Teamcenter环境三维刀具库的构建研究

曾少华，房亚东，王 盼

（西安工业大学 机电工程学院，西安 710032）

设计与应用

Teamcenter环境三维刀具库的构建研究

曾少华，房亚东，王 盼

（西安工业大学 机电工程学院，西安 710032）

提出了一种新的建库方法，即采用参数化技术和UG二次开发技术，结合Teamcenter软件数据管理模块，分类建立企业刀具的三维参数化图形库。为了验证系列化刀具三维模型的自动生成功能，以盘型齿轮铣刀为模板文件作为数据驱动源建立一种刀具参数化零件库的基本框架。利用Teamcenter软件与UG软件的交互功能，并且借助Teamcenter软件的数据存储功能，实现了三维参数化刀具库的模型存储、调用、编辑等实际功能。

刀具库；UG二次开发；参数化；Teamcenter

0　引言

随着航空航天技术的快速发展，大量新型材料的投入使用，零部件的加工制造对刀具高、精、尖的技术要求越来越高。目前大多数刀具的研究主要集中在二维CAD技术上，自主开发的以三维CAD技术为背景的刀具系统应用匮乏，特别在通用刀具的研究方面。本文通过深化三维CAD/CAM集成系统，结合现有的先进制造手段，提高刀具产品的快速设计、制造能力，制造出符合航空航天企业要求的高精尖刀具，是我国国内刀具发展道路上急需解决的重要课题之一［1］。

本文在调研分析企业实际的基础上，面对复杂多样的加工刀具，试着提出一种新的建库管理方法。该方法首先利用零件族法对刀具确立了一种标准的分类编码制度，利用UG的二次开发技术建立刀具的三维参数化系统，搭建出三维零件库，最后结合Teamcenter强大的兼容存储功能与UG实现交互。

1　三维参数化刀具库的分析

1.1刀具库的需求分析

1）刀具库标准件服务，标准件服务功能指的是三维参数化刀具库必须具备标准刀具（国标、航标、企标刀具）的收录功能，可以建立有效地标准化刀具参数模板，以供设计者进行参数化驱动而形成系列化的标准刀具库［2］；

2）自定义非标准件功能，由于航空航天企业的特殊性，经常会出现非标准的刀具，对于非标准刀具，如特殊形式的刀具系统必须具备自定义功能，这就要求在刀具分类及编码过程中也要考虑到非标准；

3）知识库服务，参数化刀具库不应该仅仅是参数化的堆积，为了满足企业日益复杂的需求，刀具库应该具备知识库服务，刀具的分类和编码问题。

1.2参数化刀具库的开发方法

本文采用零件族法与编程相结合的方式。

1）使用零件族法创建典型刀具参数化的零件模板；

2）借助UG软件，使用UI Styler或MFC设计调用界面，为典型刀具的参数化模板制定参数化的驱动程序，最后设置刀具零件的生成环境。参数化刀具库在使用过程中用户只需直接选择刀具零件的型号和几何尺寸，通过参数化驱动技术，依据用户所选择的设计参数，使刀具零件实例化，以此来实现刀具模板文件的调用。这样建库的优点是不仅减少了刀具建库的编程任务，而且方便了用户对刀具库内的零件进行编辑、修改等。刀具零件库体系结构和操作流程图如图1和图2所示。

图2　零件库操作流程

2　刀具的理论知识

2.1刀具的分类及编码

1）刀具的分类

刀具分类技术是刀具参数库建立的前期准备工作，能否科学直观的对采集的刀具信息进行科学合理的分类，直接决定了参数化刀具库的使用性能。目前对于关系复杂的机床刀具，分类方式多种多样，本文结合项目来源单位采取加工方式的不同进行分类，其分类如图3所示。

图3　企业标准通用刀具分类

2）刀具的编码规则

通过汇总企业刀具元件的信息，共计4357项，其中包括：1900项刀片、484项刀柄、450项刀杆、800项整体铣刀、323项整体钻头、300项铰刀、100项整体镗刀。整体刀具根据加工方式进行分类，刀具元件信息如刀片、刀杆、刀柄参照ISO标准进行分类［3］。本文以拉垫式可转位90°外圆车刀为例进行刀具编码分类，其中刀具三维模型如图4所示。根据刀具参数结合ISO编码规则，得出拉垫式可转位90°外圆车刀编码形式如下：

图4　拉垫式可转位90°外圆车刀模型图

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第1位：压紧方式为M型螺钉上压式夹紧；

第2位：刀片形状为T型；

第3位：刀具形式与主偏角为L型90°主偏角；

第4位：刀片后角0°，代号为N；

第5位：切削方向为右，代号为R；

第6位：刀尖高度25；

第7位：刀体宽度20；

第8位：刀具长度140；

第9位：切削刃长根据T型刀具内切圆半径查询表格得到切削刃长09；

第10位：制造商自定义代码，此处无定义。

2.2刀具的知识表示

根据企业刀具使用情况调研分析，其实刀具知识就是来自于企业内部的生产与生活中知识的积累，这样的知识是粗放的，这些刀具相关的知识必须经过专业的分析、整理才能储存到知识管理系统中。

1）刀具知识的存在形式

企业刀具知识以两种不同的形式存在，显性知识和隐性知识。显性知识是系统化的、人们方便学习的知识，然而隐性知识指的是难以表达的，隐含于生产或者生活过程中的非具体化的知识。通常情况下，隐性知识不容易发现，但却是企业生存的最主要知识来源［4］。

清朝沿袭明朝的闭关锁国政策，直到1684年之前都禁止海外贸易。1684年，清政府设广州、漳州、宁波、云台山(今江苏镇江)四处为对外通商口岸，并引用已有的内陆口岸的规定管理海关。1757年(乾隆二十三年)，清政府撤销其他口岸，限定广州一口通商，直到鸦片战争，一直实行单口贸易政策。关税税率大体为进口税率是16%，出口税率4%④。进出口关税税率的差异一定程度上体现了清政府鼓励出口、抑制进口的初衷。但由于进出口规模有限、海关行政效率低下及贪污腐败盛行，关税对整个财政收入的贡献微乎其微。

在企业生产实践过程中，通过归纳总结发现刀具的知识主要存在于以下五种方式：

（1）以工艺文件的形式存在的刀具知识：刀具使用规范、刀具清单、刀具图纸等。

（2）以电子文档形式存在的刀具知识：刀具参数的电子样本。

（3）以结构化的形式存在的刀具知识：刀具的切削理论知识。

（4）物化在机床设备上的刀具知识：刀具切削理论知识。

（5）体现在工作人员头脑中的刀具知识：刀具的操作经验和加工技巧。

以数控铣刀为例，介绍整个刀具使用过程中的刀具知识存在形式，具体表述如表1所示。

表1　数控铣刀知识存在形式

2）刀具知识分类

从刀具知识库的本质上分析，知识库是事实与规则的集合，是智能化合成的数据库。刀具知识库中的知识要素最终还是以数据的方式在保存在数据库中，所以对于所有刀具知识库中的知识都要定义相应的库来存储和进行其他相应的操作。刀具知识库的组成如图5所示。

图5　知识库结构

3　三维刀具库的构建

基于UG的三维参数化刀具库的设计思想，是将刀具的参数化零件模型的构造工作进行模块式的划分，分为几何约束、尺寸约束、确定尺寸值和模型生成四个基本任务模块。模型生成工作工作量巨大，但是参数化的规律性明显，所以借助三维CAD软件完成大量的模型生成工作。刀具库的建立工基于UG同系列产品Teamcenter完成刀具库模型的生成、更新、增添、删除、保存等工作。完成刀具库系统的建立和维护工作。通过刀具参数推理确定刀具三维参数化刀具库系统结构如图6所示。

图6　参数化刀具系统结构图

3.2三维刀具库参数化模板设计

目前在UG CAD中，参数化的设计方法主要有交互图形设计方法和二次开发两种不同形式。交互图形的设计方法的原理是在UG软件的系统环境下，用户使用UG提供的模型交互的操作命令和基于参数化设计的建模方式。二次开发的参数化设计是以UG系统为基础，利用UG/OPEN、VC、Data Base等相关工具最大程度的满足设计要求，并且完全支持知识库的创建功能、知识的准确获取及应用，二次开发技术是一种高级的参数化设计方法。

其中，二次开发的参数化设计方法又存在两种不同的形式，第一种是以图形模板为设计基础的参数化设计方法，第二种是以参数化程序为基础的设计方法。两种不同的设计方法都可以通过UG/OPEN API编程、UG/OPEN Grip编程和UG/OPEN API与UG/OPEN Grip混合编程三种不同的方式实现［5］，本论文应用的主要UG/ OPEN API函数［6］。

以图形模板为基础的参数化设计方法的基本过程如图7所示。

图7　参数化设计过程

以盘型齿轮铣刀基于图形模板的参数化设计方法为例，其设计步骤为设置开发环境-创建图形模板-建立菜单，运行界面如图8所示。

图8　读入三维模型实例

3.3三维刀具库建立

在UG环境下三维参数化标准件库的创建方法总结起来主要有电子表格法（Spreadsheet）、关系表达式法（Expression）、用户自定义特征法（User Defined Feature）、知识熔接法（Knowledge Fusion）和程序设计法等五种方法。综合以上这些方法的优缺点，本论文采用Teamcenter软件的部件族功能进行建库，此方法的优点是：不需要建立复杂的数据表格，直接进行三维模型的建立与UG无缝集成，三维模型可以互相导入、导出进行编辑和修改，在零件族下面建立的参数化模型导入到UG参数化设计模块中，添加上表达式约束以及参数化驱动程序可以直接进行刀具的三维参数化设计，这两种软件的无缝集成，即满足了三维刀具库的参数化设计的目标，又完成了三维刀具库的建立工作。

在Teamcenter下建立刀具分类，把刀具知识分类放入库中，在各类中可以基于UG参数化建模等功能的实现，UG参数化刀具模型与Teamcenter交互使用实例如图9所示。

图9　UG参数化刀具模型与Teamcenter交互使用实例

4　结论

在航空航天企业工装生产迫切需求建立智能化、集成化参数化刀具库的背景下提出了一种新的三维参数化刀具库的管理方法。该方法分析确定了符合国际标准的刀具编码制度，以UG二次开发为平台建立了三维参数化刀具系统；三维参数化刀具库的建立采用零件族法，并且把UG环境下的刀具参数化系统与Teamcenter相结合的方法来实现三维参数化刀具库的应用技术，实践证明此方法切实可行。随着互联网智能化制造的发展，结合现有的技术在三维刀具上可以真正做到完全的通用和开放，需要我们接下来做更多的研究和探索。

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表2　L-M方法与微分进化逆解算法对比

4　结论

1）提出基于D-H运动学模型的非线性微分方程组变量物理意义明确，建立也相对简单。适应一般6R工业机器人以及自由度冗余更高的工业机器人，具有较为广泛通用性。

2）提出基于L-M方法的逆解算法适合完成机器人较复杂的高精度轨迹规划控制，所需迭代次数少，运算量较低，数值仿真显示算法求解精度高，速度快，综合效率高，具备工业机器人控制实际应用价值。

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Research on the construction of three-dimensional cutting tool library in Teamcenter environment

ZENG Shao-hua， FANG Ya-dong， WANG Pan

TP391

A

1009-0134（2016）10-0095-05

2016-06-17

陕西省特种加工重点实验室开发基金（ST-12010）

曾少华（1987 -），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向为数字化设计与制造。