銑刀參數化設計研究現狀及其應用

王旭 金成哲 王文凱 王冬旭

摘 要：隨著我國科學技術的快速發展，我國機械加工技術也處于高速發展過程中，當前的機械加工技術以一種新的視野、新的方向不斷取得發展進步，機械加工技術以其獨特的高轉速、小切深等優勢不斷應用于機械設計和加工改造過程中。在我國高速切削工序開展過程中，發揮著重要優勢，同時優于在機床加工時，其加工速度運行非?？?、振動頻率小，因此給整個加工系統都帶來了很好的穩固效果，對于以往刀具磨損嚴重的情況得到了有效的改善，利用銑刀參數化設計方法來設計銑刀可以大大提高設計效率，因此在發展過程中得到了快速的發展和應用。下面本文就簡述典型銑刀的分類，對其參數化設計過程中經常利用的設計方式，進一步對其每一個參數設置過程進行詳細的分析介紹，從而對其參數設計過程中經常使用的CAD軟件及其應用實例進行分析探討。

關鍵詞：機械加工 高速銑削 銑刀參數化設計 CAD軟件

中圖分類號：TG714 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0087-05

The Research Status and Application of Parametric Design of a Milling Cutter

Wang XuJin ChengzheWang WenkaiWang Dong xu

（Mechanical Engineering College of ShenYang Ligong University Liaoning Shenyang，110000，China）

Abstract：with the rapid development of science and technology in our country， in the process of machining technology is also in high speed development in our country， the current machining technology to a new vision and new direction for development and progress， mechanical processing technology with its unique advantage of high speed and small cutting depth constantly applied in mechanical design and processing in the process of transformation. In the process of high speed cutting process in our country to carry out， plays a very important advantage， better than in the machine tool processing at the same time， its processing speed is very fast， small vibration frequency， therefore has brought the whole machining system very good solid effect， tool wear for ever serious condition are improved effectively， using cutter parametric design method to design the cutter can greatly improve the efficiency of design， thus obtained rapid development in the process of development and application. Below this article briefly describes the typical classification of the milling cutter， the parametric design of often used in the process of design， further the process of each parameter is set by a detailed analysis is introduced， which is often used in the process of the parameter design of CAD software and its application examples are analyzed.

Key Words：Machine Work；High Speed Milling；Milling cutter，parametric design；CAD software

銑削加工是最常見最重要的切削加工方式之一。銑刀的性能直接影響切削加工的效率、精度和表面質量，進而影響產品的質量。因此研究和改進刀具的設計方法，對整個機械制造業具有重要的現實意義和經濟意義[1]。

在銑刀的參數設置過程中，對于整個系統的參數設計都有很嚴格的要求，在設計過程中，設計人員必須要充分的利用工程關系以及幾何關系來開展參數設計過程，同時在參數設計過程中，需要綜合考慮到整個銑刀設計系統參數設計要求和標準，不能夠僅考慮尺寸、工程參數等這些基本數據的初值，還必須要在每一次的實驗過程中，對其發生的改變以及帶來的影響效果進行詳細的分析，充分的尋找這兩者之間的關系，進一步能夠把握參數基本元素之間的關系，比如最基本的可變參數和不可變參數需要正確劃分，進一步對其參數設計過程進行詳細的分析，從而能夠在可變參數不斷作用的基礎上，保證系統所必需的不可變參數的參數設計過程，建立相應的參數變化模型，從而保證各個參數都在設定的參數范圍內進行合理設計，充分的展現銑刀參數的優良化設計需要[2]。

采用參數化設計的設計方法。設計人員可以通過用戶界而直接輸入參數后，系統自動生成相應的銑刀三維模型，這樣就大大減少了勞動強度，提高了設計效率，縮短了設計周期。

1 銑刀參數化設計的常用方法

多年來，關于參數化設計方法的研究，取得了很大的進展，也形成了幾種比較成熟的方法，主要有基于幾何約束的變量幾何法、基于幾何推理的人工智能方法以及基于生成歷程的過程構造法等[3-4]。

1.1 基于幾何約束的變量幾何法

這是一種面向非線性方程組整體求解的代數方法。它將幾何形狀定義為一系列的特征點，將約束關系轉換成以特征點坐標為變量的非線性的約束方程組，當約束發生變化時，通過Newton-Raphson法迭代求解方程組，求出一系列新的特征點，從而生成新的幾何模型。

在參數幾何變量研究過程中，需要對其兩個非常重要的幾何變量概念準確把握，一個是約束條件，一個是自由度，這是兩個非常重要的影響限制因素[5]，約束條件是對幾何元素的大小、位置等進一步約束限制的標準，比如尺寸大小約束條件、幾何方向、位置等約束條件等，都是基本的約束條件，通過利用約束條件可以將參數設計大小、位置等進一步準確確定，縮小了設計范圍，提高了設計準確率。

1.2 基于幾何推理的人工智能方法

這種設計方法的一個最重要的中心思想就是利用邏輯推理方式來進行設計研究，在設計過程中，通過利用幾何邏輯推理方式，能夠從不規則的約束條件中找到規則的約束條件，并且有效的應用于設計研究過程中，利用得出的推理結論能夠將其作為新的研究設計起點，這樣就可以將所有得出的推理研究結論和規則形成一個重構的過程，并且提出符合設計要求的幾何體，當前采用比較廣泛的以后總人工智能典型參數設計方式就是Adefeld法[6-8]。這種設計研究方式的一個非常重要的特征就是智能化，這是一個非常好的優點，這種設計方式的表達過程是更簡潔、更加直觀，能夠有效的降低幾何設計過程中遇到的不穩定循環影響，但是與此同時，由于整個系統是比較龐大的，因此在運行過程中，速度相對慢一點，并且對于循環約束處理，當前還缺乏統一的解決方法，有待于進一步加強研究。

1.3 基于生成歷程的過程構造法

這種參數化設計方式采用的是一種高新的研究方式，被稱為是參數化履歷（Parametric History）的機制，在研究過程中，通過認真記錄幾何體素在圖形結構中的連接順序和內在關系，能夠有效的將設計人員的設計意圖充分展示，在設計過程中，可以利用變量幾何法在求解非線性方程組的方式進行設計探索，也正因為如此，這種設計結構是非常復雜的，通常需要利用建立三維立體模型，在設計過程中，需要對其相應的設計參數范圍加以合理控制和把握，在設計過程中，可以利用一些比較簡單的體素，比如長方體、正方體、球體等結構，然后在設計過程中，只要能夠正確的測量出各個體素結構的尺寸大小以及各個參數要素之間的內在關聯性，就可以直接形成體素模型結構，通過對已經形成的體素結構模型進行變量幾何法參數設計和研究，能夠對其設計參數的尺寸大小、位置、方向等在約束條件范圍內加以生成，同時在研究過程中，由于其利用的結構是三維模型，因此在參數研究過程中，可以將其作為一個一個簡單的體素模型結構組成，然后就將其子模型經過多次組合運算后形成一個完整的體素結構模型，這也是充分的利用了三維模型結構都含有一級子模型、兩級子模型或多級子模型的特征加以發展形成的[9-10]。同時在參數化設計過程中需要準確的對一些比較簡單的體素，比如長方體、正方體、球體等結構的體素特征和尺寸大小，及其轉換到平面后的尺寸大小進行準確把握，比如長方體結構最重要的三個尺寸大小就是長、寬和高的三項要素的尺寸大小，再比如球體的結構最重要的一個尺寸大小就是半徑這一項要素的尺寸大小，只有準確的測定了體素結構各個要素尺寸大小、位置等，才能夠保證銑刀參數化設計的高效性。

2 銑刀參數化設計的常用軟件及應用實例

常用的參數化設計CAD軟件中，主流的應用軟件有Pro/Engineer、UGNX、Solidworks和CATIA四大軟件，四大軟件各有特點并在不同的領域分別占據一定的市場份額。

2.1 Pro/Engineer

Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業界的認可和推廣，是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一。Pro/Engineer操作軟件還提供了Pro/TOOLKIT程序設計工具包。該工具包使設計者可通過C程序代碼來調用Pro/ENGINEER中的底層函數，并可設計出便捷的人機對話界面，與Pro/ENGINEER實現無縫連接，從而大大提高系統的使用效率[11]。

（1）主偏角為45°的可轉位面銑刀，四川大學的唐才學等利用Pro/TOOLKIT建立了該系列面銑刀的參數化設計系統[12]。該系統采用的是同步模式，整個軟件是一個動態鏈接庫（DLL）文件，在Pro/E啟動后，加載這個文件，該系統才能運行。首先，在Visual C++中建立DLL文件，之后確定包括刀尖伸出量、鍵槽的高度和寬度、銑刀的直徑等12個重要尺寸設為參數。然后采用Visual C++ 6.0來完成系統界面的設計。之后讀取和修改面銑刀原始模型中參數。最后用Pro/TOOLKIT中提供的函數ProSolidRegener-ate來完成模型的再生，它直接負責模型的重新生成[13]。結果如圖1所示。

（2）復雜螺旋面成型銑刀，浙江水利水電學院的王鐵流等根據螺旋面的成型原理，利用應用比較普遍的Pro/E三維CAD軟件，給出了一種集計算、三維實體設計和干涉校驗一體化的設計方法和步驟[14]。根據已知的工件外形尺寸和螺旋面參數進行螺旋面工件建模，計算消除過渡表面的條件。然后建立完整的包絡面，同時使工件法向截形輪廓平緩、對稱地朝向上方來確定銑刀的安裝位置，截交線與相切圓的切點即為接觸點，使截形曲線繞銑刀中心線旋轉360°即可做出銑刀廓形的回轉面。最后進行干涉校驗完成參數化設計。

（3）木工槽銑刀參數化設計，東北林業大學的王敏珠等進行了一種木工槽銑刀參數化設計[15]。見圖2，對于該銑刀的整個設計過程來說，外部參數只是一個變量。要用該變量來實現參數化驅動，還需要通過特定的函數和C語言來進行編輯和定義，并編譯為相應的可執行程序，以實現利用參數化方法驅動新模型的再生。

2.2 Unigraphics NX

UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一個產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段。

UG/Open二次開發模塊為UG軟件的二次開發工具集，用來進行UG的二次開發工作，利用該模塊用戶可對UG系統進行用戶化剪裁和開發，滿足用戶的開發需求。UG/Open包括以下五個部分：UG/Open Menuscript開發工具，它可以對UG軟件操作界面進行用戶化開發，無須編程即可對UG標準菜單進行添加、重組、剪裁或在UG軟件中集成用戶自己開發的軟件功能；UG/OpenUIStyIe則可以用來創建人機交互界面，利用該工具，用戶可為UG/Open應用程序開發獨立于硬件平臺的交互界面；UG/Open API開發工具，提供UG軟件直接編程接口，支持C、C++、Fortran和Java等主要高級語言；UG/Open GRIP開發工具是一個類似APT的UG內部開發語言，利用該工具用戶可生成NC自動化或自動建模等用戶的特殊應用[16]。

（1）整體球頭銑刀參數化設計技術，哈爾濱理工大學的張輝等[17]首先就柱面上等導程螺旋線，球面上等導程螺旋線，退刀槽掃掠曲線，刀具截面幾何參數等進行球頭銑刀參數優化分析。然后利用UG/Open開發工具[18-19]，采用C++編程語言，并結合Access數據庫技術來存儲球頭銑刀建模過程中的關鍵幾何參數，參數值與變量一一對應。之后是參數化設計步驟：自定義菜單的創建，UI對話框和MFC對話框的設計，對話框應用程序的編寫，用UG/Open Grip開發參數化設計程序，利用MFC資源實現兩層C/S結構數據庫的訪問。利用上述開發的軟件系統，通過用戶交互界面修改相關參數，成功實現不同參數刀具模型的建立。圖3為建模實例。

（2）TC18鈦合金銑削加工專用硬質合金平底立銑刀參數化設計。

西北工業大學的韋建偉等介紹了TC18鈦合金銑削加工專用硬質合金平底立銑刀參數化設計的一般方法，建立了平底立銑刀參數化模型，（見圖4）并基于UG環境，實現了兩種MFC接口調用，拓展了UG/Open API的開發功能，利用InstallShield制作了TC18欽合金銑削加工專用硬質合金平底立銑刀參數化設計軟件安裝包[20]。

2.3 SolidWorks

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統，它全面采用非全約束的特征建模技術，可以在設計過程中的任何環節修改設計，同時牽動相關部分的改變。為了方便用戶進行二次開發SolidWorks提供了幾百個API函數，這些函數就是SolidWorks的OLE或者COM接口，通過這些接口，就可以使用VB /VBA/VC/Delphi等高級語言進行二次開發，建立需要的、專用的SolidWorks功能模塊[21]。

對SolidWorks進行二次開發，一般采用以下兩種方法：

一種是模擬實際建模過程——通過SolidWorks軟件提供的API函數，通過選擇基準面，建立草圖，進行特征操作等一系列同實際建模過程相同的步驟，得到所需要的實體模型。使用這種方法，每個步驟完成之后都需要詳細計算所需要的點、線、面的坐標用于下一步的選擇[22-23]。這種方法適用于結構形狀不一致，但建模使用的特征較少的三維模型（如主軸、組合夾具等）的建模過程。

第二種方法是修改標準模版一通過SolidWorks建立一個標準的三維模型實例，對互相聯系的設計參數進行關聯，建立三維模型圖形庫。通過API函數，對其中的驅動尺寸進行修改，得到所需要的實體模型[24]。

（1）成形銑刀參數化設計，河北建筑工程學院的劉春東等首先用阿基米德螺旋曲線設計成形銑刀刀齒齒頂的一個齒。然后進行成形銑刀程序設計，包括創建成形銑刀齒形的掃描草圖，利用掃描特征生成齒形三維圖，容屑槽的繪制，圓周陣列容屑槽4部分。最后利用SolidWorks內部所含的VBA開發成形銑刀，并在VBA建立用戶界面，如圖5，在用戶界而上添加各種控件，建立友好的符合一般用戶習慣的人機界面[25]。

（2）四刃球頭銑刀參數化設計西華大學的吳小東等采用仿形面切除法，通過以下的建模過程可以建立出三維實體模型，并以二維圖中的尺寸作為建模時的驅動尺寸，對建模過程中的其它尺寸進行關聯，得到參數化設計的模版[26]。建模過程如圖6。

2.4 CATIA

CATIA （Computer-graphics Aided Three-dimensi-onal Interactive Application），是法國Dassauit公司于1975年起開始發展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件；它的內容涵蓋了產品從概念設計、工業設計、三維建模、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖的生成到加工生產成產品的全過程；CATIA不但能夠保證企業內部設計部門之間的協同設計功能，而且還可以提供企業整個集成的設計流程和端對端的解決方案[27-28]。

CATIA的二次開發方式主要有兩種，一種是采用CAA C++技術，另一種是采用CAA AUTOMATION技術：CAA （Component Application Architecture）C++是CATIA的一整套C++函數庫，該函數庫在CATIA運行時加載，通過安裝RARE （Rapid Application Development Environment）模塊，用戶可以在VC++編程環境下編制程序，與CATIA進行通信；Automation技術是建立在COM基礎之上，由OLE Automation （Object Linking and Embedding Automation）發展而來[29]?；贑AA C++的開發自由度大、開發難度大，而OLE Automation在用戶定制等方面有所局限，但開發技術難度相對容易，兩者底層技術相同，開發時可以完全相互協調和集成[30]。

特殊類型立銑刀三維參數化設計。和普通的立銑刀相比較，這種銑刀結構是一種比較特殊的銑刀設計結構，能夠利用不等齒間角、變螺旋角等多個結構特征進行很好的參數化設計和參數設置，利用這些特殊的結構設計方式，能夠有效的降低對整個立銑刀三維參數化設計穩定性的影響，保證了結構的多樣性，其應用范圍不斷拓展。

西南交通大學的王景平等首先進行周齒螺旋刃線通用數學模型，周齒端截形通用數學模型的建立。特殊類型立銑刀參數化幾何建模采用面向對象的方式，形成周齒螺旋槽類、周齒后刀面類等7個刀齒子特征類；通過選擇不同類進行實例化組合而形成完整的刀齒特征。之后進行刀齒建模，如圖7所示，立銑刀的刀齒特征幾何建模主要分為三個步驟：首先根據設計參數；基于數學模型得到一系列離散的刀齒截形并得到由刃線生成的引導線；然后將截形沿引導線進行多截面實體放樣；最后將立銑刀毛坯體與多截面放樣得到的實體進行布爾運算得到刀齒特征。在數學模型和幾何建模方法研究的基礎上；以CATIA CAA （Component Application Architecture）二次開發工具為支撐平臺；結合Visual Studio 2010和Oracle 11g搭建特殊類型立銑刀三維參數化建模系統[31]。

3 結語

簡述了參數化設計的常用方法，分析了銑刀參數化設計常用的CAD軟件的及其應用實例?，F階段參數化設計都是先建立數學模型，用戶界面的參數關聯，輸入變量以后運行系統程序生成銑刀的三維模型。

在已知刀具三維模型，要求將銑刀優化或者派生出同類型的一系列銑刀的情況下，往往需要重新進行參數化系統設計。如果可以由銑刀三維模型的一系列簡單操作直接生成參數化設計系統，將更進一步的提高設計效率，使操作更加簡單直觀。這將是以后Pro/E，UG這類CAD軟件在銑刀參數化設計領域的發展趨勢。

采用參數化設計的設計方法。設計人員可以通過用戶界而直接輸入參數后，系統自動生成相應的銑刀三維模型，這樣就大大減少了勞動強度，提高了設計效率，縮短了設計周期。

參考文獻

[1] P N Rao.Manufacturing Technology metal cutting[M].Ma-chinery Industry，2003：22-56.

[2] 孫志禮.機械產品參數化設計技術[M].北京：國防工業出版社，2014.

[3] 樂瑋琳.機械CAD的關鍵技術——約束求解[J].計算機輔助工程，1999（1）：29-32.

[4] 張冶.基于裝配約束關系的零部件參數化設計[J].機械科學與技術，2003（5）：710-712.

[5] 吳睿，劉華明，李剛.基于工程約束的參數化設計技術研究[J].機械科學與技術，2000（4）：539-541.

[6] 李彥濤.混合式幾何約束滿足的研究[J].計算機學報，2001（4）：347-353.

[7] 董金祥，葛建新等.變參數繪圖中約束求解的新思路[J].計算機輔助設計與圖形學學報，1997，9（6）：513一519.

[8] 陳強努，周怡.約束及基于約束的參數化設計[J].計算機輔助工程，2000（4）：59-64.

[9] 田文超，據柏青.基于約束的參數驅動法研究[J].微機發展，1999（3）：14-16.

[10] 劉厚泉，李毅.參數化設計系統中約束的層次結構[J].計算機工程，2000（3）：35-36.

[11] 張繼春.Pro/ENGINEER二次開發使用教程[M].北京：北京大學出版社，2003.

[12] 唐才學，羅紅波.利用Pro_TOOLKIT實現可轉位面銑刀的參數化設計[J].工具技術，2009，43（3）：52-54.

[13] 李世國.Pro/TOOLKIT程序設計[M].北京：機械工業出版社，2003.

[14] 王鐵流.基于Pro/E的復雜螺旋面成型銑刀參數化設計[J].煤礦機械，2014，35（7）：242-244.

[15] 王敏珠.基于Pro/TOOLKIT的木工槽銑刀參數化設計[J].工具技術，2008，2（1）：93-96.

[16] 夏天，吳立軍.UG二次開發技術基礎[M].北京：電子工業出版社，2005.

[17] 張輝.整體球頭銑刀參數化設計技術[J].工具技術，2013，47（2）：8-12.

[18] 劉立明，侯忠濱，王友利.基于UG的可轉位刀具參數化設計[J].工具技術，2007，41（6）：65-67.

[19] 康文利，陳曉明.UG二次開發技術在銑刀刀柄參數化設計中的應用[J].機械工程師，2010（8）：47-49.

[20] 韋建偉，田衛軍.TC18鈦合金銑削加工專用硬質合金平底立銑刀參數化設計[J].工具技術，2012，46（8）：33-36

[21] Solid Works公司.SolidWorks API二次開發[M].北京：機械工業出版社，2005.

[22] 常娟.基于SolidWorks的組合夾具標件三維圖庫開發技術[J].工具技術，2009，43（4）：41-44.

[23] 殷國富，徐富，胡曉兵.SolidWorks 2007一次開發技術實例精解·機床夾具標準件三維[M].北京：機械工業出版社，2007.

[24] 王勇.基于SolidWorks二次開發技術的麻花鉆參數化設計系統研究[J].工具技術，2009，43（2）：50-53.

[25] 劉春東，張東輝.基于SolidWorks的成形銑刀參數化設計開發[J].煤礦機械，2012，33（4）：246-248.

[26] 吳小東，鄧遠超.基于SolidWorks的四刃球頭銑刀參數化設計[J].工具技術，2010，44（4）：48-51.

[27] 吳立軍.CATIA二次開發技術[M].北京：電子工業出版社，2006：1-300.

[28] 馬鐵林，劉海橋.CATIA機械設計培訓教程[M].北京：人民郵電出版社，2004：1-287.

[29] 孟德欣.Visual Basic程序設計[M].北京：清華大學出版社，2010：1-351.

[30] 米蓉.立銑刀三維參數化設計系統研發[D].成都：西南交通大學，2011.

[31] 王景平，黎榮.特殊類型立銑刀三維參數化設計技術研究[J].制造業自動化，2014，36（6）：90-94.