林智，張安山，岳彩旭，陳志濤，劉智博，胡德生

哈爾濱理工大學先進制造智能化技術(shù)教育部重點實驗室

1 引言

隨著中國制造2025和工業(yè)4.0的提出，智能制造成為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)[1]。智能制造增加了金屬切削刀具的復雜程度，對刀具設(shè)計與制造周期提出了較高要求。為提高刀具制造質(zhì)量與效率，基于數(shù)字孿生的刀具設(shè)計與制造[2]成為新的發(fā)展方向。其中刀具數(shù)據(jù)交互是刀具制造過程中構(gòu)建數(shù)字孿生模型必不可少的部分，為了提高刀具數(shù)據(jù)交互速度和質(zhì)量，刀具建模的參數(shù)化與標準化尤為重要。

目前，國內(nèi)外學者對金屬切削刀具參數(shù)化建模進行了大量研究。吳春亞等[3]利用UG/Open與Visual Studio軟件二次開發(fā)功能，實現(xiàn)四刃平頭銑刀的參數(shù)化建模設(shè)計。張旭等[4]通過基于C++的UG/Open API與UG/Open GRIP軟件相互調(diào)用，實現(xiàn)微織構(gòu)刀具的參數(shù)化設(shè)計。吳明陽等[5]利用UG/Open API與VC6.0軟件開發(fā)了刀片斷屑槽自動化設(shè)計系統(tǒng)。文立東等[6]利用UG軟件提供的二次開發(fā)工具和C++對可轉(zhuǎn)位成型車刀進行了參數(shù)化建模。Ji S.Y.等[7]利用UG/Open軟件實現(xiàn)了面銑刀的參數(shù)化設(shè)計。然而上述研究在實現(xiàn)刀具參數(shù)化建模的過程中仍需要使用UG軟件操作界面，對刀具參數(shù)化建模的效率有一定影響。

在刀具模型建立標準化的研究與應用方面，國際上為了促進切削工具在設(shè)計、制造、分銷和使用過程中交換數(shù)據(jù)[8]，建立了ISO13399《切削刀具數(shù)據(jù)的表達與交換》(以下簡稱ISO13399標準)。ISO13399標準通過描述切削工具和切削工具組件各種數(shù)據(jù)所需的信息結(jié)構(gòu)，提供了切削工具數(shù)據(jù)的電子表示方法[9]。山特維克可樂滿作為ISO13399標準的制定者和世界上最大的金屬切削刀具制造商之一已經(jīng)開始采用此標準[10]，利用CoroPlus ToolGuide刀具選擇軟件從符合ISO13399標準的刀具樣本中創(chuàng)建刀具組裝模型?？霞{金屬公司推出的NOVO系統(tǒng)是高級數(shù)字化工具選擇系統(tǒng)和工藝設(shè)計系統(tǒng)，同樣對刀具數(shù)據(jù)進行了標準化[11]。專業(yè)的刀具數(shù)據(jù)管理解決方案提供商TDM也執(zhí)行了ISO13399標準。目前我國成都伊高智能科技有限公司推出的精密刀具智能選用服務平臺ToolsERA完全遵循了ISO13399標準[12]，株洲鉆石切削刀具股份有限公司正在研發(fā)的株鉆數(shù)字化刀具庫也遵循了ISO13399標準，此外，其他刀具廠商尚未明確提出遵循ISO13399標準，刀具數(shù)據(jù)標準化在我國尚未完全推廣。

上述平臺大多為刀具選用平臺，基于ISO13399標準的復雜刀具設(shè)計平臺較少。針對定制化復雜刀具設(shè)計流程復雜和開發(fā)周期長的問題，本文以變螺距螺旋角高效立銑刀為例，在ISO13399標準的基礎(chǔ)上，采用Python對UG軟件二次開發(fā)的方法完成刀具參數(shù)化建模。

Python是一種面向?qū)ο蟮?、開源的腳本編程語言，具有簡單易用的特點，PyQt5是Python的一個界面制作插件。通過PyQt5制作的刀具參數(shù)化建模平臺，可以在無需打開UG操作界面的情況下輸入刀具設(shè)計參數(shù)，便可自動生成用于刀具生產(chǎn)現(xiàn)場的二維圖紙、用于刀具數(shù)據(jù)信息交換的三維模型和用于切削過程有限元仿真的三維模型，并實現(xiàn)刀具模型的云存儲功能。以此提高刀具設(shè)計的效率和縮短刀具設(shè)計周期，為刀具制造過程數(shù)字孿生模型構(gòu)建提供標準化刀具模型。

2 參數(shù)化建模方法分析

刀具設(shè)計到制造的過程涉及幾何參數(shù)的反復優(yōu)化和修改，如果不進行參數(shù)化建模，每次修改刀具參數(shù)后都需重新建模。參數(shù)化建模主要是維持刀具模型的拓撲關(guān)系基本不變，通過改變模型尺寸或改變表達式中的參數(shù)值實現(xiàn)模型重建，適合結(jié)構(gòu)類似或同系列的產(chǎn)品設(shè)計[13]。

2.1 參數(shù)化模型建立方法

刀具模型的參數(shù)化建模需要使用基于特征的參數(shù)化建模和基于草圖的參數(shù)化建模兩種方式?；谔卣鞯膮?shù)化建模是基礎(chǔ)，特征的分類與組合方式如圖1所示，通過編輯特征參數(shù)可以實現(xiàn)刀具模型的隨動。草圖是一種特殊的特征，基于草圖的參數(shù)化建模是利用草圖功能創(chuàng)建參數(shù)化截面，通過對草圖的拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃掠等操作即可得到刀具模型。

2.2 參數(shù)化實現(xiàn)方法

實現(xiàn)參數(shù)化的方法一般分為程序設(shè)計法和設(shè)計變量法。程序設(shè)計法用程序描述UG軟件建模過程，通過UG/Open API接口實現(xiàn)具體功能；設(shè)計變量法通過控制預建立模型的設(shè)計變量來控制三維模型的變化，主要有電子表格法、關(guān)系表達式法、用戶自定義特征法。

本文使用設(shè)計變量法中的關(guān)系表達式法，表達式的特點是用函數(shù)關(guān)系表達各個參數(shù)之間的關(guān)系，可以把參數(shù)定義為數(shù)字和公式。通過修改表達式中一個或幾個參數(shù)便可完成對刀具的修改。將修改后的表達式文件(.exp)導入符合ISO13399標準的預建立刀具模型中，并生成新的刀具模型，實現(xiàn)刀具模型的參數(shù)化建模。該方法的優(yōu)點是容易錄制參數(shù)化操作記錄，建模速度快，但對預建立的刀具模型要求較高，需要保證模型的草圖約束完整和特征關(guān)系準確，所以實現(xiàn)刀具參數(shù)化建模的前提是對刀具進行標準化建模。

圖1 特征的分類與組合方式

2.3 刀具標準化建模

ISO13399標準并非是指導切削刀具設(shè)計的標準，而是定義切削刀具信息表達方式的標準，目前共發(fā)布36個子系列標準。ISO13399-80標準為創(chuàng)建和交換三維模型的概述和原則，定義了切削項目、工具項目和自適應項目的基本設(shè)計特征與所使用的屬性相關(guān)項。該子系列標準定義了三維模型的設(shè)計元素(包括參考系、平面、坐標軸、基本模型及詳細模型的結(jié)構(gòu))，規(guī)定了模型、切削刃線和切削零件線的顏色設(shè)置[14]。

3 參數(shù)化平臺開發(fā)

區(qū)別于以往使用UG/Open對UG軟件進行二次開發(fā)的方式，本文使用Python對UG軟件進行二次開發(fā)，以實現(xiàn)刀具模型的參數(shù)化建模。這種方法的優(yōu)點是脫離UG軟件主窗口，通過Python制作的用戶交互界面即可實現(xiàn)刀具模型的參數(shù)化建模，并生成符合ISO13399標準的二維圖紙和三維模型，可以直接用于現(xiàn)場加工和有限元仿真，極大提高了刀具設(shè)計速度。首先編制界面程序與邏輯程序，通過主程序連接界面程序與邏輯程序，完成整個參數(shù)化建模系統(tǒng)的開發(fā)，參數(shù)化系統(tǒng)的實現(xiàn)原理見圖2。

實現(xiàn)界面與邏輯程序分離的優(yōu)點是代碼結(jié)構(gòu)清晰，如果需要更新刀具參數(shù)化建模界面，只需將更新的.ui文件轉(zhuǎn)化成Python代碼替換原文件即可，不會影響其他程序。

圖2 實現(xiàn)原理

3.1 界面程序開發(fā)

在制作圖形用戶界面(GUI)時，一般可以通過純代碼編寫和GUI制作工具兩種方式實現(xiàn)。純代碼編寫對編制人員要求較高，而GUI制作工具具有強大且靈活的可視化設(shè)計窗口，可以提高設(shè)計效率。PyQt5是Python與Qt的結(jié)合產(chǎn)物，應用PyQt5可以高效地編寫各類GUI。本文使用PyQt5作為刀具參數(shù)化建模界面的制作工具，再利用PyUIC插件將界面的UI文件轉(zhuǎn)換為Python代碼，完成界面程序的開發(fā)。

3.2 邏輯程序與主程序開發(fā)

邏輯程序是刀具實現(xiàn)參數(shù)化建模的核心，它獲取用戶在參數(shù)化建模界面輸入的參數(shù)，并生成新的.exp文件，在UG軟件后臺運行.bat文件，讀取預錄制的參數(shù)化操作記錄文件，將新生成的.exp文件導入預建立的標準化刀具模型中，生成新的刀具模型文件。

參數(shù)化操作記錄文件是以Python語言為基礎(chǔ)，通過UG的錄制功能記錄導入.exp文件并生成新刀具模型文件。此外，通過邏輯程序還可以實現(xiàn)基于MySQL的刀具模型云數(shù)據(jù)庫的管理功能。

通過主程序連接界面程序與邏輯程序，完成刀具參數(shù)化建模平臺的開發(fā)，為了使開發(fā)的平臺可以在計算機上直接運行，還需使用pyinsatller插件將.py文件轉(zhuǎn)換成.exe文件。

4 刀具參數(shù)化建模實例

整體式立銑刀是金屬切削刀具中的重要組成部分。本文以變螺距螺旋角高效立銑刀為例，介紹整體式立銑刀參數(shù)化建模過程。刀具為五刃圓角立銑刀，刀具結(jié)構(gòu)見圖3a。該刀具用于加工材料為TC4鈦合金的飛機框梁類零件，零件為薄壁件，具有尺寸大、生產(chǎn)批量小的特點。刀具刃型復雜，制造精度高；采用不等齒距、不等螺旋角設(shè)計，能夠有效抑制振動，從而獲得優(yōu)異的加工表面質(zhì)量；采用圓弧清邊設(shè)計，刃口強度高，可實現(xiàn)穩(wěn)定切削加工；刀具選用難加工材料專用基體和專用涂層，刃口采用先進設(shè)備進行精準鈍化處理，可有效提升刀具使用壽命。

刀具的切削工藝參數(shù)為每轉(zhuǎn)進給量0.4mm，在銑內(nèi)外形等特征時，切削寬度為0.5～1mm，切削深度為20～25mm；在銑腹板特征時，切削寬度為12～16mm，切削深度為0.5～1mm。該銑刀周刃為主要切削部位，因此選擇影響切削過程的主要參數(shù)(螺旋角、周刃前角、周刃后角和端刃第一后角)作為刀具設(shè)計角度。為了便于研究，將5個螺旋角按如圖3a所示的方法分成三組。

(a)銑刀幾何結(jié)構(gòu)特征

(b)銑刀關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系

4.1 標準化建模

ISO13399-303為實體立銑刀的三維模型創(chuàng)建和交換，它描述了實體立銑刀三維模型建立的詳細過程[15]。變螺距螺旋角高效立銑刀各部分結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系見圖3b，標準化建模需要提取的關(guān)鍵參數(shù)見表1。表示參數(shù)的符號符合ISO13399標準，標準化建模過程由五部分構(gòu)成。

表1 標準化建模關(guān)鍵參數(shù)

注：*標注的參數(shù)名稱在ISO13399標準中暫無指定符號。

(1)參考坐標系

立銑刀建模使用笛卡爾右手坐標系，包含主坐標系、安裝坐標系和切削坐標系三個坐標系?！癙CS”主坐標系定義了空間的刀具位置；“MCS”安裝坐標系有助于將立銑刀安裝到刀夾上；“CIP”切削坐標系位于立銑刀的底刃。三個坐標系與立銑刀草圖輪廓的位置見圖4a。

(2)平面

對于立銑刀的建模，應建立如圖4b所示的“TEP”工具端面、“LPRP”夾持突出長度平面、“LSP”刀柄長度平面、“LHP”刀頭長度平面和“CLP”切削長度平面。

(3)非切削部分建模

立銑刀非切削部分的建?；A(chǔ)是“旋轉(zhuǎn)”命令，輪廓包含平面“TEP”與平面“CLP”之間的所有元素，并在坐標系“PCS”的YZ平面內(nèi)建立草圖，草圖的旋轉(zhuǎn)軸為z軸。通過“旋轉(zhuǎn)”命令得到了如圖4b所示的非切削部分基本建模。

(4)切削部分建模

立銑刀切削部分的輪廓建模應參照坐標系“CIP”和平面“CLP”，并在坐標系“PCS”的YZ平面內(nèi)建立草圖，草圖的旋轉(zhuǎn)軸為z軸。通過“旋轉(zhuǎn)”命令得到了如圖4b所示的切削部分的基本建模。

(5)細節(jié)部分建模

立銑刀的倒角建模通過“倒斜角”命令實現(xiàn)，端刃和周刃的形狀通過“掃掠”、“修剪體”和“減去”等命令實現(xiàn)，最終完成如圖4c所示的刀具細節(jié)建模。

4.2 參數(shù)化建模

打開打包后的軟件，啟動如圖5所示的變螺距螺旋角高效立銑刀參數(shù)化建模平臺，在用戶界面輸入刀具設(shè)計角度參數(shù)并點擊“生成模型”，即可自動生成如圖4c所示的變螺距螺旋角高效立銑刀三維模型和如圖6a所示的二維圖紙，此外，通過如圖6b所示的圖紙信息界面在二維圖紙的標題欄輸入刀具信息。據(jù)統(tǒng)計，采用傳統(tǒng)方式建立三維模型和繪制二維圖紙需要約20min，而使用本平臺僅需要2min，建模及繪圖效率提升了90%。

(c)細節(jié)模型

圖5 變螺距螺旋角高效立銑刀參數(shù)化建模平臺

圖6 變螺距螺旋角高效立銑刀二維圖紙及信息界面

點擊“上傳和下載模型”，打開如圖7所示的刀具模型管理界面。該界面可以管理刀具模型云數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)刀具模型數(shù)據(jù)的上傳和下載。

5 結(jié)語

針對縮短復雜刀具設(shè)計周期和提高設(shè)計效率的問題，本文提出基于ISO13399刀具標準化建模思想，采用UG軟件二次開發(fā)的方法實現(xiàn)復雜刀具快速參數(shù)化建模，得出以下結(jié)論。

(1)使用關(guān)系表達式法并遵循ISO13399標準建立的刀具模型具有良好的刀具信息交互性，可以為刀具制造過程構(gòu)建數(shù)字孿生模型提供標準化刀具模型。

(2)基于Python開源和簡單易用的特點，使用Python對UG軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)刀具參數(shù)化建模。使用PyQt5開發(fā)的刀具參數(shù)化建模平臺可以快速生成二維圖紙及三維模型，實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)的云存儲功能。

(3)以變螺距螺旋角高效立銑刀為例，搭建快速參數(shù)化建模平臺進行建模比常規(guī)建模效率提升了90%。該平臺的開發(fā)對刀具的定制設(shè)計有重要指導意義，可以提高刀具設(shè)計的效率，縮短刀具設(shè)計周期。