1 引言

    數(shù)控機床和加工中心用刀具(簡稱數(shù)控刀具)在國外發(fā)展很快，品種規(guī)格已形成系列。我國對數(shù)控刀具的研究開發(fā)起步較晚，數(shù)控刀具的開發(fā)與生產成為我國工具行業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，數(shù)控刀具的落后已成為影響國產和進口數(shù)控機床充分發(fā)揮作用的主要障礙之一。

   目前國外設計數(shù)控刀具的方式基本上是通過直接調用已有的設計結果或經(jīng)過局部修改而形成新的品種或規(guī)格。而國內企業(yè)(包括中國第一汽車制造廠)在數(shù)控刀具設計中則大多是在商用CAD(多為AutoCAD)軟件平臺上由設計人員進行交互式繪圖。由于交互式繪圖很難利用已有的設計結果，勞動強度大，設計效率低，難以滿足實際生產需要。因此，研究開發(fā)先進的數(shù)控刀具CAD/CAM技術，對于提高數(shù)控刀具設計、制造的質量和效率十分必要。

    在CAD技術的發(fā)展過程中，參數(shù)化技術的出現(xiàn)是一次重要的革命。該技術以約束造型為核心，允許工程設計人員以尺寸驅動的方式實現(xiàn)對設計結果的修改，非常適合于結構類似的系列化產品設計。

    本文以數(shù)控鏜刀為例，研究參數(shù)化設計的實現(xiàn)途徑和方法。其它數(shù)控刀具的設計方法與其類似。

2 數(shù)控鏜刀的產品模型

    為了在計算機上實現(xiàn)數(shù)控鏜刀的參數(shù)化設計，建立合適的產品模型十分關鍵。數(shù)控鏜刀的產品模型中應包括刀片、刀桿、刀片夾緊裝置等。對于較復雜的零件如刀桿，為便于模型的實現(xiàn)及管理，可將其進一步分解為頭部、桿部兩個幾何體。在設計中，刀具零部件均以幾何形狀的形式來描述。

    構成鏜刀每一部分的幾何體都由結構約束、圖素集和參數(shù)集組成。圖素集為構成幾何體的基本幾何元素，如點、線段、圓弧、多邊形等。為提高軟件的運行效率，多采用封閉多邊形來定義幾何體，以減少圖素的數(shù)量。結構約束用于限定幾何體的結構，如長方形的相對邊互相平行、相鄰邊互相垂直；參數(shù)集用于確定幾何體的大小，如長方形的邊長、圓(弧)的半徑等。由于相鄰圖素或在空間具有共同位置約束或方向約束的圖素之間應具有共用的參數(shù)集，為減少數(shù)據(jù)冗余和避免圖素之間出現(xiàn)不合理的拼合現(xiàn)象，構造了總參數(shù)集，確定各幾何體的參數(shù)集都是總參數(shù)集的子集，各子集之間若交集非空，則表示它們之間存在鄰接關系或位置方向關系。

3 幾何體的參數(shù)化造型

     實現(xiàn)幾何體的參數(shù)化造型和確定參數(shù)集是設計的關鍵步驟。這兩個步驟一旦完成，整個鏜刀的設計就基本完成了。下面首先討論幾何體的參數(shù)化造型。

    刀桿頭部幾何形狀，其圖素集包括刀片槽圖素Ⅱ、螺釘孔圖素、壓板槽圖素Ⅰ和頭部外輪廓圖素。參數(shù)化設計過程就是在滿足一定約束條件下確定特征點位置的過程。對于圖2b中的頭部外輪廓圖素，設計中將結構約束P0點、水平線P0P3、P0P1⊥P0P3固定，將Kr、α、β作為驅動其結構變化的參數(shù)，將L、m、B作為驅動其大小變化的參數(shù)(寬度B受刀桿寬度的限制，屬于拼合約束)。當頭部外輪廓圖素確定后，根據(jù)刀片尺寸及其與頭部的裝配位置即可確定刀片槽圖素Ⅱ，然后按照壓板尺寸及其與刀片槽圖素Ⅱ的相對位置要求確定螺釘孔圖素和壓板槽圖素Ⅰ。確定圖2b中特征點的關鍵是確定P2點，如果確定了P2點相對于P0點的坐標(即圖中的L、m值)，則一方面刀片槽圖素Ⅱ、螺釘孔圖素和壓板槽圖素Ⅰ被確定，另一方面P3、P4以及P5、P1也隨之被確定。P6點是考慮加工工藝性而設計的銑削讓刀圓弧的圓心，其位置隨著刀片槽圖素Ⅱ的確定而確定。

    用于計算P2點俯視圖坐標的鏜刀刀桿頭部示意圖，由圖可見，P2點與刀尖點P有關。P點的位置由切削要求決定，刀片厚度h為已知值。因此，當?shù)镀�的安裝位置確定后，圖中的D值便已確定。根據(jù)已知的D值、h值和主偏角Kr的大小，即可確定P2點的空間坐標。

    下面詳細討論確定P2點坐標的算法。為了計算P2點的坐標，建立兩個坐標原點重合的局部坐標系(注：為計算方便，坐標軸方向的選取與刀具計算用坐標系的坐標軸方向不一致)O-XYZ和O-XqYqZq，其中O-XYZ為鏜刀圖形的投影坐標系，而O-XqYqZq建立在前刀面上，其坐標軸與加工前刀面時使用的坐標系的坐標軸對應平行(見圖3)。因此，兩個坐標系之間具有如下關系：將O-XYZ坐標系繞X軸旋轉角度gp(切深方向前角)，使Y軸與Yq軸重合，再繞Yq軸旋轉角度y，即得到坐標系O-XqYqZq。y角與gf(進給方向前角)和切深前角gp的關系為

tgy=tggf cosgp

    為簡化計算過程，使P0點的X、Y坐標為零，即位于O點正下方(為便于觀察，圖3中對坐標系的位置進行了平移)，同時使P點的Z坐標為零。在坐標系O-XqYqZq中，P2(X2q,Y2q,Z2q)與P(Xq,Yq,Zq)的關系為(設P2點位于刀片對角線上，不然，D與刀片底邊之間的夾角可通過計算獲得)

X2q=Xq-Dsin(Kt-p/4)

Y2q=Yq-Dsin(Kt-p/4)

Z2q=Zq-h 2

    得到P2點在坐標系O-XqYqZq中的坐標后，即可計算它在俯視圖中投影的坐標(X，Y，Z)，其中的X、Y坐標值等于圖2b中的m、L值。

    根據(jù)坐標系O-XYZ和O-XqYqZq之間的關系及坐標旋轉公式，可得到(X，Y，Z)與(X2q，Y2q，Z2q)之間的關系為

X=X2qcosy+(Y2qsingp+Z2qcosgp)siny

Y=Y2qcosgp-Z2qsingp

Z=(Y2qsingp+Z2qcosgp)cosy-X2qsiny 3

    由式(1)～(3)即可計算出P2點的坐標(X，Y，Z)。其中X、Y坐標用于確定俯視圖，Z坐標用于繪制主視圖。P2點確定后，按前述方法確定其它特征點，即可完成圖2b所示鏜刀刀桿頭部的基本輪廓造型。

    同樣，整個鏜刀刀桿的俯視圖、主視圖、側視圖及其它輔助視圖均可按類似上述刀桿頭部的設計過程進行設計。為減少實際設計中的計算量，編制了算法程序，用戶只需輸入相關參數(shù)，即可實現(xiàn)數(shù)控刀具的參數(shù)化設計。

4 參數(shù)集的管理

    數(shù)控刀具種類繁多，參數(shù)量龐大。為方便用戶使用，我們采用了開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)(ODBC)技術，用外掛數(shù)據(jù)庫的方式存儲常用參數(shù)。

    在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫領域，數(shù)據(jù)庫應用程序通常是指在特定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持下，用特定的內嵌式查詢語言開發(fā)的程序。這種數(shù)據(jù)庫程序往往需要一個龐大的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持，對用戶的軟、硬件要求較高。ODBC技術則提供了一種新的數(shù)據(jù)庫應用程序實現(xiàn)途徑，它建立了一組規(guī)范，提供了一組高層應用程序調用接口和一套基于動態(tài)鏈接庫的運行支持。用這樣一組接口開發(fā)的應用程序可利用標準函數(shù)和結構化查詢語言對數(shù)據(jù)庫進行操作，而不必關心數(shù)據(jù)源來自何種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，所有的數(shù)據(jù)庫底層操作都可由相應的ODBC驅動程序完成。

    在ODBC技術中，ODBC驅動程序管理器是ODBC應用程序和數(shù)據(jù)源之間的橋梁和紐帶。ODBC驅動程序管理器、ODBC驅動程序、數(shù)據(jù)源和ODBC應用程序之間的關系如圖4所示。利用ODBC技術將不同種類的鏜刀參數(shù)作為數(shù)據(jù)庫中的記錄存儲起來，用戶可根據(jù)所設計鏜刀的種類檢索數(shù)據(jù)庫，獲取相應的參數(shù)集或直接進行尺寸驅動繪圖或進行局部修改后實現(xiàn)新產品的設計，由于無需逐個輸入?yún)��?shù)，使設計過程十分方便、快捷。

5 鏜刀的編碼系統(tǒng)

    為便于檢索，數(shù)據(jù)記錄采用了標準編碼系統(tǒng)。編碼第1位代表刀片夾緊方式，第2位代表刀片形狀，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、7兩位代表刀尖高度，第8位代表鏜刀代號，第9位代表鏜刀安裝方式，第11、12兩位代表刀片尺寸代碼。例如：CSFNR25CA-12代表壓板夾緊、正方形刀片、主偏角90°、刀片后角0°、右切、刀尖高度25mm、標準安裝方式、刀片邊長為12.70mm的鏜刀。對于用戶在原有設計基礎上經(jīng)修改后設計的新產品，編碼時在遵循上述規(guī)定的基礎上進行了相應調整。例如：用戶在編碼為CSFNR25CA-12的鏜刀設計模板上將主偏角改為93°、刀片邊長改為9.525mm，則新鏜刀的編碼為CSUNR20CA-09。

6 程序運行框架 

    新開發(fā)的數(shù)控刀具參數(shù)化設計平臺允許用戶進行標準設計和基于標準設計的派生式設計。為了便于數(shù)據(jù)管理，建立了兩個數(shù)據(jù)庫：標準數(shù)據(jù)庫用于存放已有的定型設計數(shù)據(jù)；非標準數(shù)據(jù)庫用于存放用戶新的設計數(shù)據(jù)。相應地提供了兩層設計界面，即標準設計界面和非標準設計界面。

具體設計步驟如下：

1) 確定設計編碼

    設計編碼的確定可采用三種方法：①直接輸入法：用戶在設計界面上直接輸入所設計刀具的編碼；②逐項確定法：用戶選取刀片夾緊方式、刀片形狀、切削方向、刀片后角等項目后，系統(tǒng)自動確定鏜刀編碼；③列表瀏覽法：用戶通過界面上所提供的編碼表,以瀏覽的方式查找所需編碼。為了使用戶清楚地知道每種編碼所代表的鏜刀基本形式，在界面上以預覽圖的形式提供每種編碼所對應的鏜刀基本形狀。

2) 提取設計所需數(shù)據(jù)

    利用列表瀏覽法確定編碼時，首先在標準設計界面的編碼列表中瀏覽，若所需編碼不存在，則進入非標準設計界面的編碼列表中瀏覽，若所需編碼存在，則用鼠標雙擊該編碼，提取數(shù)據(jù)后進行步驟(4)；若所需編碼不存在，則進行步驟(3)。利用其它兩種方法確定編碼時，可通過編碼查詢查找數(shù)據(jù)庫中是否存在該編碼。首先查詢標準數(shù)據(jù)庫，若該編碼不存在，再查詢非標準數(shù)據(jù)庫，若該編碼存在，系統(tǒng)即自動為用戶提取數(shù)據(jù)后進行步驟(4)，若該編碼不存在，則進行步驟(3)。

3) 修改參數(shù)

    對于兩個數(shù)據(jù)庫中都不存在的編碼，用戶可通過交互界面上提供的編碼列表選取與所設計產品相似的原有產品設計并提取參數(shù)，進行局部參數(shù)調整和修改后形成新設計。如果得到滿意的結果，則進行編碼后存入非標準數(shù)據(jù)庫。

4) 繪圖

    獲得所需要的輸入?yún)��?shù)后，點取繪制圖形命令，系統(tǒng)自動進行設計計算，算出圖形的驅動尺寸后即可繪出鏜刀的裝配圖和零件圖，并標注尺寸、填寫標題欄和技術要求，同時給出標準的圖紙規(guī)格，最后形成完整的工程圖紙。

7 結語

    采用參數(shù)化技術開發(fā)的數(shù)控刀具設計平臺可顯著提高設計效率，使設計人員從繁重的重復性勞動中解放出來，將更多精力用在創(chuàng)造性設計工作中。