刀具快速參數(shù)化建模理論及平臺搭建

林智，張安山，岳彩旭，陳志濤，劉智博，胡德生

哈爾濱理工大學先進制造智能化技術(shù)教育部重點實驗室

1 引言

隨著中國制造2025和工業(yè)4.0的提出，智能制造成為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)[1]。智能制造增加了金屬切削刀具的復雜程度，對刀具設(shè)計與制造周期提出了較高要求。為提高刀具制造質(zhì)量與效率，基于數(shù)字孿生的刀具設(shè)計與制造[2]成為新的發(fā)展方向。其中刀具數(shù)據(jù)交互是刀具制造過程中構(gòu)建數(shù)字孿生模型必不可少的部分，為了提高刀具數(shù)據(jù)交互速度和質(zhì)量，刀具建模的參數(shù)化與標準化尤為重要。

目前，國內(nèi)外學者對金屬切削刀具參數(shù)化建模進行了大量研究。吳春亞等[3]利用UG/Open與Visual Studio軟件二次開發(fā)功能，實現(xiàn)四刃平頭銑刀的參數(shù)化建模設(shè)計。張旭等[4]通過基于C++的UG/Open API與UG/Open GRIP軟件相互調(diào)用，實現(xiàn)微織構(gòu)刀具的參數(shù)化設(shè)計。吳明陽等[5]利用UG/Open API與VC6.0軟件開發(fā)了刀片斷屑槽自動化設(shè)計系統(tǒng)。文立東等[6]利用UG軟件提供的二次開發(fā)工具和C++對可轉(zhuǎn)位成型車刀進行了參數(shù)化建模。Ji S.Y.等[7]利用UG/Open軟件實現(xiàn)了面銑刀的參數(shù)化設(shè)計。然而上述研究在實現(xiàn)刀具參數(shù)化建模的過程中仍需要使用UG軟件操作界面，對刀具參數(shù)化建模的效率有一定影響。

在刀具模型建立標準化的研究與應用方面，國際上為了促進切削工具在設(shè)計、制造、分銷和使用過程中交換數(shù)據(jù)[8]，建立了ISO13399《切削刀具數(shù)據(jù)的表達與交換》(以下簡稱ISO13399標準)。ISO13399標準通過描述切削工具和切削工具組件各種數(shù)據(jù)所需的信息結(jié)構(gòu)，提供了切削工具數(shù)據(jù)的電子表示方法[9]。山特維克可樂滿作為ISO13399標準的制定者和世界上最大的金屬切削刀具制造商之一已經(jīng)開始采用此標準[10]，利用CoroPlus ToolGuide刀具選擇軟件從符合ISO13399標準的刀具樣本中創(chuàng)建刀具組裝模型?？霞{金屬公司推出的NOVO系統(tǒng)是高級數(shù)字化工具選擇系統(tǒng)和工藝設(shè)計系統(tǒng)，同樣對刀具數(shù)據(jù)進行了標準化[11]。專業(yè)的刀具數(shù)據(jù)管理解決方案提供商TDM也執(zhí)行了ISO13399標準。目前我國成都伊高智能科技有限公司推出的精密刀具智能選用服務(wù)平臺ToolsERA完全遵循了ISO13399標準[12]，株洲鉆石切削刀具股份有限公司正在研發(fā)的株鉆數(shù)字化刀具庫也遵循了ISO13399標準，此外，其他刀具廠商尚未明確提出遵循ISO13399標準，刀具數(shù)據(jù)標準化在我國尚未完全推廣。

上述平臺大多為刀具選用平臺，基于ISO13399標準的復雜刀具設(shè)計平臺較少。針對定制化復雜刀具設(shè)計流程復雜和開發(fā)周期長的問題，本文以變螺距螺旋角高效立銑刀為例，在ISO13399標準的基礎(chǔ)上，采用Python對UG軟件二次開發(fā)的方法完成刀具參數(shù)化建模。

Python是一種面向?qū)ο蟮摹㈤_源的腳本編程語言，具有簡單易用的特點，PyQt5是Python的一個界面制作插件。通過PyQt5制作的刀具參數(shù)化建模平臺，可以在無需打開UG操作界面的情況下輸入刀具設(shè)計參數(shù)，便可自動生成用于刀具生產(chǎn)現(xiàn)場的二維圖紙、用于刀具數(shù)據(jù)信息交換的三維模型和用于切削過程有限元仿真的三維模型，并實現(xiàn)刀具模型的云存儲功能。以此提高刀具設(shè)計的效率和縮短刀具設(shè)計周期，為刀具制造過程數(shù)字孿生模型構(gòu)建提供標準化刀具模型。

2 參數(shù)化建模方法分析

刀具設(shè)計到制造的過程涉及幾何參數(shù)的反復優(yōu)化和修改，如果不進行參數(shù)化建模，每次修改刀具參數(shù)后都需重新建模。參數(shù)化建模主要是維持刀具模型的拓撲關(guān)系基本不變，通過改變模型尺寸或改變表達式中的參數(shù)值實現(xiàn)模型重建，適合結(jié)構(gòu)類似或同系列的產(chǎn)品設(shè)計[13]。

2.1 參數(shù)化模型建立方法

刀具模型的參數(shù)化建模需要使用基于特征的參數(shù)化建模和基于草圖的參數(shù)化建模兩種方式?；谔卣鞯膮?shù)化建模是基礎(chǔ)，特征的分類與組合方式如圖1所示，通過編輯特征參數(shù)可以實現(xiàn)刀具模型的隨動。草圖是一種特殊的特征，基于草圖的參數(shù)化建模是利用草圖功能創(chuàng)建參數(shù)化截面，通過對草圖的拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃掠等操作即可得到刀具模型。

2.2 參數(shù)化實現(xiàn)方法

實現(xiàn)參數(shù)化的方法一般分為程序設(shè)計法和設(shè)計變量法。程序設(shè)計法用程序描述UG軟件建模過程，通過UG/Open API接口實現(xiàn)具體功能；設(shè)計變量法通過控制預建立模型的設(shè)計變量來控制三維模型的變化，主要有電子表格法、關(guān)系表達式法、用戶自定義特征法。

本文使用設(shè)計變量法中的關(guān)系表達式法，表達式的特點是用函數(shù)關(guān)系表達各個參數(shù)之間的關(guān)系，可以把參數(shù)定義為數(shù)字和公式。通過修改表達式中一個或幾個參數(shù)便可完成對刀具的修改。將修改后的表達式文件(.exp)導入符合ISO13399標準的預建立刀具模型中，并生成新的刀具模型，實現(xiàn)刀具模型的參數(shù)化建模。該方法的優(yōu)點是容易錄制參數(shù)化操作記錄，建模速度快，但對預建立的刀具模型要求較高，需要保證模型的草圖約束完整和特征關(guān)系準確，所以實現(xiàn)刀具參數(shù)化建模的前提是對刀具進行標準化建模。

圖1 特征的分類與組合方式

2.3 刀具標準化建模

ISO13399標準并非是指導切削刀具設(shè)計的標準，而是定義切削刀具信息表達方式的標準，目前共發(fā)布36個子系列標準。ISO13399-80標準為創(chuàng)建和交換三維模型的概述和原則，定義了切削項目、工具項目和自適應項目的基本設(shè)計特征與所使用的屬性相關(guān)項。該子系列標準定義了三維模型的設(shè)計元素(包括參考系、平面、坐標軸、基本模型及詳細模型的結(jié)構(gòu))，規(guī)定了模型、切削刃線和切削零件線的顏色設(shè)置[14]。

3 參數(shù)化平臺開發(fā)

區(qū)別于以往使用UG/Open對UG軟件進行二次開發(fā)的方式，本文使用Python對UG軟件進行二次開發(fā)，以實現(xiàn)刀具模型的參數(shù)化建模。這種方法的優(yōu)點是脫離UG軟件主窗口，通過Python制作的用戶交互界面即可實現(xiàn)刀具模型的參數(shù)化建模，并生成符合ISO13399標準的二維圖紙和三維模型，可以直接用于現(xiàn)場加工和有限元仿真，極大提高了刀具設(shè)計速度。首先編制界面程序與邏輯程序，通過主程序連接界面程序與邏輯程序，完成整個參數(shù)化建模系統(tǒng)的開發(fā)，參數(shù)化系統(tǒng)的實現(xiàn)原理見圖2。

實現(xiàn)界面與邏輯程序分離的優(yōu)點是代碼結(jié)構(gòu)清晰，如果需要更新刀具參數(shù)化建模界面，只需將更新的.ui文件轉(zhuǎn)化成Python代碼替換原文件即可，不會影響其他程序。

圖2 實現(xiàn)原理

3.1 界面程序開發(fā)

在制作圖形用戶界面(GUI)時，一般可以通過純代碼編寫和GUI制作工具兩種方式實現(xiàn)。純代碼編寫對編制人員要求較高，而GUI制作工具具有強大且靈活的可視化設(shè)計窗口，可以提高設(shè)計效率。PyQt5是Python與Qt的結(jié)合產(chǎn)物，應用PyQt5可以高效地編寫各類GUI。本文使用PyQt5作為刀具參數(shù)化建模界面的制作工具，再利用PyUIC插件將界面的UI文件轉(zhuǎn)換為Python代碼，完成界面程序的開發(fā)。

3.2 邏輯程序與主程序開發(fā)

邏輯程序是刀具實現(xiàn)參數(shù)化建模的核心，它獲取用戶在參數(shù)化建模界面輸入的參數(shù)，并生成新的.exp文件，在UG軟件后臺運行.bat文件，讀取預錄制的參數(shù)化操作記錄文件，將新生成的.exp文件導入預建立的標準化刀具模型中，生成新的刀具模型文件。

參數(shù)化操作記錄文件是以Python語言為基礎(chǔ)，通過UG的錄制功能記錄導入.exp文件并生成新刀具模型文件。此外，通過邏輯程序還可以實現(xiàn)基于MySQL的刀具模型云數(shù)據(jù)庫的管理功能。

通過主程序連接界面程序與邏輯程序，完成刀具參數(shù)化建模平臺的開發(fā)，為了使開發(fā)的平臺可以在計算機上直接運行，還需使用pyinsatller插件將.py文件轉(zhuǎn)換成.exe文件。

4 刀具參數(shù)化建模實例

整體式立銑刀是金屬切削刀具中的重要組成部分。本文以變螺距螺旋角高效立銑刀為例，介紹整體式立銑刀參數(shù)化建模過程。刀具為五刃圓角立銑刀，刀具結(jié)構(gòu)見圖3a。該刀具用于加工材料為TC4鈦合金的飛機框梁類零件，零件為薄壁件，具有尺寸大、生產(chǎn)批量小的特點。刀具刃型復雜，制造精度高；采用不等齒距、不等螺旋角設(shè)計，能夠有效抑制振動，從而獲得優(yōu)異的加工表面質(zhì)量；采用圓弧清邊設(shè)計，刃口強度高，可實現(xiàn)穩(wěn)定切削加工；刀具選用難加工材料專用基體和專用涂層，刃口采用先進設(shè)備進行精準鈍化處理，可有效提升刀具使用壽命。

刀具的切削工藝參數(shù)為每轉(zhuǎn)進給量0.4mm，在銑內(nèi)外形等特征時，切削寬度為0.5～1mm，切削深度為20～25mm；在銑腹板特征時，切削寬度為12～16mm，切削深度為0.5～1mm。該銑刀周刃為主要切削部位，因此選擇影響切削過程的主要參數(shù)(螺旋角、周刃前角、周刃后角和端刃第一后角)作為刀具設(shè)計角度。為了便于研究，將5個螺旋角按如圖3a所示的方法分成三組。

(a)銑刀幾何結(jié)構(gòu)特征

(b)銑刀關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系

4.1 標準化建模

ISO13399-303為實體立銑刀的三維模型創(chuàng)建和交換，它描述了實體立銑刀三維模型建立的詳細過程[15]。變螺距螺旋角高效立銑刀各部分結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系見圖3b，標準化建模需要提取的關(guān)鍵參數(shù)見表1。表示參數(shù)的符號符合ISO13399標準，標準化建模過程由五部分構(gòu)成。

表1 標準化建模關(guān)鍵參數(shù)

注：*標注的參數(shù)名稱在ISO13399標準中暫無指定符號。

(1)參考坐標系

立銑刀建模使用笛卡爾右手坐標系，包含主坐標系、安裝坐標系和切削坐標系三個坐標系?！癙CS”主坐標系定義了空間的刀具位置；“MCS”安裝坐標系有助于將立銑刀安裝到刀夾上；“CIP”切削坐標系位于立銑刀的底刃。三個坐標系與立銑刀草圖輪廓的位置見圖4a。

(2)平面

對于立銑刀的建模，應建立如圖4b所示的“TEP”工具端面、“LPRP”夾持突出長度平面、“LSP”刀柄長度平面、“LHP”刀頭長度平面和“CLP”切削長度平面。

(3)非切削部分建模

立銑刀非切削部分的建?；A(chǔ)是“旋轉(zhuǎn)”命令，輪廓包含平面“TEP”與平面“CLP”之間的所有元素，并在坐標系“PCS”的YZ平面內(nèi)建立草圖，草圖的旋轉(zhuǎn)軸為z軸。通過“旋轉(zhuǎn)”命令得到了如圖4b所示的非切削部分基本建模。

(4)切削部分建模

立銑刀切削部分的輪廓建模應參照坐標系“CIP”和平面“CLP”，并在坐標系“PCS”的YZ平面內(nèi)建立草圖，草圖的旋轉(zhuǎn)軸為z軸。通過“旋轉(zhuǎn)”命令得到了如圖4b所示的切削部分的基本建模。

(5)細節(jié)部分建模

立銑刀的倒角建模通過“倒斜角”命令實現(xiàn)，端刃和周刃的形狀通過“掃掠”、“修剪體”和“減去”等命令實現(xiàn)，最終完成如圖4c所示的刀具細節(jié)建模。

4.2 參數(shù)化建模

打開打包后的軟件，啟動如圖5所示的變螺距螺旋角高效立銑刀參數(shù)化建模平臺，在用戶界面輸入刀具設(shè)計角度參數(shù)并點擊“生成模型”，即可自動生成如圖4c所示的變螺距螺旋角高效立銑刀三維模型和如圖6a所示的二維圖紙，此外，通過如圖6b所示的圖紙信息界面在二維圖紙的標題欄輸入刀具信息。據(jù)統(tǒng)計，采用傳統(tǒng)方式建立三維模型和繪制二維圖紙需要約20min，而使用本平臺僅需要2min，建模及繪圖效率提升了90%。

(c)細節(jié)模型

圖5 變螺距螺旋角高效立銑刀參數(shù)化建模平臺

圖6 變螺距螺旋角高效立銑刀二維圖紙及信息界面

點擊“上傳和下載模型”，打開如圖7所示的刀具模型管理界面。該界面可以管理刀具模型云數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)刀具模型數(shù)據(jù)的上傳和下載。

5 結(jié)語

針對縮短復雜刀具設(shè)計周期和提高設(shè)計效率的問題，本文提出基于ISO13399刀具標準化建模思想，采用UG軟件二次開發(fā)的方法實現(xiàn)復雜刀具快速參數(shù)化建模，得出以下結(jié)論。

(1)使用關(guān)系表達式法并遵循ISO13399標準建立的刀具模型具有良好的刀具信息交互性，可以為刀具制造過程構(gòu)建數(shù)字孿生模型提供標準化刀具模型。

(2)基于Python開源和簡單易用的特點，使用Python對UG軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)刀具參數(shù)化建模。使用PyQt5開發(fā)的刀具參數(shù)化建模平臺可以快速生成二維圖紙及三維模型，實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)的云存儲功能。

(3)以變螺距螺旋角高效立銑刀為例，搭建快速參數(shù)化建模平臺進行建模比常規(guī)建模效率提升了90%。該平臺的開發(fā)對刀具的定制設(shè)計有重要指導意義，可以提高刀具設(shè)計的效率，縮短刀具設(shè)計周期。