Teamcenter環(huán)境三維刀具庫的構(gòu)建研究

曾少華，房亞東，王 盼

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032）

設(shè)計與應(yīng)用

Teamcenter環(huán)境三維刀具庫的構(gòu)建研究

曾少華，房亞東，王 盼

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032）

提出了一種新的建庫方法，即采用參數(shù)化技術(shù)和UG二次開發(fā)技術(shù)，結(jié)合Teamcenter軟件數(shù)據(jù)管理模塊，分類建立企業(yè)刀具的三維參數(shù)化圖形庫。為了驗證系列化刀具三維模型的自動生成功能，以盤型齒輪銑刀為模板文件作為數(shù)據(jù)驅(qū)動源建立一種刀具參數(shù)化零件庫的基本框架。利用Teamcenter軟件與UG軟件的交互功能，并且借助Teamcenter軟件的數(shù)據(jù)存儲功能，實現(xiàn)了三維參數(shù)化刀具庫的模型存儲、調(diào)用、編輯等實際功能。

刀具庫；UG二次開發(fā)；參數(shù)化；Teamcenter

0　引言

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，大量新型材料的投入使用，零部件的加工制造對刀具高、精、尖的技術(shù)要求越來越高。目前大多數(shù)刀具的研究主要集中在二維CAD技術(shù)上，自主開發(fā)的以三維CAD技術(shù)為背景的刀具系統(tǒng)應(yīng)用匱乏，特別在通用刀具的研究方面。本文通過深化三維CAD/CAM集成系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)制造手段，提高刀具產(chǎn)品的快速設(shè)計、制造能力，制造出符合航空航天企業(yè)要求的高精尖刀具，是我國國內(nèi)刀具發(fā)展道路上急需解決的重要課題之一［1］。

本文在調(diào)研分析企業(yè)實際的基礎(chǔ)上，面對復(fù)雜多樣的加工刀具，試著提出一種新的建庫管理方法。該方法首先利用零件族法對刀具確立了一種標(biāo)準(zhǔn)的分類編碼制度，利用UG的二次開發(fā)技術(shù)建立刀具的三維參數(shù)化系統(tǒng)，搭建出三維零件庫，最后結(jié)合Teamcenter強(qiáng)大的兼容存儲功能與UG實現(xiàn)交互。

1　三維參數(shù)化刀具庫的分析

1.1刀具庫的需求分析

1）刀具庫標(biāo)準(zhǔn)件服務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)件服務(wù)功能指的是三維參數(shù)化刀具庫必須具備標(biāo)準(zhǔn)刀具（國標(biāo)、航標(biāo)、企標(biāo)刀具）的收錄功能，可以建立有效地標(biāo)準(zhǔn)化刀具參數(shù)模板，以供設(shè)計者進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動而形成系列化的標(biāo)準(zhǔn)刀具庫［2］；

2）自定義非標(biāo)準(zhǔn)件功能，由于航空航天企業(yè)的特殊性，經(jīng)常會出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)的刀具，對于非標(biāo)準(zhǔn)刀具，如特殊形式的刀具系統(tǒng)必須具備自定義功能，這就要求在刀具分類及編碼過程中也要考慮到非標(biāo)準(zhǔn)；

3）知識庫服務(wù)，參數(shù)化刀具庫不應(yīng)該僅僅是參數(shù)化的堆積，為了滿足企業(yè)日益復(fù)雜的需求，刀具庫應(yīng)該具備知識庫服務(wù)，刀具的分類和編碼問題。

1.2參數(shù)化刀具庫的開發(fā)方法

本文采用零件族法與編程相結(jié)合的方式。

1）使用零件族法創(chuàng)建典型刀具參數(shù)化的零件模板；

2）借助UG軟件，使用UI Styler或MFC設(shè)計調(diào)用界面，為典型刀具的參數(shù)化模板制定參數(shù)化的驅(qū)動程序，最后設(shè)置刀具零件的生成環(huán)境。參數(shù)化刀具庫在使用過程中用戶只需直接選擇刀具零件的型號和幾何尺寸，通過參數(shù)化驅(qū)動技術(shù)，依據(jù)用戶所選擇的設(shè)計參數(shù)，使刀具零件實例化，以此來實現(xiàn)刀具模板文件的調(diào)用。這樣建庫的優(yōu)點是不僅減少了刀具建庫的編程任務(wù)，而且方便了用戶對刀具庫內(nèi)的零件進(jìn)行編輯、修改等。刀具零件庫體系結(jié)構(gòu)和操作流程圖如圖1和圖2所示。

圖2　零件庫操作流程

2　刀具的理論知識

2.1刀具的分類及編碼

1）刀具的分類

刀具分類技術(shù)是刀具參數(shù)庫建立的前期準(zhǔn)備工作，能否科學(xué)直觀的對采集的刀具信息進(jìn)行科學(xué)合理的分類，直接決定了參數(shù)化刀具庫的使用性能。目前對于關(guān)系復(fù)雜的機(jī)床刀具，分類方式多種多樣，本文結(jié)合項目來源單位采取加工方式的不同進(jìn)行分類，其分類如圖3所示。

圖3　企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通用刀具分類

2）刀具的編碼規(guī)則

通過匯總企業(yè)刀具元件的信息，共計4357項，其中包括：1900項刀片、484項刀柄、450項刀桿、800項整體銑刀、323項整體鉆頭、300項鉸刀、100項整體鏜刀。整體刀具根據(jù)加工方式進(jìn)行分類，刀具元件信息如刀片、刀桿、刀柄參照ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類［3］。本文以拉墊式可轉(zhuǎn)位90°外圓車刀為例進(jìn)行刀具編碼分類，其中刀具三維模型如圖4所示。根據(jù)刀具參數(shù)結(jié)合ISO編碼規(guī)則，得出拉墊式可轉(zhuǎn)位90°外圓車刀編碼形式如下：

圖4　拉墊式可轉(zhuǎn)位90°外圓車刀模型圖

MTLNR252OLO9N

第1位：壓緊方式為M型螺釘上壓式夾緊；

第2位：刀片形狀為T型；

第3位：刀具形式與主偏角為L型90°主偏角；

第4位：刀片后角0°，代號為N；

第5位：切削方向為右，代號為R；

第6位：刀尖高度25；

第7位：刀體寬度20；

第8位：刀具長度140；

第9位：切削刃長根據(jù)T型刀具內(nèi)切圓半徑查詢表格得到切削刃長09；

第10位：制造商自定義代碼，此處無定義。

2.2刀具的知識表示

根據(jù)企業(yè)刀具使用情況調(diào)研分析，其實刀具知識就是來自于企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)與生活中知識的積累，這樣的知識是粗放的，這些刀具相關(guān)的知識必須經(jīng)過專業(yè)的分析、整理才能儲存到知識管理系統(tǒng)中。

1）刀具知識的存在形式

企業(yè)刀具知識以兩種不同的形式存在，顯性知識和隱性知識。顯性知識是系統(tǒng)化的、人們方便學(xué)習(xí)的知識，然而隱性知識指的是難以表達(dá)的，隱含于生產(chǎn)或者生活過程中的非具體化的知識。通常情況下，隱性知識不容易發(fā)現(xiàn)，但卻是企業(yè)生存的最主要知識來源［4］。

清朝沿襲明朝的閉關(guān)鎖國政策，直到1684年之前都禁止海外貿(mào)易。1684年，清政府設(shè)廣州、漳州、寧波、云臺山(今江蘇鎮(zhèn)江)四處為對外通商口岸，并引用已有的內(nèi)陸口岸的規(guī)定管理海關(guān)。1757年(乾隆二十三年)，清政府撤銷其他口岸，限定廣州一口通商，直到鴉片戰(zhàn)爭，一直實行單口貿(mào)易政策。關(guān)稅稅率大體為進(jìn)口稅率是16%，出口稅率4%④。進(jìn)出口關(guān)稅稅率的差異一定程度上體現(xiàn)了清政府鼓勵出口、抑制進(jìn)口的初衷。但由于進(jìn)出口規(guī)模有限、海關(guān)行政效率低下及貪污腐敗盛行，關(guān)稅對整個財政收入的貢獻(xiàn)微乎其微。

在企業(yè)生產(chǎn)實踐過程中，通過歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)刀具的知識主要存在于以下五種方式：

（1）以工藝文件的形式存在的刀具知識：刀具使用規(guī)范、刀具清單、刀具圖紙等。

（2）以電子文檔形式存在的刀具知識：刀具參數(shù)的電子樣本。

（3）以結(jié)構(gòu)化的形式存在的刀具知識：刀具的切削理論知識。

（4）物化在機(jī)床設(shè)備上的刀具知識：刀具切削理論知識。

（5）體現(xiàn)在工作人員頭腦中的刀具知識：刀具的操作經(jīng)驗和加工技巧。

以數(shù)控銑刀為例，介紹整個刀具使用過程中的刀具知識存在形式，具體表述如表1所示。

表1　數(shù)控銑刀知識存在形式

2）刀具知識分類

從刀具知識庫的本質(zhì)上分析，知識庫是事實與規(guī)則的集合，是智能化合成的數(shù)據(jù)庫。刀具知識庫中的知識要素最終還是以數(shù)據(jù)的方式在保存在數(shù)據(jù)庫中，所以對于所有刀具知識庫中的知識都要定義相應(yīng)的庫來存儲和進(jìn)行其他相應(yīng)的操作。刀具知識庫的組成如圖5所示。

圖5　知識庫結(jié)構(gòu)

3　三維刀具庫的構(gòu)建

基于UG的三維參數(shù)化刀具庫的設(shè)計思想，是將刀具的參數(shù)化零件模型的構(gòu)造工作進(jìn)行模塊式的劃分，分為幾何約束、尺寸約束、確定尺寸值和模型生成四個基本任務(wù)模塊。模型生成工作工作量巨大，但是參數(shù)化的規(guī)律性明顯，所以借助三維CAD軟件完成大量的模型生成工作。刀具庫的建立工基于UG同系列產(chǎn)品Teamcenter完成刀具庫模型的生成、更新、增添、刪除、保存等工作。完成刀具庫系統(tǒng)的建立和維護(hù)工作。通過刀具參數(shù)推理確定刀具三維參數(shù)化刀具庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　參數(shù)化刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2三維刀具庫參數(shù)化模板設(shè)計

目前在UG CAD中，參數(shù)化的設(shè)計方法主要有交互圖形設(shè)計方法和二次開發(fā)兩種不同形式。交互圖形的設(shè)計方法的原理是在UG軟件的系統(tǒng)環(huán)境下，用戶使用UG提供的模型交互的操作命令和基于參數(shù)化設(shè)計的建模方式。二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計是以UG系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用UG/OPEN、VC、Data Base等相關(guān)工具最大程度的滿足設(shè)計要求，并且完全支持知識庫的創(chuàng)建功能、知識的準(zhǔn)確獲取及應(yīng)用，二次開發(fā)技術(shù)是一種高級的參數(shù)化設(shè)計方法。

其中，二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計方法又存在兩種不同的形式，第一種是以圖形模板為設(shè)計基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計方法，第二種是以參數(shù)化程序為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。兩種不同的設(shè)計方法都可以通過UG/OPEN API編程、UG/OPEN Grip編程和UG/OPEN API與UG/OPEN Grip混合編程三種不同的方式實現(xiàn)［5］，本論文應(yīng)用的主要UG/ OPEN API函數(shù)［6］。

以圖形模板為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計方法的基本過程如圖7所示。

圖7　參數(shù)化設(shè)計過程

以盤型齒輪銑刀基于圖形模板的參數(shù)化設(shè)計方法為例，其設(shè)計步驟為設(shè)置開發(fā)環(huán)境-創(chuàng)建圖形模板-建立菜單，運行界面如圖8所示。

圖8　讀入三維模型實例

3.3三維刀具庫建立

在UG環(huán)境下三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫的創(chuàng)建方法總結(jié)起來主要有電子表格法（Spreadsheet）、關(guān)系表達(dá)式法（Expression）、用戶自定義特征法（User Defined Feature）、知識熔接法（Knowledge Fusion）和程序設(shè)計法等五種方法。綜合以上這些方法的優(yōu)缺點，本論文采用Teamcenter軟件的部件族功能進(jìn)行建庫，此方法的優(yōu)點是：不需要建立復(fù)雜的數(shù)據(jù)表格，直接進(jìn)行三維模型的建立與UG無縫集成，三維模型可以互相導(dǎo)入、導(dǎo)出進(jìn)行編輯和修改，在零件族下面建立的參數(shù)化模型導(dǎo)入到UG參數(shù)化設(shè)計模塊中，添加上表達(dá)式約束以及參數(shù)化驅(qū)動程序可以直接進(jìn)行刀具的三維參數(shù)化設(shè)計，這兩種軟件的無縫集成，即滿足了三維刀具庫的參數(shù)化設(shè)計的目標(biāo)，又完成了三維刀具庫的建立工作。

在Teamcenter下建立刀具分類，把刀具知識分類放入庫中，在各類中可以基于UG參數(shù)化建模等功能的實現(xiàn)，UG參數(shù)化刀具模型與Teamcenter交互使用實例如圖9所示。

圖9　UG參數(shù)化刀具模型與Teamcenter交互使用實例

4　結(jié)論

在航空航天企業(yè)工裝生產(chǎn)迫切需求建立智能化、集成化參數(shù)化刀具庫的背景下提出了一種新的三維參數(shù)化刀具庫的管理方法。該方法分析確定了符合國際標(biāo)準(zhǔn)的刀具編碼制度，以UG二次開發(fā)為平臺建立了三維參數(shù)化刀具系統(tǒng)；三維參數(shù)化刀具庫的建立采用零件族法，并且把UG環(huán)境下的刀具參數(shù)化系統(tǒng)與Teamcenter相結(jié)合的方法來實現(xiàn)三維參數(shù)化刀具庫的應(yīng)用技術(shù)，實踐證明此方法切實可行。隨著互聯(lián)網(wǎng)智能化制造的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)在三維刀具上可以真正做到完全的通用和開放，需要我們接下來做更多的研究和探索。

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表2　L-M方法與微分進(jìn)化逆解算法對比

4　結(jié)論

1）提出基于D-H運動學(xué)模型的非線性微分方程組變量物理意義明確，建立也相對簡單。適應(yīng)一般6R工業(yè)機(jī)器人以及自由度冗余更高的工業(yè)機(jī)器人，具有較為廣泛通用性。

2）提出基于L-M方法的逆解算法適合完成機(jī)器人較復(fù)雜的高精度軌跡規(guī)劃控制，所需迭代次數(shù)少，運算量較低，數(shù)值仿真顯示算法求解精度高，速度快，綜合效率高，具備工業(yè)機(jī)器人控制實際應(yīng)用價值。

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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

陜西省特種加工重點實驗室開發(fā)基金（ST-12010）

曾少華（1987 -），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造。