數(shù)控刀具的參數(shù)化設(shè)計

1 引言

    數(shù)控機(jī)床和加工中心用刀具(簡稱數(shù)控刀具)在國外發(fā)展很快，品種規(guī)格已形成系列。我國對數(shù)控刀具的研究開發(fā)起步較晚，數(shù)控刀具的開發(fā)與生產(chǎn)成為我國工具行業(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。

   目前國外設(shè)計數(shù)控刀具的方式基本上是通過直接調(diào)用已有的設(shè)計結(jié)果或經(jīng)過局部修改而形成新的品種或規(guī)格。而國內(nèi)企業(yè)(包括中國第一汽車制造廠)在數(shù)控刀具設(shè)計中則大多是在商用CAD(多為AutoCAD)軟件平臺上由設(shè)計人員進(jìn)行交互式繪圖。由于交互式繪圖很難利用已有的設(shè)計結(jié)果，勞動強(qiáng)度大，設(shè)計效率低，難以滿足實際生產(chǎn)需要。因此，研究開發(fā)先進(jìn)的數(shù)控刀具CAD/CAM技術(shù)，對于提高數(shù)控刀具設(shè)計、制造的質(zhì)量和效率十分必要。

    在CAD技術(shù)的發(fā)展過程中，參數(shù)化技術(shù)的出現(xiàn)是一次重要的革命。該技術(shù)以約束造型為核心，允許工程設(shè)計人員以尺寸驅(qū)動的方式實現(xiàn)對設(shè)計結(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。

    本文以數(shù)控鏜刀為例，研究參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)途徑和方法。其它數(shù)控刀具的設(shè)計方法與其類似。

2 數(shù)控鏜刀的產(chǎn)品模型

    為了在計算機(jī)上實現(xiàn)數(shù)控鏜刀的參數(shù)化設(shè)計，建立合適的產(chǎn)品模型十分關(guān)鍵。數(shù)控鏜刀的產(chǎn)品模型中應(yīng)包括刀片、刀桿、刀片夾緊裝置等。對于較復(fù)雜的零件如刀桿，為便于模型的實現(xiàn)及管理，可將其進(jìn)一步分解為頭部、桿部兩個幾何體。在設(shè)計中，刀具零部件均以幾何形狀的形式來描述。

    構(gòu)成鏜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)，如長方形的相對邊互相平行、相鄰邊互相垂直；參數(shù)集用于確定幾何體的大小，如長方形的邊長、圓(弧)的半徑等。由于相鄰圖素或在空間具有共同位置約束或方向約束的圖素之間應(yīng)具有共用的參數(shù)集，為減少數(shù)據(jù)冗余和避免圖素之間出現(xiàn)不合理的拼合現(xiàn)象，構(gòu)造了總參數(shù)集，確定各幾何體的參數(shù)集都是總參數(shù)集的子集，各子集之間若交集非空，則表示它們之間存在鄰接關(guān)系或位置方向關(guān)系。

3 幾何體的參數(shù)化造型

     實現(xiàn)幾何體的參數(shù)化造型和確定參數(shù)集是設(shè)計的關(guān)鍵步驟。這兩個步驟一旦完成，整個鏜刀的設(shè)計就基本完成了。下面首先討論幾何體的參數(shù)化造型。

    刀桿頭部幾何形狀，其圖素集包括刀片槽圖素Ⅱ、螺釘孔圖素、壓板槽圖素Ⅰ和頭部外輪廓圖素。參數(shù)化設(shè)計過程就是在滿足一定約束條件下確定特征點(diǎn)位置的過程。對于圖2b中的頭部外輪廓圖素，設(shè)計中將結(jié)構(gòu)約束P0點(diǎn)、水平線P0P3、P0P1⊥P0P3固定，將Kr、α、β作為驅(qū)動其結(jié)構(gòu)變化的參數(shù)，將L、m、B作為驅(qū)動其大小變化的參數(shù)(寬度B受刀桿寬度的限制，屬于拼合約束)。當(dāng)頭部外輪廓圖素確定后，根據(jù)刀片尺寸及其與頭部的裝配位置即可確定刀片槽圖素Ⅱ，然后按照壓板尺寸及其與刀片槽圖素Ⅱ的相對位置要求確定螺釘孔圖素和壓板槽圖素Ⅰ。確定圖2b中特征點(diǎn)的關(guān)鍵是確定P2點(diǎn)，如果確定了P2點(diǎn)相對于P0點(diǎn)的坐標(biāo)(即圖中的L、m值)，則一方面刀片槽圖素Ⅱ、螺釘孔圖素和壓板槽圖素Ⅰ被確定，另一方面P3、P4以及P5、P1也隨之被確定。P6點(diǎn)是考慮加工工藝性而設(shè)計的銑削讓刀圓弧的圓心，其位置隨著刀片槽圖素Ⅱ的確定而確定。

    用于計算P2點(diǎn)俯視圖坐標(biāo)的鏜刀刀桿頭部示意圖，由圖可見，P2點(diǎn)與刀尖點(diǎn)P有關(guān)。P點(diǎn)的位置由切削要求決定，刀片厚度h為已知值。因此，當(dāng)?shù)镀�的安裝位置確定后，圖中的D值便已確定。根據(jù)已知的D值、h值和主偏角Kr的大小，即可確定P2點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

    下面詳細(xì)討論確定P2點(diǎn)坐標(biāo)的算法。為了計算P2點(diǎn)的坐標(biāo)，建立兩個坐標(biāo)原點(diǎn)重合的局部坐標(biāo)系(注：為計算方便，坐標(biāo)軸方向的選取與刀具計算用坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向不一致)O-XYZ和O-XqYqZq，其中O-XYZ為鏜刀圖形的投影坐標(biāo)系，而O-XqYqZq建立在前刀面上，其坐標(biāo)軸與加工前刀面時使用的坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸對應(yīng)平行(見圖3)。因此，兩個坐標(biāo)系之間具有如下關(guān)系：將O-XYZ坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)角度gp(切深方向前角)，使Y軸與Yq軸重合，再繞Yq軸旋轉(zhuǎn)角度y，即得到坐標(biāo)系O-XqYqZq。y角與gf(進(jìn)給方向前角)和切深前角gp的關(guān)系為

tgy=tggf cosgp

    為簡化計算過程，使P0點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)為零，即位于O點(diǎn)正下方(為便于觀察，圖3中對坐標(biāo)系的位置進(jìn)行了平移)，同時使P點(diǎn)的Z坐標(biāo)為零。在坐標(biāo)系O-XqYqZq中，P2(X2q,Y2q,Z2q)與P(Xq,Yq,Zq)的關(guān)系為(設(shè)P2點(diǎn)位于刀片對角線上，不然，D與刀片底邊之間的夾角可通過計算獲得)

X2q=Xq-Dsin(Kt-p/4)

Y2q=Yq-Dsin(Kt-p/4)

Z2q=Zq-h 2

    得到P2點(diǎn)在坐標(biāo)系O-XqYqZq中的坐標(biāo)后，即可計算它在俯視圖中投影的坐標(biāo)(X，Y，Z)，其中的X、Y坐標(biāo)值等于圖2b中的m、L值。

    根據(jù)坐標(biāo)系O-XYZ和O-XqYqZq之間的關(guān)系及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式，可得到(X，Y，Z)與(X2q，Y2q，Z2q)之間的關(guān)系為

X=X2qcosy+(Y2qsingp+Z2qcosgp)siny

Y=Y2qcosgp-Z2qsingp

Z=(Y2qsingp+Z2qcosgp)cosy-X2qsiny 3

    由式(1)～(3)即可計算出P2點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，Z)。其中X、Y坐標(biāo)用于確定俯視圖，Z坐標(biāo)用于繪制主視圖。P2點(diǎn)確定后，按前述方法確定其它特征點(diǎn)，即可完成圖2b所示鏜刀刀桿頭部的基本輪廓造型。

    同樣，整個鏜刀刀桿的俯視圖、主視圖、側(cè)視圖及其它輔助視圖均可按類似上述刀桿頭部的設(shè)計過程進(jìn)行設(shè)計。為減少實際設(shè)計中的計算量，編制了算法程序，用戶只需輸入相關(guān)參數(shù)，即可實現(xiàn)數(shù)控刀具的參數(shù)化設(shè)計。

4 參數(shù)集的管理

    數(shù)控刀具種類繁多，參數(shù)量龐大。為方便用戶使用，我們采用了開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)(ODBC)技術(shù)，用外掛數(shù)據(jù)庫的方式存儲常用參數(shù)。

    在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序通常是指在特定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持下，用特定的內(nèi)嵌式查詢語言開發(fā)的程序。這種數(shù)據(jù)庫程序往往需要一個龐大的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持，對用戶的軟、硬件要求較高。ODBC技術(shù)則提供了一種新的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)途徑，它建立了一組規(guī)范，提供了一組高層應(yīng)用程序調(diào)用接口和一套基于動態(tài)鏈接庫的運(yùn)行支持。用這樣一組接口開發(fā)的應(yīng)用程序可利用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和結(jié)構(gòu)化查詢語言對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)源來自何種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，所有的數(shù)據(jù)庫底層操作都可由相應(yīng)的ODBC驅(qū)動程序完成。

    在ODBC技術(shù)中，ODBC驅(qū)動程序管理器是ODBC應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間的橋梁和紐帶。ODBC驅(qū)動程序管理器、ODBC驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)源和ODBC應(yīng)用程序之間的關(guān)系如圖4所示。利用ODBC技術(shù)將不同種類的鏜刀參數(shù)作為數(shù)據(jù)庫中的記錄存儲起來，用戶可根據(jù)所設(shè)計鏜刀的種類檢索數(shù)據(jù)庫，獲取相應(yīng)的參數(shù)集或直接進(jìn)行尺寸驅(qū)動繪圖或進(jìn)行局部修改后實現(xiàn)新產(chǎn)品的設(shè)計，由于無需逐個輸入?yún)��?shù)，使設(shè)計過程十分方便、快捷。

5 鏜刀的編碼系統(tǒng)

    為便于檢索，數(shù)據(jù)記錄采用了標(biāo)準(zhǔn)編碼系統(tǒng)。編碼第1位代表刀片夾緊方式，第2位代表刀片形狀，第3位代表主偏角，第4位代表刀片后角，第5位代表切削方向，第6、7兩位代表刀尖高度，第8位代表鏜刀代號，第9位代表鏜刀安裝方式，第11、12兩位代表刀片尺寸代碼。例如：CSFNR25CA-12代表壓板夾緊、正方形刀片、主偏角90°、刀片后角0°、右切、刀尖高度25mm、標(biāo)準(zhǔn)安裝方式、刀片邊長為12.70mm的鏜刀。對于用戶在原有設(shè)計基礎(chǔ)上經(jīng)修改后設(shè)計的新產(chǎn)品，編碼時在遵循上述規(guī)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。例如：用戶在編碼為CSFNR25CA-12的鏜刀設(shè)計模板上將主偏角改為93°、刀片邊長改為9.525mm，則新鏜刀的編碼為CSUNR20CA-09。

6 程序運(yùn)行框架 

    新開發(fā)的數(shù)控刀具參數(shù)化設(shè)計平臺允許用戶進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和基于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的派生式設(shè)計。為了便于數(shù)據(jù)管理，建立了兩個數(shù)據(jù)庫：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫用于存放已有的定型設(shè)計數(shù)據(jù)；非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫用于存放用戶新的設(shè)計數(shù)據(jù)。相應(yīng)地提供了兩層設(shè)計界面，即標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計界面和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計界面。

具體設(shè)計步驟如下：

1) 確定設(shè)計編碼

    設(shè)計編碼的確定可采用三種方法：①直接輸入法：用戶在設(shè)計界面上直接輸入所設(shè)計刀具的編碼；②逐項確定法：用戶選取刀片夾緊方式、刀片形狀、切削方向、刀片后角等項目后，系統(tǒng)自動確定鏜刀編碼；③列表瀏覽法：用戶通過界面上所提供的編碼表,以瀏覽的方式查找所需編碼。為了使用戶清楚地知道每種編碼所代表的鏜刀基本形式，在界面上以預(yù)覽圖的形式提供每種編碼所對應(yīng)的鏜刀基本形狀。

2) 提取設(shè)計所需數(shù)據(jù)

    利用列表瀏覽法確定編碼時，首先在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計界面的編碼列表中瀏覽，若所需編碼不存在，則進(jìn)入非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計界面的編碼列表中瀏覽，若所需編碼存在，則用鼠標(biāo)雙擊該編碼，提取數(shù)據(jù)后進(jìn)行步驟(4)；若所需編碼不存在，則進(jìn)行步驟(3)。利用其它兩種方法確定編碼時，可通過編碼查詢查找數(shù)據(jù)庫中是否存在該編碼。首先查詢標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，若該編碼不存在，再查詢非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，若該編碼存在，系統(tǒng)即自動為用戶提取數(shù)據(jù)后進(jìn)行步驟(4)，若該編碼不存在，則進(jìn)行步驟(3)。

3) 修改參數(shù)

    對于兩個數(shù)據(jù)庫中都不存在的編碼，用戶可通過交互界面上提供的編碼列表選取與所設(shè)計產(chǎn)品相似的原有產(chǎn)品設(shè)計并提取參數(shù)，進(jìn)行局部參數(shù)調(diào)整和修改后形成新設(shè)計。如果得到滿意的結(jié)果，則進(jìn)行編碼后存入非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。

4) 繪圖

    獲得所需要的輸入?yún)��?shù)后，點(diǎn)取繪制圖形命令，系統(tǒng)自動進(jìn)行設(shè)計計算，算出圖形的驅(qū)動尺寸后即可繪出鏜刀的裝配圖和零件圖，并標(biāo)注尺寸、填寫標(biāo)題欄和技術(shù)要求，同時給出標(biāo)準(zhǔn)的圖紙規(guī)格，最后形成完整的工程圖紙。

7 結(jié)語

    采用參數(shù)化技術(shù)開發(fā)的數(shù)控刀具設(shè)計平臺可顯著提高設(shè)計效率，使設(shè)計人員從繁重的重復(fù)性勞動中解放出來，將更多精力用在創(chuàng)造性設(shè)計工作中。