数控刀具的参数化设计

2018-05-10 65

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1 引言

数控机床和加工中心用刀具(简称数控刀具)在国外发展很快，品种规格已形成系列。我国对数控刀具的研究开发起步较晚，数控刀具的开发与生产成为我国工具行业的薄弱环节，数控刀具的落后已成为影响国产和进口数控机床充分发挥作用的主要障碍之一。

目前国外设计数控刀具的方式基本上是通过直接调用已有的设计结果或经过局部修改而形成新的品种或规格。而国内企业(包括中国第一汽车制造厂)在数控刀具设计中则大多是在商用CAD(多为AutoCAD)软件平台上由设计人员进行交互式绘图。由于交互式绘图很难利用已有的设计结果，劳动强度大，设计效率低，难以满足实际生产需要。因此，研究开发先进的数控刀具CAD/CAM技术，对于提高数控刀具设计、制造的质量和效率十分必要。

在CAD技术的发展过程中，参数化技术的出现是一次重要的革命。该技术以约束造型为核心，允许工程设计人员以尺寸驱动的方式实现对设计结果的修改，非常适合于结构类似的系列化产品设计。

本文以数控镗刀为例，研究参数化设计的实现途径和方法。其它数控刀具的设计方法与其类似。

2 数控镗刀的产品模型

为了在计算机上实现数控镗刀的参数化设计，建立合适的产品模型十分关键。数控镗刀的产品模型中应包括刀片、刀杆、刀片夹紧装置等。对于较复杂的零件如刀杆，为便于模型的实现及管理，可将其进一步分解为头部、杆部两个几何体。在设计中，刀具零部件均以几何形状的形式来描述。图1为数控镗刀的产品模型框图。

由图1可见，构成镗刀每一部分的几何体都由结构约束、图素集和参数集组成。图素集为构成几何体的基本几何元素，如点、线段、圆弧、多边形等。为提高软件的运行效率，多采用封闭多边形来定义几何体，以减少图素的数量。结构约束用于限定几何体的结构，如长方形的相对边互相平行、相邻边互相垂直；参数集用于确定几何体的大小，如长方形的边长、圆(弧)的半径等。由于相邻图素或在空间具有共同位置约束或方向约束的图素之间应具有共用的参数集，为减少数据冗余和避免图素之间出现不合理的拼合现象，构造了总参数集，确定各几何体的参数集都是总参数集的子集，各子集之间若交集非空，则表示它们之间存在邻接关系或位置方向关系。

图1 数控镗刀产品模型框图
图2　镗刀刀杆示意图

3 几何体的参数化造型

由图1可见，实现几何体的参数化造型和确定参数集是设计的关键步骤。这两个步骤一旦完成，整个镗刀的设计就基本完成了。下面首先讨论几何体的参数化造型。为了说明整个造型过程，以图2所示几何图形为例进行讨论。图2a为采用压板夹紧方式安装正方形刀片的镗刀刀杆俯视图，图2b为刀杆头部形状，图2c为刀杆杆部形状。

对于图2b所示的刀杆头部几何形状，其图素集包括刀片槽图素Ⅱ、螺钉孔图素、压板槽图素Ⅰ和头部外轮廓图素。参数化设计过程就是在满足一定约束条件下确定特征点位置的过程。对于图2b中的头部外轮廓图素，设计中将结构约束P₀点、水平线P₀P₃、P₀P₁⊥P₀P₃固定，将K_r、a、b作为驱动其结构变化的参数，将L、m、B作为驱动其大小变化的参数(宽度B受刀杆宽度的限制，属于拼合约束)。当头部外轮廓图素确定后，根据刀片尺寸及其与头部的装配位置即可确定刀片槽图素Ⅱ，然后按照压板尺寸及其与刀片槽图素Ⅱ的相对位置要求确定螺钉孔图素和压板槽图素Ⅰ。确定图2b中特征点的关键是确定P₂点，如果确定了P₂点相对于P₀点的坐标(即图中的L、m值)，则一方面刀片槽图素Ⅱ、螺钉孔图素和压板槽图素Ⅰ被确定，另一方面P₃、P₄以及P₅、P₁也随之被确定。P₆点是考虑加工工艺性而设计的铣削让刀圆弧的圆心，其位置随着刀片槽图素Ⅱ的确定而确定。

图3是用于计算P₂点俯视图坐标的镗刀刀杆头部示意图，由图可见，P₂点与刀尖点P有关。P点的位置由切削要求决定，刀片厚度h为已知值。因此，当刀片的安装位置确定后，图中的D值便已确定。根据已知的D值、h值和主偏角K_r的大小，即可确定P₂点的空间坐标。

图3 镗刀刀杆头部示意图

下面详细讨论确定P₂点坐标的算法。为了计算P₂点的坐标，建立两个坐标原点重合的局部坐标系(注：为计算方便，坐标轴方向的选取与刀具计算用坐标系的坐标轴方向不一致)O-XYZ和O-X_qY_qZ_q，其中O-XYZ为镗刀图形的投影坐标系，而O-X_qY_qZ_q建立在前刀面上，其坐标轴与加工前刀面时使用的坐标系的坐标轴对应平行(见图3)。因此，两个坐标系之间具有如下关系：将O-XYZ坐标系绕X轴旋转角度g_p(切深方向前角)，使Y轴与Y_q轴重合，再绕Y_q轴旋转角度y，即得到坐标系O-X_qY_qZ_q。y角与g_f(进给方向前角)和切深前角g_p的关系为 tgy=tgg_f cosg_p 1

为简化计算过程，使P₀点的X、Y坐标为零，即位于O点正下方(为便于观察，图3中对坐标系的位置进行了平移)，同时使P点的Z坐标为零。在坐标系O-X_qY_qZ_q中，P₂(X_2q,Y_2q,Z_2q)与P(X_q,Y_q,Z_q)的关系为(设P₂点位于刀片对角线上，不然，D与刀片底边之间的夹角可通过计算获得) X_2q=X_q-Dsin(K_t-p/4)
Y_2q=Y_q-Dsin(K_t-p/4)
Z_2q=Z_q-h 2

得到P₂点在坐标系O-X_qY_qZ_q中的坐标后，即可计算它在俯视图中投影的坐标(X，Y，Z)，其中的X、Y坐标值等于图2b中的m、L值。

根据坐标系O-XYZ和O-X_qY_qZ_q之间的关系及坐标旋转公式，可得到(X，Y，Z)与(X_2q，Y_2q，Z_2q)之间的关系为 X=X_2qcosy+(Y_2qsing_p+Z_2qcosg_p)siny
Y=Y_2qcosg_p-Z_2qsing_p
Z=(Y_2qsing_p+Z_2qcosg_p)cosy-X_2qsiny 3

由式(1)～(3)即可计算出P₂点的坐标(X，Y，Z)。其中X、Y坐标用于确定俯视图，Z坐标用于绘制主视图。P₂点确定后，按前述方法确定其它特征点，即可完成图2b所示镗刀刀杆头部的基本轮廓造型。

同样，整个镗刀刀杆的俯视图、主视图、侧视图及其它辅助视图均可按类似上述刀杆头部的设计过程进行设计。为减少实际设计中的计算量，编制了算法程序，用户只需输入相关参数，即可实现数控刀具的参数化设计。

4 参数集的管理

数控刀具种类繁多，参数量庞大。为方便用户使用，我们采用了开放数据库互联(ODBC)技术，用外挂数据库的方式存储常用参数。

在传统的数据库领域，数据库应用程序通常是指在特定的数据库管理系统支持下，用特定的内嵌式查询语言开发的程序。这种数据库程序往往需要一个庞大的数据库管理系统支持，对用户的软、硬件要求较高。ODBC技术则提供了一种新的数据库应用程序实现途径，它建立了一组规范，提供了一组高层应用程序调用接口和一套基于动态链接库的运行支持。用这样一组接口开发的应用程序可利用标准函数和结构化查询语言对数据库进行操作，而不必关心数据源来自何种数据库管理系统，所有的数据库底层操作都可由相应的ODBC驱动程序完成。

在ODBC技术中，ODBC驱动程序管理器是ODBC应用程序和数据源之间的桥梁和纽带。ODBC驱动程序管理器、ODBC驱动程序、数据源和ODBC应用程序之间的关系如图4所示。利用ODBC技术将不同种类的镗刀参数作为数据库中的记录存储起来，用户可根据所设计镗刀的种类检索数据库，获取相应的参数集或直接进行尺寸驱动绘图或进行局部修改后实现新产品的设计，由于无需逐个输入参数，使设计过程十分方便、快捷。
图4 ODBC技术应用框图

5 镗刀的编码系统

为便于检索，数据记录采用了标准编码系统。编码第1位代表刀片夹紧方式，第2位代表刀片形状，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、7两位代表刀尖高度，第8位代表镗刀代号，第9位代表镗刀安装方式，第11、12两位代表刀片尺寸代码。例如：CSFNR25CA-12代表压板夹紧、正方形刀片、主偏角90°、刀片后角0°、右切、刀尖高度25mm、标准安装方式、刀片边长为12.70mm的镗刀。对于用户在原有设计基础上经修改后设计的新产品，编码时在遵循上述规定的基础上进行了相应调整。例如：用户在编码为CSFNR25CA-12的镗刀设计模板上将主偏角改为93°、刀片边长改为9.525mm，则新镗刀的编码为CSUNR20CA-09。

6 程序运行框架

新开发的数控刀具参数化设计平台允许用户进行标准设计和基于标准设计的派生式设计。为了便于数据管理，建立了两个数据库：标准数据库用于存放已有的定型设计数据；非标准数据库用于存放用户新的设计数据。相应地提供了两层设计界面，即标准设计界面和非标准设计界面。

具体设计步骤如下：

确定设计编码
设计编码的确定可采用三种方法：①直接输入法：用户在设计界面上直接输入所设计刀具的编码；②逐项确定法：用户选取刀片夹紧方式、刀片形状、切削方向、刀片后角等项目后，系统自动确定镗刀编码；③列表浏览法：用户通过界面上所提供的编码表,以浏览的方式查找所需编码。为了使用户清楚地知道每种编码所代表的镗刀基本形式，在界面上以预览图的形式提供每种编码所对应的镗刀基本形状。
提取设计所需数据
利用列表浏览法确定编码时，首先在标准设计界面的编码列表中浏览，若所需编码不存在，则进入非标准设计界面的编码列表中浏览，若所需编码存在，则用鼠标双击该编码，提取数据后进行步骤(4)；若所需编码不存在，则进行步骤(3)。利用其它两种方法确定编码时，可通过编码查询查找数据库中是否存在该编码。首先查询标准数据库，若该编码不存在，再查询非标准数据库，若该编码存在，系统即自动为用户提取数据后进行步骤(4)，若该编码不存在，则进行步骤(3)。
修改参数
对于两个数据库中都不存在的编码，用户可通过交互界面上提供的编码列表选取与所设计产品相似的原有产品设计并提取参数，进行局部参数调整和修改后形成新设计。如果得到满意的结果，则进行编码后存入非标准数据库。
绘图
获得所需要的输入参数后，点取绘制图形命令，系统自动进行设计计算，算出图形的驱动尺寸后即可绘出镗刀的装配图和零件图，并标注尺寸、填写标题栏和技术要求，同时给出标准的图纸规格，最后形成完整的工程图纸。

7 结语

采用参数化技术开发的数控刀具设计平台可显著提高设计效率，使设计人员从繁重的重复性劳动中解放出来，将更多精力用在创造性设计工作中。

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