Teamcenter環境三維刀具庫的構建研究

曾少華，房亞東，王 盼

（西安工業大學 機電工程學院，西安 710032）

設計與應用

Teamcenter環境三維刀具庫的構建研究

曾少華，房亞東，王 盼

（西安工業大學 機電工程學院，西安 710032）

提出了一種新的建庫方法，即采用參數化技術和UG二次開發技術，結合Teamcenter軟件數據管理模塊，分類建立企業刀具的三維參數化圖形庫。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據驅動源建立一種刀具參數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軟件的數據存儲功能，實現了三維參數化刀具庫的模型存儲、調用、編輯等實際功能。

刀具庫；UG二次開發；參數化；Teamcenter

0　引言

隨著航空航天技術的快速發展，大量新型材料的投入使用，零部件的加工制造對刀具高、精、尖的技術要求越來越高。目前大多數刀具的研究主要集中在二維CAD技術上，自主開發的以三維CAD技術為背景的刀具系統應用匱乏，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，結合現有的先進制造手段，提高刀具產品的快速設計、制造能力，制造出符合航空航天企業要求的高精尖刀具，是我國國內刀具發展道路上急需解決的重要課題之一［1］。

本文在調研分析企業實際的基礎上，面對復雜多樣的加工刀具，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準的分類編碼制度，利用UG的二次開發技術建立刀具的三維參數化系統，搭建出三維零件庫，最后結合Teamcenter強大的兼容存儲功能與UG實現交互。

1　三維參數化刀具庫的分析

1.1刀具庫的需求分析

1）刀具庫標準件服務，標準件服務功能指的是三維參數化刀具庫必須具備標準刀具（國標、航標、企標刀具）的收錄功能，可以建立有效地標準化刀具參數模板，以供設計者進行參數化驅動而形成系列化的標準刀具庫［2］；

2）自定義非標準件功能，由于航空航天企業的特殊性，經常會出現非標準的刀具，對于非標準刀具，如特殊形式的刀具系統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準；

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

1.2參數化刀具庫的開發方法

本文采用零件族法與編程相結合的方式。

1）使用零件族法創建典型刀具參數化的零件模板；

2）借助UG軟件，使用UI Styler或MFC設計調用界面，為典型刀具的參數化模板制定參數化的驅動程序，最后設置刀具零件的生成環境。參數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，通過參數化驅動技術，依據用戶所選擇的設計參數，使刀具零件實例化，以此來實現刀具模板文件的調用。這樣建庫的優點是不僅減少了刀具建庫的編程任務，而且方便了用戶對刀具庫內的零件進行編輯、修改等。刀具零件庫體系結構和操作流程圖如圖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

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

圖3　企業標準通用刀具分類

2）刀具的編碼規則

通過匯總企業刀具元件的信息，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。整體刀具根據加工方式進行分類，刀具元件信息如刀片、刀桿、刀柄參照ISO標準進行分類［3］。本文以拉墊式可轉位90°外圓車刀為例進行刀具編碼分類，其中刀具三維模型如圖4所示。根據刀具參數結合ISO編碼規則，得出拉墊式可轉位90°外圓車刀編碼形式如下：

圖4　拉墊式可轉位90°外圓車刀模型圖

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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T型刀具內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

根據企業刀具使用情況調研分析，其實刀具知識就是來自于企業內部的生產與生活中知識的積累，這樣的知識是粗放的，這些刀具相關的知識必須經過專業的分析、整理才能儲存到知識管理系統中。

1）刀具知識的存在形式

企業刀具知識以兩種不同的形式存在，顯性知識和隱性知識。顯性知識是系統化的、人們方便學習的知識，然而隱性知識指的是難以表達的，隱含于生產或者生活過程中的非具體化的知識。通常情況下，隱性知識不容易發現，但卻是企業生存的最主要知識來源［4］。

清朝沿襲明朝的閉關鎖國政策，直到1684年之前都禁止海外貿易。1684年，清政府設廣州、漳州、寧波、云臺山(今江蘇鎮江)四處為對外通商口岸，并引用已有的內陸口岸的規定管理海關。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，直到鴉片戰爭，一直實行單口貿易政策。關稅稅率大體為進口稅率是16%，出口稅率4%④。進出口關稅稅率的差異一定程度上體現了清政府鼓勵出口、抑制進口的初衷。但由于進出口規模有限、海關行政效率低下及貪污腐敗盛行，關稅對整個財政收入的貢獻微乎其微。

在企業生產實踐過程中，通過歸納總結發現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：刀具參數的電子樣本。

（3）以結構化的形式存在的刀具知識：刀具的切削理論知識。

（4）物化在機床設備上的刀具知識：刀具切削理論知識。

（5）體現在工作人員頭腦中的刀具知識：刀具的操作經驗和加工技巧。

以數控銑刀為例，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上分析，知識庫是事實與規則的集合，是智能化合成的數據庫。刀具知識庫中的知識要素最終還是以數據的方式在保存在數據庫中，所以對于所有刀具知識庫中的知識都要定義相應的庫來存儲和進行其他相應的操作。刀具知識庫的組成如圖5所示。

圖5　知識庫結構

3　三維刀具庫的構建

基于UG的三維參數化刀具庫的設計思想，是將刀具的參數化零件模型的構造工作進行模塊式的劃分，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模塊。模型生成工作工作量巨大，但是參數化的規律性明顯，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。完成刀具庫系統的建立和維護工作。通過刀具參數推理確定刀具三維參數化刀具庫系統結構如圖6所示。

圖6　參數化刀具系統結構圖

3.2三維刀具庫參數化模板設計

目前在UG CAD中，參數化的設計方法主要有交互圖形設計方法和二次開發兩種不同形式。交互圖形的設計方法的原理是在UG軟件的系統環境下，用戶使用UG提供的模型交互的操作命令和基于參數化設計的建模方式。二次開發的參數化設計是以UG系統為基礎，利用UG/OPEN、VC、Data Base等相關工具最大程度的滿足設計要求，并且完全支持知識庫的創建功能、知識的準確獲取及應用，二次開發技術是一種高級的參數化設計方法。

其中，二次開發的參數化設計方法又存在兩種不同的形式，第一種是以圖形模板為設計基礎的參數化設計方法，第二種是以參數化程序為基礎的設計方法。兩種不同的設計方法都可以通過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［5］，本論文應用的主要UG/ OPEN API函數［6］。

以圖形模板為基礎的參數化設計方法的基本過程如圖7所示。

圖7　參數化設計過程

以盤型齒輪銑刀基于圖形模板的參數化設計方法為例，其設計步驟為設置開發環境-創建圖形模板-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環境下三維參數化標準件庫的創建方法總結起來主要有電子表格法（Spreadsheet）、關系表達式法（Expression）、用戶自定義特征法（User Defined Feature）、知識熔接法（Knowledge Fusion）和程序設計法等五種方法。綜合以上這些方法的優缺點，本論文采用Teamcenter軟件的部件族功能進行建庫，此方法的優點是：不需要建立復雜的數據表格，直接進行三維模型的建立與UG無縫集成，三維模型可以互相導入、導出進行編輯和修改，在零件族下面建立的參數化模型導入到UG參數化設計模塊中，添加上表達式約束以及參數化驅動程序可以直接進行刀具的三維參數化設計，這兩種軟件的無縫集成，即滿足了三維刀具庫的參數化設計的目標，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參數化建模等功能的實現，UG參數化刀具模型與Teamcenter交互使用實例如圖9所示。

圖9　UG參數化刀具模型與Teamcenter交互使用實例

4　結論

在航空航天企業工裝生產迫切需求建立智能化、集成化參數化刀具庫的背景下提出了一種新的三維參數化刀具庫的管理方法。該方法分析確定了符合國際標準的刀具編碼制度，以UG二次開發為平臺建立了三維參數化刀具系統；三維參數化刀具庫的建立采用零件族法，并且把UG環境下的刀具參數化系統與Teamcenter相結合的方法來實現三維參數化刀具庫的應用技術，實踐證明此方法切實可行。隨著互聯網智能化制造的發展，結合現有的技術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方法與微分進化逆解算法對比

4　結論

1）提出基于D-H運動學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。適應一般6R工業機器人以及自由度冗余更高的工業機器人，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器人較復雜的高精度軌跡規劃控制，所需迭代次數少，運算量較低，數值仿真顯示算法求解精度高，速度快，綜合效率高，具備工業機器人控制實際應用價值。

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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，研究方向為數字化設計與制造。