數(shù)控機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)和進口數(shù)控機床充分發(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)計中則大多在用CAD(多為Au-toCAD)軟件平臺上由設(shè)計人員進行交互式繪圖。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。

　　參數(shù)化技術(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。UG NX是美國EDS公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，具有強大的參數(shù)化設(shè)計功能，在設(shè)計和制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文以UG NX為支撐平臺，以公司片銑刀為例，研究參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)途徑和方法。其他數(shù)控刀具的設(shè)計方法與其類似。

　　1 參數(shù)化設(shè)計思想

　　在使用UG軟件進行產(chǎn)品設(shè)計時，為了充分發(fā)揮軟件的設(shè)計優(yōu)勢，首先應(yīng)當認真分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，在大腦中構(gòu)思好產(chǎn)品各個部分之間的關(guān)系，充分了解設(shè)計意圖，然后用UG提供的強大的設(shè)計及編輯工具把設(shè)計意圖反映到產(chǎn)品的設(shè)計中去。因為設(shè)計是一項十分復(fù)雜的腦力活動，一項設(shè)計從任務(wù)的提出到設(shè)計完成從來不會是一帆風順的，一項設(shè)計的完成過程就是一個不斷改進、不斷完善的過程，因此，從這個意思上講，設(shè)計的過程就是修改的過程，參數(shù)化設(shè)計的目的就是按照產(chǎn)品的設(shè)計意圖能夠進行靈活的修改，所以它的易于修改性是至關(guān)重要的。這也是UG軟件為什么特別強調(diào)它的強大的編輯功能的原因。

　　UG刀具參數(shù)化設(shè)計思想：將刀具零件模型的構(gòu)造工作劃分為幾何約束、尺寸約束、確定尺寸值和模型生成4個基本任務(wù)。模型生成是一項工作量巨大、瑣碎但是有規(guī)律的工作，可以由計算機基于UG等三維軟件完成;形狀約束、尺寸約束和尺寸值的確定是非規(guī)律性的創(chuàng)造性工作，由設(shè)計者根據(jù)設(shè)計要求設(shè)定，并建立零件特征之間的尺寸關(guān)聯(lián)，用戶修改零件模型時，只需要輸人一組新的特征尺寸值，或是個別尺寸值，改變零件結(jié)構(gòu)，而不需要重新設(shè)計，只需要改變某些特征參數(shù)即可。

　　片銑刀的產(chǎn)品模型中應(yīng)包括刀片、刀桿、夾緊裝置等，在設(shè)計過程中，刀具零部件均以幾何形狀的形式來描述。構(gòu)成片銑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、線段、圓弧、多邊形等。為提高軟件的運行效率，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)，如兩圓的同心、相鄰邊互相垂直或平行;參數(shù)集用于確定幾何體的大小，如直線的長度、圓(弧)的半徑等。并通過各參數(shù)集之間的相同參數(shù)來表達各幾何體之間的位置關(guān)系。

　　2 三維參數(shù)化建模的實現(xiàn)方法

　　下面通過公司廠標刀具CRB153-2001片銑刀三維模型的創(chuàng)建實例來說明參數(shù)化建模方法。

　　2.1 分析零件模型設(shè)定特征參數(shù)

　　如圖1、表1所示，片銑刀主要尺寸特征有R，Z，B，d，R1，a，F(xiàn)，v，t，可將這9個尺寸作為主要參數(shù)驅(qū)動片銑刀模型。片銑刀的模型可通過拉伸、陣列、旋轉(zhuǎn)等建模方式得到，在建模時應(yīng)特別注意各特征參數(shù)以及它們的關(guān)系。

　　圖1 片鐵刀示度圈

　　2.2 繪制草圖與尺寸約束

　　UG NX具有完善的系統(tǒng)參數(shù)自動提取功能，它能在草圖設(shè)計時，將輸人的尺寸約束作為特征參數(shù)保存起來，并且在此后的設(shè)計中進行可視化修改，從而到達最直接的參數(shù)驅(qū)動建模的目的。用系統(tǒng)參數(shù)驅(qū)動圖形的關(guān)鍵在于如何將從實物中提取的參數(shù)轉(zhuǎn)化到UG中，用來控制三維模型的特征參數(shù)。尺寸驅(qū)動是參數(shù)驅(qū)動的基礎(chǔ)，尺寸約束是實現(xiàn)尺寸驅(qū)動的前提。UG的尺寸約束的特點是將形狀和尺寸聯(lián)合起來考慮，通過尺寸約束實現(xiàn)對幾何形狀的控制。設(shè)計時必須以完整的尺寸參考為出發(fā)點(全約束)，不能漏注尺寸或多注尺寸。尺寸驅(qū)動是在二維草圖Stretcher里面實現(xiàn)的。當草圖中的圖形相對于坐標軸位置關(guān)系都確定，圖形完全約束后，其尺寸和位置關(guān)系能協(xié)同變化，系統(tǒng)將直接把尺寸約束轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參數(shù)。

　　片銑刀截面為齒形，進入xy平面草圖模式，如圖2所示，在草圖中按圖樣尺寸繪制單個齒形線，選R，F(xiàn)，v作為主要參數(shù)并賦值來驅(qū)動圖形，約束其角度，繪制齒形截面，完成退出草圖。在xy平面新建草圖，按圖樣尺寸繪制一個圓，圓心約束在坐標中心，繪制成軸孔截面，如圖3所示，選擇t，d作為主要參數(shù)并賦值來驅(qū)動圖形，完成退出草圖。在yz。

　　平面新建草圖，按適當尺寸要求繪制側(cè)角截面草圖，如圖4所示，選用L、a作為主要參數(shù)并賦值來驅(qū)動圖形，完成退出草圖。

　　圖2 齒形截面草圖

　　圖3 軸孔截面草圖

　　圖4 側(cè)角截面草圖

　　2.3 建立模型特征和編輯表達式驅(qū)動模型

　　UG NX建模技術(shù)是一種基于特征的建模技術(shù)，其模塊中提供各種標準設(shè)計特征，各標準特征突出關(guān)鍵特征尺寸與定位尺寸，能很好的傳達設(shè)計意圖，并且易于調(diào)用和編輯，也能創(chuàng)建特征集，對特征進行管理。特征參數(shù)與表達式之間能相互依賴，互相傳遞數(shù)據(jù)，提高了表達式設(shè)計的層次，使實際信息可以用工程特征來定義。不同部件中的表達式也可通過鏈接來協(xié)同工作，即一個部件中的某一表達式可通過鏈接其他部件中的另一表達式建立某種聯(lián)系，當被引用部件中的表達式被更新時，與它鏈接的部件中的相應(yīng)表達式也被更新。

　　選用Extrude(拉伸)功能，選取圖2草圖截面拉伸，建立單齒模型，選擇Circular Array進行齒型陣列，完成完整齒型創(chuàng)建。再次用拉仲功能選擇圖3草圖截面，通過布爾運算建立軸孔模型。選用Re-volve(旋轉(zhuǎn))功能，選取圖4草圖截面，通過布爾運算建成刀具模型的側(cè)角。最后根據(jù)需要進行局部倒角修整。

　　選用Expression(表達式)功能，點選幾何表達式按鈕，從已用參數(shù)集中提取相應(yīng)參數(shù)，選取拉伸距離作為一個參數(shù)，命名為B，陣列數(shù)量參數(shù)設(shè)定為Z，陣列間距角度參數(shù)設(shè)為a2，根據(jù)相互數(shù)學(xué)關(guān)系編輯表達式：

　　a2=3600/Z;

　　H=B;

　　L=3×B。

　　至此，我們在草圖空間建立了片銑刀底面的草圖模型，形成了由9個主要參數(shù)R、B、Z、d、Rl、a、F、v、t和3個輔助參數(shù)a2、H、L構(gòu)成的驅(qū)動模型(見圖5)，其修改可以進人草圖修改或由表達式修改。

　　圖5 片鐵刀模型與效果圖

　　3 參數(shù)化模型基礎(chǔ)上的三維零件庫

　　3.1 創(chuàng)建三維零件庫的基本原理

　　根據(jù)相似性原理對需要建庫的零件進行分類，確定其能夠完整表示零件族或零件系列所有零件特征的復(fù)合零件。復(fù)合零件是在UG NX環(huán)境下用交互方式創(chuàng)建的三維零件模型，我們稱其為三維零件樣板。復(fù)合零件綜合了該零件族所有零件個體的形狀和結(jié)構(gòu)特征，即基于復(fù)合零件可以派生該零件族的任何一個零件，零件可以繼承復(fù)合零件的全部特征或部分特征。在三維零件樣板的基礎(chǔ)上確定一組設(shè)計參數(shù)來控制模型的形狀和拓撲關(guān)系，并建立零件族設(shè)計參數(shù)的系列尺寸。最后，通過選擇不同系列尺寸來自動生成零件的三維模型，從而實現(xiàn)三維零件庫的創(chuàng)建。

　　3.2 生成三維零件樣板

　　利用UG NX的Part families工具可以方便的定義零件主要參數(shù)生成系列化零件數(shù)據(jù)庫。進入Part families，提取表達式中的R、Z、B、d、R1、a、F、v、t九個主要驅(qū)動參數(shù)，設(shè)置保存目錄，選擇Create命令進入Excel工作表。在Excel里面，根據(jù)標準零件系列尺寸或標準件的標準規(guī)格尺寸錄入零件控制參數(shù)的值，如圖6所示。保存族并退出Part families，就完成帶Excel參數(shù)表的三維零件樣板的生成。

　　圖6 Part families中錄入數(shù)據(jù)

　　3.3 三維零件庫的調(diào)用

　　在新模型文件或是裝配文件中，點擊引入模型命令，選擇已設(shè)計完成的片銑刀模型文件，在匹配成員列表里面會出現(xiàn)之前我們在Excel工作表里面錄入的所有規(guī)格(如圖7示)，選擇需要的規(guī)格，系統(tǒng)將自動生存新的零件模型，并與刀柄裝配(如圖8所示)。

　　4 結(jié)語

　　利用UG NX提供的強大相關(guān)參數(shù)化建模功能開發(fā)的數(shù)控刀具設(shè)計平臺，能夠方便編輯修改，加速設(shè)計進程。在相關(guān)參數(shù)化模型基礎(chǔ)上，借助零件族的Excel工作表，可以快速準確地創(chuàng)建標準件、通用零件及刀具系列化設(shè)計的三維模型庫。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。