用，二次開發(fā)技術(shù)是一種高級(jí)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。
其中，二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法又存在兩種不同的形式，第一種是以圖形模板為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，第二種是以參數(shù)化程序?yàn)榛A(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。兩種不同的設(shè)計(jì)方法都可以通過UG/OPEN API編程、UG/OPEN Grip編程和UG/OPEN API寫UG/OPEN Gnip混合編程三種不同的方式實(shí)現(xiàn)，本論文應(yīng)用的主要UG/OPEN API函數(shù)。
以圖形模板為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的基本過程如圖7所示。
圖7 參數(shù)化設(shè)計(jì)過程
以盤型齒輪銑刀基于圖形模板的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法為例，其設(shè)計(jì)步驟為設(shè)置開發(fā)環(huán)境一創(chuàng)建圖形模板一建立菜單，運(yùn)行界面如圖8所示。
圖8 讀入三維模型實(shí)例
3.3 三維刀具庫建立
在UG環(huán)境下三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫的創(chuàng)建方法總結(jié)起來主要有電子表格法( Spreadsheet)、關(guān)系表達(dá)式法(Expression)、用戶自定義特征法(User Defined Feature)、知識(shí)熔接法(Knowledge Fusion)和程序設(shè)計(jì)法等五種方法。綜合以上這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本論文采用Teamcenter軟件的部件族功能進(jìn)行建庫，此方法的優(yōu)點(diǎn)是：不需要建立復(fù)雜的數(shù)據(jù)表格，直接進(jìn)行三維模型的建立與UG無縫集成，三維模型可以互相導(dǎo)入、導(dǎo)出進(jìn)行編輯和修改，在零件族下面建立的參數(shù)化模型導(dǎo)入到UG參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊中，添加上表達(dá)式約束以及參數(shù)化驅(qū)動(dòng)程序可以直接進(jìn)行刀具的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，這兩種軟件的無縫集成，即滿足了三維刀具庫的參數(shù)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，又完成了三維刀具庫的建立工作。
在Teamcenter下建立刀具分類，把刀具知識(shí)分類放入庫中，在各類中可以基于UG參數(shù)化建模等功能的實(shí)現(xiàn)，UG參數(shù)化刀具模型與Teamcenter交互使用實(shí)例如圖9所示。
圖9 UG參數(shù)化刀具模型與Teamcenter交互使用實(shí)例
4 結(jié)論
在航空航天企業(yè)工裝生產(chǎn)迫切需求建立智能化、集成化參數(shù)化刀具庫的背景下提出了一種新的三維參數(shù)化刀具庫的管理方法。該方法分析確定了符合國際標(biāo)準(zhǔn)的刀具編碼制度，以UG二次開發(fā)為平臺(tái)建立了三維參數(shù)化刀具系統(tǒng)：三維參數(shù)化刀具庫的建立采用零件族法，并且把UG環(huán)境下的刀具參數(shù)化系統(tǒng)與Teamcenter相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化刀具庫的應(yīng)用技術(shù)，實(shí)踐證明此方法切實(shí)可行。隨著互聯(lián)網(wǎng)智能化制造的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)在三維刀具上可以真正做到完全的通用和開放，需要我們接下來做更多的研究和探索。
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本文標(biāo)題：Teamcenter環(huán)境三維刀具庫的構(gòu)建研究
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