曾少華，房亞東，王 盼

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032）

設(shè)計(jì)與應(yīng)用

Teamcenter環(huán)境三維刀具庫(kù)的構(gòu)建研究

曾少華，房亞東，王 盼

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032）

提出了一種新的建庫(kù)方法，即采用參數(shù)化技術(shù)和UG二次開發(fā)技術(shù)，結(jié)合Teamcenter軟件數(shù)據(jù)管理模塊，分類建立企業(yè)刀具的三維參數(shù)化圖形庫(kù)。為了驗(yàn)證系列化刀具三維模型的自動(dòng)生成功能，以盤型齒輪銑刀為模板文件作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)源建立一種刀具參數(shù)化零件庫(kù)的基本框架。利用Teamcenter軟件與UG軟件的交互功能，并且借助Teamcenter軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)了三維參數(shù)化刀具庫(kù)的模型存儲(chǔ)、調(diào)用、編輯等實(shí)際功能。

刀具庫(kù)；UG二次開發(fā)；參數(shù)化；Teamcenter

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(lái)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(guó)國(guó)內(nèi)刀具發(fā)展道路上急需解決的重要課題之一［1］。

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(kù)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(kù)，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(kù)的分析

1.1刀具庫(kù)的需求分析

1）刀具庫(kù)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(kù)必須具備標(biāo)準(zhǔn)刀具（國(guó)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(kù)［2］；

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(kù)服務(wù)，參數(shù)化刀具庫(kù)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(kù)應(yīng)該具備知識(shí)庫(kù)服務(wù)，刀具的分類和編碼問題。

1.2參數(shù)化刀具庫(kù)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(kù)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(lái)實(shí)現(xiàn)刀具模板文件的調(diào)用。這樣建庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)是不僅減少了刀具建庫(kù)的編程任務(wù)，而且方便了用戶對(duì)刀具庫(kù)內(nèi)的零件進(jìn)行編輯、修改等。刀具零件庫(kù)體系結(jié)構(gòu)和操作流程圖如圖1和圖2所示。

圖2　零件庫(kù)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(kù)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(kù)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(lái)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［3］。本文以拉墊式可轉(zhuǎn)位90°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。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°外圓車刀編碼形式如下：

圖4　拉墊式可轉(zhuǎn)位90°外圓車刀模型圖

MTLNR252OLO9N

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°主偏角；

第4位：刀片后角0°，代號(hào)為N；

第5位：切削方向?yàn)橛遥?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(wú)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(lái)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(lái)源［4］。

清朝沿襲明朝的閉關(guān)鎖國(guó)政策，直到1684年之前都禁止海外貿(mào)易。1684年，清政府設(shè)廣州、漳州、寧波、云臺(tái)山(今江蘇鎮(zhèn)江)四處為對(duì)外通商口岸，并引用已有的內(nèi)陸口岸的規(guī)定管理海關(guān)。1757年(乾隆二十三年)，清政府撤銷其他口岸，限定廣州一口通商，直到鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)，一直實(shí)行單口貿(mào)易政策。關(guān)稅稅率大體為進(jìn)口稅率是16%，出口稅率4%④。進(jìn)出口關(guān)稅稅率的差異一定程度上體現(xiàn)了清政府鼓勵(lì)出口、抑制進(jìn)口的初衷。但由于進(jìn)出口規(guī)模有限、海關(guān)行政效率低下及貪污腐敗盛行，關(guān)稅對(duì)整個(gè)財(cái)政收入的貢獻(xiàn)微乎其微。

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(kù)的本質(zhì)上分析，知識(shí)庫(kù)是事實(shí)與規(guī)則的集合，是智能化合成的數(shù)據(jù)庫(kù)。刀具知識(shí)庫(kù)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(kù)中，所以對(duì)于所有刀具知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)都要定義相應(yīng)的庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)和進(jìn)行其他相應(yīng)的操作。刀具知識(shí)庫(kù)的組成如圖5所示。

圖5　知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)

3　三維刀具庫(kù)的構(gòu)建

基于UG的三維參數(shù)化刀具庫(kù)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(kù)的建立工基于UG同系列產(chǎn)品Teamcenter完成刀具庫(kù)模型的生成、更新、增添、刪除、保存等工作。完成刀具庫(kù)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(kù)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(kù)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(kù)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與UG/OPEN Grip混合編程三種不同的方式實(shí)現(xiàn)［5］，本論文應(yīng)用的主要UG/ OPEN API函數(shù)［6］。

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-創(chuàng)建圖形模板-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(kù)建立

在UG環(huán)境下三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的創(chuàng)建方法總結(jié)起來(lái)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(kù)，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(wú)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(wú)縫集成，即滿足了三維刀具庫(kù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，又完成了三維刀具庫(kù)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(kù)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(kù)的背景下提出了一種新的三維參數(shù)化刀具庫(kù)的管理方法。該方法分析確定了符合國(guó)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(kù)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(lái)實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化刀具庫(kù)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(lái)做更多的研究和探索。

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表2　L-M方法與微分進(jìn)化逆解算法對(duì)比

4　結(jié)論

1）提出基于D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的非線性微分方程組變量物理意義明確，建立也相對(duì)簡(jiǎn)單。適應(yīng)一般6R工業(yè)機(jī)器人以及自由度冗余更高的工業(yè)機(jī)器人，具有較為廣泛通用性。

2）提出基于L-M方法的逆解算法適合完成機(jī)器人較復(fù)雜的高精度軌跡規(guī)劃控制，所需迭代次數(shù)少，運(yùn)算量較低，數(shù)值仿真顯示算法求解精度高，速度快，綜合效率高，具備工業(yè)機(jī)器人控制實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Research on the construction of three-dimensional cutting tool library in Teamcenter environment

ZENG Shao-hua， FANG Ya-dong， WANG Pan

TP391

A

1009-0134（2016）10-0095-05

2016-06-17

陜西省特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)基金（ST-12010）

曾少華（1987 -），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。