铣刀参数化设计研究现状及其应用

铣刀参数化设计研究现状及其应用
王旭;金成哲;王文凯;王冬旭
【摘要】随着我国科学技术的快速发展,我国机械加工技术也处于高速发展过程中,当前的机械加工技术以一种新的视野、新的方向不断取得发展进步,机械加工技术以其独特的高转速、小切深等优势不断应用于机械设计和加工改造过程中.在我国高速切削工序开展过程中,发挥着重要优势,同时优于在机床加工时,其加工速度运行非常快、振动频率小,因此给整个加工系统都带来了很好的稳固效果,对于以往刀具磨损严重的情况得到了有效的改善,利用铣刀参数化设计方法来设计铣刀可以大大提高设计效率,因此在发展过程中得到了快速的发展和应用.下面本文就简述典型铣刀的分类,对其参数化设计过程中经常利用的设计方式,进一步对其每一个参数设置过程进行详细的分析介绍,从而对其参数设计过程中经常使用的CAD软件及其应用实例进行分析探讨.%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.
【期刊名称】《科技创新导报》
【年(卷),期】2015(012)005
【总页数】5页(P87-91)
【关键词】机械加工;高速铣削;铣刀参数化设计;CAD软件
【作者】王旭;金成哲;王文凯;王冬旭
【作者单位】沈阳理工大学机械工程学院辽宁沈阳 110000;沈阳理工大学机械工程学院辽宁沈阳 110000;沈阳理工大学机械工程学院辽宁沈阳 110000;沈阳理工大学机械工程学院辽宁沈阳 110000
【正文语种】中文
【中图分类】TG714
铣削加工是最常见最重要的切削加工方式之一。

铣刀的性能直接影响切削加工的效率、精度和表面质量，进而影响产品的质量。

因此研究和改进刀具的设计方法，对整个机械制造业具有重要的现实意义和经济意义[1]。

在铣刀的参数设置过程中，对于整个系统的参数设计都有很严格的要求，在设计过
程中，设计人员必须要充分的利用工程关系以及几何关系来开展参数设计过程，同时在参数设计过程中，需要综合考虑到整个铣刀设计系统参数设计要求和标准，不能够仅考虑尺寸、工程参数等这些基本数据的初值，还必须要在每一次的实验过程中，对其发生的改变以及带来的影响效果进行详细的分析，充分的寻找这两者之间的关系，进一步能够把握参数基本元素之间的关系，比如最基本的可变参数和不可变参数需要正确划分，进一步对其参数设计过程进行详细的分析，从而能够在可变参数不断作用的基础上，保证系统所必需的不可变参数的参数设计过程，建立相应的参数变化模型，从而保证各个参数都在设定的参数范围内进行合理设计，充分的展现铣刀参数的优良化设计需要[2]。

采用参数化设计的设计方法。

设计人员可以通过用户界而直接输入参数后，系统自动生成相应的铣刀三维模型，这样就大大减少了劳动强度，提高了设计效率，缩短了设计周期。

多年来，关于参数化设计方法的研究，取得了很大的进展，也形成了几种比较成熟的方法，主要有基于几何约束的变量几何法、基于几何推理的人工智能方法以及基于生成历程的过程构造法等[3-4]。

1.1 基于几何约束的变量几何法
这是一种面向非线性方程组整体求解的代数方法。

它将几何形状定义为一系列的特征点，将约束关系转换成以特征点坐标为变量的非线性的约束方程组，当约束发生变化时，通过Newton-Raphson法迭代求解方程组，求出一系列新的特征点，从而生成新的几何模型。

在参数几何变量研究过程中，需要对其两个非常重要的几何变量概念准确把握，一个是约束条件，一个是自由度，这是两个非常重要的影响限制因素[5]，约束条件是对几何元素的大小、位置等进一步约束限制的标准，比如尺寸大小约束条件、几何方向、位置等约束条件等，都是基本的约束条件，通过利用约束条件可以将参数
设计大小、位置等进一步准确确定，缩小了设计范围，提高了设计准确率。

1.2 基于几何推理的人工智能方法
这种设计方法的一个最重要的中心思想就是利用逻辑推理方式来进行设计研究，在设计过程中，通过利用几何逻辑推理方式，能够从不规则的约束条件中找到规则的约束条件，并且有效的应用于设计研究过程中，利用得出的推理结论能够将其作为新的研究设计起点，这样就可以将所有得出的推理研究结论和规则形成一个重构的过程，并且提出符合设计要求的几何体，当前采用比较广泛的以后总人工智能典型参数设计方式就是Adefeld法[6-8]。

这种设计研究方式的一个非常重要的特征就
是智能化，这是一个非常好的优点，这种设计方式的表达过程是更简洁、更加直观，能够有效的降低几何设计过程中遇到的不稳定循环影响，但是与此同时，由于整个系统是比较庞大的，因此在运行过程中，速度相对慢一点，并且对于循环约束处理，当前还缺乏统一的解决方法，有待于进一步加强研究。

1.3 基于生成历程的过程构造法
这种参数化设计方式采用的是一种高新的研究方式，被称为是参数化履历(Parametric History)的机制，在研究过程中，通过认真记录几何体素在图形结构
中的连接顺序和内在关系，能够有效的将设计人员的设计意图充分展示，在设计过程中，可以利用变量几何法在求解非线性方程组的方式进行设计探索，也正因为如此，这种设计结构是非常复杂的，通常需要利用建立三维立体模型，在设计过程中，需要对其相应的设计参数范围加以合理控制和把握，在设计过程中，可以利用一些比较简单的体素，比如长方体、正方体、球体等结构，然后在设计过程中，只要能够正确的测量出各个体素结构的尺寸大小以及各个参数要素之间的内在关联性，就可以直接形成体素模型结构，通过对已经形成的体素结构模型进行变量几何法参数设计和研究，能够对其设计参数的尺寸大小、位置、方向等在约束条件范围内加以生成，同时在研究过程中，由于其利用的结构是三维模型，因此在参数研究过程中，
可以将其作为一个一个简单的体素模型结构组成，然后就将其子模型经过多次组合运算后形成一个完整的体素结构模型，这也是充分的利用了三维模型结构都含有一级子模型、两级子模型或多级子模型的特征加以发展形成的[9-10]。

同时在参数化设计过程中需要准确的对一些比较简单的体素，比如长方体、正方体、球体等结构的体素特征和尺寸大小，及其转换到平面后的尺寸大小进行准确把握，比如长方体结构最重要的三个尺寸大小就是长、宽和高的三项要素的尺寸大小，再比如球体的结构最重要的一个尺寸大小就是半径这一项要素的尺寸大小，只有准确的测定了体素结构各个要素尺寸大小、位置等，才能够保证铣刀参数化设计的高效性。

常用的参数化设计CAD软件中，主流的应用软件有Pro/Engineer、UGNX、Solidworks和CATIA四大软件，四大软件各有特点并在不同的领域分别占据一定的市场份额。

2.1 Pro/Engineer
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体
化的三维软件。

Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，
在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。

Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/ CAM/CAE软件之一。

Pro/Engineer操作软件还提供了Pro/TOOLKIT程序设计
工具包。

该工具包使设计者可通过C程序代码来调用Pro/ENGINEER中的底层函数，并可设计出便捷的人机对话界面，与Pro/ ENGINEER实现无缝连接，从而大大提高系统的使用效率[11]。

(1)主偏角为45°的可转位面铣刀,四川大学的唐才学等利用Pro/TOOLKIT建立了
该系列面铣刀的参数化设计系统[12]。

该系统采用的是同步模式，整个软件是一个动态链接库(DLL)文件，在Pro/E启动后，加载这个文件，该系统才能运行。

首先，在Visual C++中建立DLL文件，之后确定包括刀尖伸出量、键槽的高度和宽度、
铣刀的直径等12个重要尺寸设为参数。

然后采用Visual C++ 6.0来完成系统界
面的设计。

之后读取和修改面铣刀原始模型中参数。

最后用Pro/TOOLKIT中提供的函数ProSolidRegener-ate来完成模型的再生，它直接负责模型的重新生成[13]。

结果如图1所示。

(2)复杂螺旋面成型铣刀,浙江水利水电学院的王铁流等根据螺旋面的成型原理，利
用应用比较普遍的Pro/E三维CAD软件，给出了一种集计算、三维实体设计和干涉校验一体化的设计方法和步骤[14]。

根据已知的工件外形尺寸和螺旋面参数进行螺旋面工件建模，计算消除过渡表面的条件。

然后建立完整的包络面，同时使工件法向截形轮廓平缓、对称地朝向上方来确定铣刀的安装位置，截交线与相切圆的切点即为接触点，使截形曲线绕铣刀中心线旋转360°即可做出铣刀廓形的回转面。

最后进行干涉校验完成参数化设计。

(3)木工槽铣刀参数化设计,东北林业大学的王敏珠等进行了一种木工槽铣刀参数化
设计[15]。

见图2，对于该铣刀的整个设计过程来说，外部参数只是一个变量。

要用该变量来实现参数化驱动，还需要通过特定的函数和C语言来进行编辑和定义，并编译为相应的可执行程序，以实现利用参数化方法驱动新模型的再生。

2.2 Unigraphics NX
UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解
决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。

UG/Open二次开发模块为UG软件的二次开发工具集，用来进行UG的二次开发工作，利用该模块用户可对UG系统进行用户化剪裁和开发，满足用户的开发需求。

UG/Open包括以下五个部分：UG/Open Menuscript开发工具，它可以对UG
软件操作界面进行用户化开发，无须编程即可对UG标准菜单进行添加、重组、剪裁或在UG软件中集成用户自己开发的软件功能;UG/ OpenUIStyIe则可以用来创建人机交互界面，利用该工具，用户可为UG/Open应用程序开发独立于硬件平
台的交互界面;UG/ Open API开发工具，提供UG软件直接编程接口，支持C、C++、Fortran和Java等主要高级语言;UG/Open GRIP开发工具是一个类似APT的UG内部开发语言，利用该工具用户可生成NC自动化或自动建模等用户的特殊应用[16]。

(1)整体球头铣刀参数化设计技术,哈尔滨理工大学的张辉等[17]首先就柱面上等导程螺旋线，球面上等导程螺旋线，退刀槽扫掠曲线，刀具截面几何参数等进行球头铣刀参数优化分析。

然后利用UG/Open开发工具[18-19]，采用C++编程语言，并结合Access数据库技术来存储球头铣刀建模过程中的关键几何参数，参数值与变量一一对应。

之后是参数化设计步骤：自定义菜单的创建,UI对话框和MFC对话框的设计,对话框应用程序的编写,用UG/Open Grip开发参数化设计程序,利用MFC资源实现两层C/S结构数据库的访问。

利用上述开发的软件系统，通过用户交互界面修改相关参数，成功实现不同参数刀具模型的建立。

图3为建模实例。

(2)TC18钛合金铣削加工专用硬质合金平底立铣刀参数化设计。

西北工业大学的韦建伟等介绍了TC18钛合金铣削加工专用硬质合金平底立铣刀参数化设计的一般方法，建立了平底立铣刀参数化模型，(见图4)并基于UG环境，实现了两种MFC接口调用，拓展了UG/Open API的开发功能，利用InstallShield制作了TC18钦合金铣削加工专用硬质合金平底立铣刀参数化设计软件安装包[20]。

2.3 SolidWorks
SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，它全面采用非全约束的特征建模技术，可以在设计过程中的任何环节修改设计，同时牵动相关部分的改变。

为了方便用户进行二次开发SolidWorks提供了几百个API 函数，这些函数就是SolidWorks的OLE或者COM接口，通过这些接口，就可以使用VB /VBA/VC/Delphi等高级语言进行二次开发，建立需要的、专用的
SolidWorks功能模块[21]。

对SolidWorks进行二次开发，一般采用以下两种方法：
一种是模拟实际建模过程——通过SolidWorks软件提供的API函数，通过选择
基准面，建立草图，进行特征操作等一系列同实际建模过程相同的步骤，得到所需要的实体模型。

使用这种方法，每个步骤完成之后都需要详细计算所需要的点、线、面的坐标用于下一步的选择[22-23]。

这种方法适用于结构形状不一致，但建模使
用的特征较少的三维模型(如主轴、组合夹具等)的建模过程。

第二种方法是修改标准模版一通过SolidWorks建立一个标准的三维模型实例，对互相联系的设计参数进行关联，建立三维模型图形库。

通过API函数，对其中的
驱动尺寸进行修改，得到所需要的实体模型[24]。

(1)成形铣刀参数化设计,河北建筑工程学院的刘春东等首先用阿基米德螺旋曲线设
计成形铣刀刀齿齿顶的一个齿。

然后进行成形铣刀程序设计，包括创建成形铣刀齿形的扫描草图，利用扫描特征生成齿形三维图，容屑槽的绘制，圆周阵列容屑槽4部分。

最后利用SolidWorks内部所含的VBA开发成形铣刀，并在VBA建立用户界面，如图5，在用户界而上添加各种控件，建立友好的符合一般用户习惯的人机界面[25]。

(2)四刃球头铣刀参数化设计西华大学的吴小东等采用仿形面切除法，通过以下的
建模过程可以建立出三维实体模型，并以二维图中的尺寸作为建模时的驱动尺寸，对建模过程中的其它尺寸进行关联，得到参数化设计的模版[26]。

建模过程如图6。

2.4 CATIA
CATIA (Computer-graphics Aided Three-dimensi-onal Interactive Application)，是法国Dassauit公司于1975年起开始发展的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件;它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到加工生产成产品的全过
程;CATIA不但能够保证企业内部设计部门之间的协同设计功能，而且还可以提供
企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案[27-28]。

CATIA的二次开发方式主要有两种，一种是采用CAA C++技术，另一种是采用CAA AUTOMATION技术：CAA (Component Application Architecture)C++
是CATIA的一整套C++函数库，该函数库在CATIA运行时加载，通过安装RARE (Rapid Application Development Environment)模块，用户可以在
VC++编程环境下编制程序，与CATIA进行通信;Automation技术是建立在COM基础之上，由OLE Automation (Object Linking and Embedding Automation)发展而来[29]。

基于CAA C++的开发自由度大、开发难度大，而OLE Automation在用户定制等方面有所局限，但开发技术难度相对容易，两者
底层技术相同，开发时可以完全相互协调和集成[30]。

特殊类型立铣刀三维参数化设计。

和普通的立铣刀相比较，这种铣刀结构是一种比较特殊的铣刀设计结构，能够利用不等齿间角、变螺旋角等多个结构特征进行很好的参数化设计和参数设置，利用这些特殊的结构设计方式，能够有效的降低对整个立铣刀三维参数化设计稳定性的影响，保证了结构的多样性，其应用范围不断拓展。

西南交通大学的王景平等首先进行周齿螺旋刃线通用数学模型，周齿端截形通用数学模型的建立。

特殊类型立铣刀参数化几何建模采用面向对象的方式，形成周齿螺旋槽类、周齿后刀面类等7个刀齿子特征类;通过选择不同类进行实例化组合而形
成完整的刀齿特征。

之后进行刀齿建模，如图7所示，立铣刀的刀齿特征几何建
模主要分为三个步骤：首先根据设计参数;基于数学模型得到一系列离散的刀齿截
形并得到由刃线生成的引导线;然后将截形沿引导线进行多截面实体放样;最后将立
铣刀毛坯体与多截面放样得到的实体进行布尔运算得到刀齿特征。

在数学模型和几何建模方法研究的基础上;以CATIA CAA (Component Application Architecture)二次开发工具为支撑平台;结合Visual Studio 2010和Oracle 11g
搭建特殊类型立铣刀三维参数化建模系统[31]。

简述了参数化设计的常用方法，分析了铣刀参数化设计常用的CAD软件的及其应用实例。

现阶段参数化设计都是先建立数学模型，用户界面的参数关联，输入变量以后运行系统程序生成铣刀的三维模型。

在已知刀具三维模型，要求将铣刀优化或者派生出同类型的一系列铣刀的情况下，往往需要重新进行参数化系统设计。

如果可以由铣刀三维模型的一系列简单操作直接生成参数化设计系统，将更进一步的提高设计效率，使操作更加简单直观。

这将是以后Pro/E,UG这类CAD软件在铣刀参数化设计领域的发展趋势。

采用参数化设计的设计方法。

设计人员可以通过用户界而直接输入参数后，系统自动生成相应的铣刀三维模型，这样就大大减少了劳动强度，提高了设计效率，缩短了设计周期。

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