王建吉

(隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅慶陽745000)

基于知識(shí)工程的標(biāo)準(zhǔn)件刀庫設(shè)計(jì)

王建吉

(隴東學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅慶陽745000)

研究了拉刀的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，針對(duì)拉刀種類多但結(jié)構(gòu)相似的特點(diǎn)，利用CATIA V5的知識(shí)工程建立了拉刀3D標(biāo)準(zhǔn)件庫。此舉有利于提高拉床的工作效率。本文給出了開發(fā)拉刀標(biāo)準(zhǔn)件庫的一般方法，介紹了其設(shè)計(jì)步驟。拉刀標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立提高了拉刀的設(shè)計(jì)效率，為復(fù)雜刀具3D標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立提供了一種新思路。

拉刀；標(biāo)準(zhǔn)件庫；CATIA；知識(shí)庫

當(dāng)前，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和企業(yè)信息技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)庫的作用日漸明顯，另外，數(shù)據(jù)庫技術(shù)在企業(yè)智能制造中的應(yīng)用越來越多，逐漸成為我們管理知識(shí)和信息的有效工具。在工廠生產(chǎn)當(dāng)中，由于每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的規(guī)格和尺寸不同，當(dāng)選擇一種標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，就應(yīng)利用存放在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的尺寸參數(shù)，因而數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用在標(biāo)準(zhǔn)間庫中的作用日益明顯[1]。

本文的研究對(duì)象為拉床使用的拉刀，拉刀是一種專用多齒復(fù)雜刀具，由于它加工效率和加工精度高，使用壽命長，被廣泛用于機(jī)械加工行業(yè)。但由于拉刀種類繁多，國內(nèi)拉刀的系列化、通用化程度很低，即使同一類型的拉刀，零件圖紙的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也各有差異，互不通用。這種混亂狀況，給用戶的使用選擇帶來了很大困難。由于拉刀零件存在著同類不同尺寸、不同類但結(jié)構(gòu)相似的情況，若反復(fù)建立這些模型，會(huì)降低設(shè)計(jì)效率，增加拉刀的設(shè)計(jì)成本[2-4]。本文利用CATIA V5的知識(shí)工程模塊，開發(fā)了拉刀3D標(biāo)準(zhǔn)件庫，降低重復(fù)性建模次數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率。CATIA知識(shí)工程顧問模塊,是一個(gè)基于知識(shí)工程的模塊。它能有效地把產(chǎn)品的知識(shí)庫結(jié)合到產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)中去,能使設(shè)計(jì)人員在確保提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí),遵循最佳的設(shè)計(jì)原則[5-7]。

CATIA V5是IBM和Dassault system公司共同推出的全新一代CAD/CAE/CAM軟件，目前在世界范圍內(nèi)是應(yīng)用面最廣、反響最大的三維CAD軟件；CATIA V5具有強(qiáng)大的知識(shí)工程和參數(shù)化建模的功能，并允許用戶自由和開放式地建立和使用自己建立的標(biāo)準(zhǔn)件庫，用戶可以運(yùn)用CATIA的知識(shí)工程模塊建立知識(shí)庫從而參數(shù)化地驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)，再通過catalog模板建立標(biāo)準(zhǔn)件庫。

1 拉刀設(shè)計(jì)知識(shí)

1.1 拉刀的結(jié)構(gòu)

拉削過程是用拉刀進(jìn)行的，它是靠拉刀的后一個(gè)(或一組)刀齒高于前一個(gè)(或一組)刀齒，一層一層地切除余量，以獲得所需要的加工表面。拉刀的種類比較多,拉刀按加工表面分為內(nèi)拉刀和外拉刀；按拉削方式分普通式、輪切式及綜合式；按受力不同分拉刀、推刀和旋轉(zhuǎn)拉刀；按結(jié)構(gòu)不同分整體式、焊接式、裝配式和鑲齒式；根據(jù)拉刀的加工對(duì)象，可將拉刀分為圓孔拉刀、矩形花鍵拉刀、鍵槽拉刀、漸開線花鍵拉刀、三角花鍵拉刀、成型孔拉刀等，各種拉刀還可細(xì)分。盡管拉刀的種類繁多，但結(jié)構(gòu)大致相同，主要由前柄、頸部、過渡錐、前導(dǎo)部、刀齒部、后導(dǎo)部等幾部分構(gòu)成。如圖1所示，其中刀齒部的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，可分為倒角齒、切削齒(包括粗切齒、過渡齒、精切齒)和校準(zhǔn)齒等結(jié)構(gòu)。拉刀的前柄、頸部、過渡錐、前導(dǎo)部結(jié)構(gòu)基本相同，本文在設(shè)計(jì)時(shí)將這4部分歸類為前部。于是拉刀的結(jié)構(gòu)可歸類為前部、刀齒部和后導(dǎo)部，本文根據(jù)這三部分的結(jié)構(gòu)對(duì)拉刀進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。由于目前還沒有通用的理論公式，拉刀的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)融入到設(shè)計(jì)之中。

圖1 拉刀結(jié)構(gòu)圖

1.2 拉刀編號(hào)與設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)一

由于我國還沒有完整的拉刀設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，目前僅有對(duì)拉刀前柄的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GBT 3832.2-2004，所以拉刀的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化一直比較困難。文獻(xiàn)[8]對(duì)各種拉刀的基本原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，減少了拉刀的規(guī)格。要開發(fā)拉刀的標(biāo)準(zhǔn)件庫，首先應(yīng)對(duì)拉刀進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)和統(tǒng)一參數(shù)處理。

1.2.1 對(duì)拉刀進(jìn)行編號(hào)。為方便對(duì)拉刀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將各種拉刀進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，并找出其共性和異性，如表1所示。各種拉刀結(jié)構(gòu)的異性較多，主要在于刀齒部，如圓孔拉刀的刀齒部主要是切削齒和校準(zhǔn)齒，而矩形花鍵拉刀的刀齒部包括倒角齒、切削齒和校準(zhǔn)齒。

1.2.2 統(tǒng)一設(shè)計(jì)參數(shù)。為建立拉刀的3D標(biāo)準(zhǔn)件庫，首先需對(duì)拉刀進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，所以每一種拉刀相同結(jié)構(gòu)的參數(shù)名稱必須相同，如表2所示，為拉刀前部結(jié)構(gòu)參數(shù)的統(tǒng)一。

表1 拉刀的編號(hào)

表2 拉刀前部結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 基于知識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)件庫設(shè)計(jì)

CATIA軟件的知識(shí)工程以產(chǎn)品知識(shí)為基礎(chǔ)，參數(shù)化地建立標(biāo)準(zhǔn)件模型，再把模型保存成Catalog模板，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立。利用CATIA的知識(shí)工程模塊建立零件標(biāo)準(zhǔn)件庫的一般方法是：首先利用參數(shù)化建模技術(shù)建立零件的三維模型，然后提取模型的特征參數(shù)，并通過Design Table工具將特征參數(shù)制成數(shù)據(jù)表格，運(yùn)用知識(shí)工程顧問的規(guī)則(Rules)、檢查(Checks)和應(yīng)變(Reactions)等功能將長期積累的經(jīng)驗(yàn)嵌入到設(shè)計(jì)中，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行約束和檢驗(yàn)，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量[9-10]。

拉刀是一類復(fù)雜零件，如果對(duì)其重復(fù)建模，花費(fèi)的時(shí)間將會(huì)很多。所以利用CATIA的知識(shí)工程模塊建立拉刀的標(biāo)準(zhǔn)件庫，能夠提高設(shè)計(jì)效率，有效降低成本。本文旨在建立拉刀的3D標(biāo)準(zhǔn)件庫，由于拉刀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜參數(shù)多，在對(duì)刀齒進(jìn)行三維建模時(shí)很難實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，所以建立其3D標(biāo)準(zhǔn)件庫比較困難。拉刀3D標(biāo)準(zhǔn)件庫開發(fā)與常用標(biāo)準(zhǔn)件的3D標(biāo)準(zhǔn)件庫開發(fā)的不同之處，就在于拉刀刀齒的參數(shù)化建模以及利用知識(shí)工程將拉刀經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的嵌入和拉刀的三維設(shè)計(jì)中[11]。

3 基于知識(shí)的拉刀三維設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 拉刀三維模型的建立

以創(chuàng)建矩形花鍵拉刀的三維模型為例。矩形花鍵拉刀根據(jù)用途不同可以分為單獨(dú)加工花鍵的花鍵拉刀和加工倒角、圓孔與花鍵的復(fù)合拉刀，本文采用倒角-花鍵拉刀作為拉刀建模的例子。已知花鍵孔直徑D=40mm，鍵槽寬度b=12mm，預(yù)加工孔直徑D0=39.3mm，拉削長度l0=50mm。

3.1.1 首先創(chuàng)建花鍵拉刀的用戶參數(shù)。由于花鍵拉刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)較多，所以用戶參數(shù)必須能夠反映模型的構(gòu)造，如前部的直徑Di和長度Li，刀齒部的齒升量Sz、齒數(shù)Z、容屑槽和分屑槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及后導(dǎo)部的直徑和長度等參數(shù)。在草繪和創(chuàng)建實(shí)體特征的過程中，通過公式建立用戶參數(shù)與特征參數(shù)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。

3.1.2 拉刀三維模型的創(chuàng)建。拉刀前部和后導(dǎo)部為一規(guī)則的旋轉(zhuǎn)體，創(chuàng)建其三圍模型比較簡單。拉刀最復(fù)雜的部分是刀齒部，而刀齒部最復(fù)雜的部分則是粗切齒。矩形花鍵拉刀的刀齒分為倒角齒、切削齒、校準(zhǔn)齒等齒形，由于切削齒的粗切齒齒數(shù)多，每一個(gè)齒都有齒升量，所以粗切齒設(shè)計(jì)最復(fù)雜。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通過草繪一個(gè)一個(gè)來繪制或者通過提取曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率低，而且容易出錯(cuò)。本文借助知識(shí)工程顧問的LOOP工具來設(shè)計(jì)粗切齒的容屑槽。

已知齒升量Sz=0.07mm，齒距t=11mm，第一齒直徑Dc1=39.3mm，齒數(shù)z=30。首先創(chuàng)建第一個(gè)粗切齒的三維模型，并創(chuàng)建其用戶特征；然后創(chuàng)建一個(gè)粗切齒LOOP，在輸入名稱里面選擇第一個(gè)粗切齒的用戶特征，刀齒個(gè)數(shù)可在程序輸入框里輸入以下程序：

abc_$i$ isa UDF1

{ r=19.65mm+0.07*$i$*1mm;

b=300mm+11*$i$*1mm; }

運(yùn)行循環(huán)，則可生成花鍵拉刀所有粗切齒的容屑槽，結(jié)果如圖2所示：

圖2 Loop創(chuàng)建粗切齒容屑槽

最終生成矩形花鍵拉刀的實(shí)體如圖3所示。

圖3 矩形花鍵拉刀的三維模型

3.2 創(chuàng)建拉刀設(shè)計(jì)表

用已有的特征參數(shù)創(chuàng)建Excel表格，然后通過Association建立表中參數(shù)與拉刀特征參數(shù)的聯(lián)系。生成的Excel表格只有一個(gè)系列的參數(shù)值，所以需要通過編輯表操作，把其他系列的參數(shù)值錄入Excel表格保存，并應(yīng)用到現(xiàn)有的三維設(shè)計(jì)中。通過Excel電子表格格式建表。參數(shù)表給用戶提供一種創(chuàng)建和管理標(biāo)準(zhǔn)件的方法和工具[12-13]。

3.3 創(chuàng)建規(guī)則和檢查

由于拉刀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，所以在對(duì)拉刀進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮拉刀結(jié)構(gòu)尺寸的顯性知識(shí)，還應(yīng)該考慮與拉刀設(shè)計(jì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的隱性知識(shí)。CATIA通過知識(shí)工程顧問模塊將隱性知識(shí)用工程語言表達(dá)出來，對(duì)拉刀的設(shè)計(jì)進(jìn)行約束和檢驗(yàn)。

例如創(chuàng)建花鍵拉刀最大總長度Lmax的規(guī)則，Lmax與拉刀直徑D有關(guān)，D在不同的范圍內(nèi)取值，Lmax將與D存在著不同的關(guān)系。在知識(shí)工程規(guī)則里，用if…else…語句來表達(dá)它們之間的關(guān)系，如圖4所示拉刀最大總長度規(guī)則，可對(duì)Lmax的值進(jìn)行約束。最后將所有的規(guī)則檢驗(yàn)保存到目錄庫里面，形成規(guī)則庫，如圖5所示，以便用于其他拉刀的設(shè)計(jì)。

圖4 拉刀最大總長度規(guī)則

圖5 拉刀的規(guī)則庫

3.4 創(chuàng)建拉刀前部的知識(shí)模板

利用產(chǎn)品知識(shí)模板創(chuàng)建拉刀前部的用戶特征，并創(chuàng)建前部的特征模板。

4 拉刀標(biāo)準(zhǔn)件庫設(shè)計(jì)

4.1 基于特征和規(guī)則的三維設(shè)計(jì)

利用創(chuàng)建矩形花鍵拉刀三維模型中提取的設(shè)計(jì)知識(shí)，創(chuàng)建其他拉刀的模型。

4.1.1 基于特征的三維設(shè)計(jì)。由于拉刀前部已經(jīng)生成特征模板，所以只需對(duì)刀齒部和后導(dǎo)部進(jìn)行三維建模，然后調(diào)出拉刀前部即可生成一把新拉刀的三維模型，如圖6所示，建立圓孔拉刀的三維模型時(shí)，調(diào)用前部用戶特征。

圖6 拉刀前部用戶特征的調(diào)用

4.1.2 基于規(guī)則的三維設(shè)計(jì)。由于所有拉刀各部分的設(shè)計(jì)要求相似，相同結(jié)構(gòu)的參數(shù)名稱相同，所以可將在矩形花鍵拉刀設(shè)計(jì)中所創(chuàng)建的設(shè)計(jì)規(guī)則和檢查導(dǎo)入到其他拉刀產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，如圖7所示。對(duì)其他拉刀模型進(jìn)行約束和檢驗(yàn)，而不用對(duì)拉刀重新建立設(shè)計(jì)規(guī)則。

圖7 設(shè)計(jì)規(guī)則調(diào)用

4.2 標(biāo)準(zhǔn)件庫的創(chuàng)建和管理

創(chuàng)建Catalog文件，通過“Add Part Family”命令將所有拉刀的模型添加到標(biāo)準(zhǔn)件庫里，按照拉刀的編號(hào)修改關(guān)鍵字并添加相關(guān)描述。

通過“Add Chapter”操作分別創(chuàng)建各種類型拉刀的章節(jié)，將添加的零件歸類到相應(yīng)的章節(jié)里面，系統(tǒng)將利用設(shè)計(jì)表中的參數(shù)值及相關(guān)公式自動(dòng)生成三維模型的預(yù)覽圖片和零件系列數(shù)據(jù)，如圖8所示。保存Catalog文件，從而創(chuàng)建拉刀的標(biāo)準(zhǔn)件庫。

圖8 拉刀標(biāo)準(zhǔn)件庫

如果要設(shè)計(jì)一把新的拉刀，則可找到相應(yīng)的拉刀類型，右鍵單擊然后選擇“打開文檔”，生成拉刀模型，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)新參數(shù)的輸入。

4.3 拉刀標(biāo)準(zhǔn)件庫的特點(diǎn)

4.3.1 在對(duì)刀齒的粗切齒建模時(shí)采用知識(shí)工程循環(huán)LOOP工具，使得粗切齒能夠快速方便的建模，極大地方便了刀齒模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)其他刀齒結(jié)構(gòu)相同的拉刀時(shí)，只需選擇系列參數(shù)即可。設(shè)計(jì)刀齒結(jié)構(gòu)不同的拉刀，只需修改第一齒的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)參數(shù)，即可完成所有粗切齒建模，此法簡單易行。

4.3.2 本文的拉刀標(biāo)準(zhǔn)件庫包括了拉刀各個(gè)種類的三維模型，種類較齊全。所創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)件庫不僅包括拉刀的三維實(shí)體模型，而且還包括了拉刀的設(shè)計(jì)規(guī)則和檢查，也就是拉刀規(guī)則庫。

4.3.3 創(chuàng)建新的拉刀模型時(shí)，可從規(guī)則庫中選擇相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則導(dǎo)入新的模型中，能夠及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，還可將新建的規(guī)則檢查添加到規(guī)則庫中。這樣就方便快速地將拉刀的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)嵌入到了設(shè)計(jì)中。很快對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，節(jié)省工藝設(shè)計(jì)時(shí)間。

5 結(jié)論

5.1 利用CATIA的知識(shí)工程語言實(shí)現(xiàn)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件庫的智能化設(shè)計(jì)。這種基于知識(shí)工程的智能化設(shè)計(jì)是解決產(chǎn)品快速變型設(shè)計(jì)的有效手段,不僅能在標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)中應(yīng)用,在其它存在規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也值得嘗試。

5.2 利用知識(shí)工程循環(huán)LOOP對(duì)刀齒進(jìn)行建模，使得拉刀3D標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立成為可能。利用設(shè)計(jì)實(shí)例和設(shè)計(jì)規(guī)則共同開發(fā)了拉刀標(biāo)準(zhǔn)件庫，不僅方便設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中調(diào)用拉刀三維標(biāo)準(zhǔn)件資源，還能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行及時(shí)檢查，減少了設(shè)計(jì)中的大量重復(fù)性工作，提高了拉刀設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。還研究了基于知識(shí)工程的標(biāo)準(zhǔn)件智能化設(shè)計(jì)方法。

5.3 通過建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，為方便使用機(jī)械設(shè)計(jì)中大量的標(biāo)準(zhǔn)件提供捷徑。減少在設(shè)計(jì)過程中技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)可以提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效利用人力資源，提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)和制造周期，有效降低成本，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，也為產(chǎn)品加工制造提供了實(shí)用有效的工具。標(biāo)準(zhǔn)件庫為企業(yè)實(shí)現(xiàn)無紙化提供了幫助。該標(biāo)準(zhǔn)件庫是應(yīng)用系統(tǒng)的簡單模擬，占用存貯空間小，具有開放性的接口，增刪參數(shù)簡便容易，其內(nèi)容是一鎖緊類標(biāo)準(zhǔn)件庫，只要補(bǔ)充相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件，就可以滿足不同需求，為工廠實(shí)現(xiàn)智能化、信息化奠定基礎(chǔ)[14]。

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[14]朱煜忻，王宇，丁航，等.知識(shí)工程在機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2015(S2)：85-91.

【責(zé)任編輯 答會(huì)明】

Design of Tool Magazine Based on Knowledge Engineering Standard

WANG Jian-ji

(CollegeofMechanicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

Starting from its different kinds of structure but similar characteristics and based on the knowledge engineering of CATIA V5,this paper tries to study the standardized design of the broach and establish 3D standard parts library broach which may help in improving the working efficiency of broaching machine. This paper presents a general method for developing broach standard parts library,and introduces the design steps. The establishment of standard parts library of broach can improve the design efficiency,and provide a new idea for the establishment of complex cutting tools 3D standard parts library.

broach;standard parts library;CATIA;KBE

1674-1730(2017)03-0032-04

2016-10-19

隴東學(xué)院博士基金項(xiàng)目《基于摩擦學(xué)與動(dòng)力學(xué)的渦旋壓縮機(jī)軸向間隙相關(guān)性研究》(XYBY1605)

王建吉(1984—)，男，甘肅慶陽人，講師，主要從事機(jī)械工程材料疲勞可靠性研究。

TH12;TP391.72

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