利用UG进行零误差圆体成形车刀设计

　　1 引言

　　在切削加工中广泛使用的成形车刀是用于加工回转体成形表面的专用刀具。成形车刀可保证稳定的加工质量，生产效率高、可多次重磨、刀具寿命长。成形车刀的切削刃形状是根据被加工回转体的表面廓形设计的，传统的图解法和计算法在设计精度和效率上很难令人满意。近年来出现了一些采用交互设计方式的成形车刀CAD系统，在一定程度上提高了设计效率，但由于在刀具廓形设计时仍然是以直线或圆弧近似替代廓形曲线，因此存在一定的廓形误差;此外，有些成形车刀CAD系统尚未实现参数化设计.

　　为了进一步提高设计精度，实现参数化设计，缩短设计周期，作者基于Windows XP和UG二次开发平台，以Microsoft Visual Studio. NE7，为开发环境，开发了高精度圆体成形车刀设计系统。该系统成功解决了传统设计中的"双曲线误差"问题，实现了"零误差"设计精度，并且大大提高了设计效率，用户只需进行简单操作，即可实现圆体成形车刀的自动设计。

　　2 系统开发平台及运行环境

　　UG设计软件提供了良好的二次开发环境，包括供用户定制菜单的UG/OPEN MenuScript供用户制作UG风格对话框界面的设计模块UG/OPENU1Styler和供用户进行功能开发的UG/OPEN API等。作者在成形车刀设计系统的开发中，综合运用了UG的各种工具模块、CAD/CAM技术以及参数化设计技术。成形车刀应用程序编译后生成动态链接库文件(*.dll)，内嵌在UG中，在UG软件启动时自动加载到UG运行环境中，成为UG的一部分，直接控制UG的操作行为，运行结果直接在UG界面的图形窗口显示;用户操作界面采用中文交互式操作，简捷直观，操作方便，具有良好的人机交互性和可扩充性。

　　3 圆体成形车刀设计的关键技术

　　3.1 "零误差"截形法

　　根据成形车刀设计理论，可得出如下结论:前刀面截取工件回转面，其截交线为刀刃廓形。将刀刃廓形绕刀具轴心线旋转，即可获得刀具成形回转面。刀具成形回转面沿后刀面的法面取剖面，即可获得所求的刀具廓形。由于开发的成形车刀设计系统采用了基准面与工件实体相截交的方法，因而消除了按传统方法设计的成形车刀在加工时产生的双曲线误差，即该系统设计的圆体成形车刀不会产生任何加工误差，而最终车刀工作图上的误差仅为UG软件本身的误差，由于UG为高端三维设计软件，其自身误差极小，可忽略不计。

　　3.2 最小半径控制点理论

　　在创建圆体成形车刀实体的过程中，利用了最小半径控制点理论。最小半径控制点即工件廓形最小半径圆与过工件轴线的刀具基面的交点。在圆体成形车刀系统中，最小半径控制点将工件模型、基准面、刀具法剖面截形紧密联系为有机的整体。

　　如图1所r,A为工件4的最小半径控制点。利用数据库巾的前角和后角值，过最小半径点A创建作图基准面1和2，从数据库中提取圆体成形车刀3的结构数据，然后根据最小半径控制点的位置确定圆体成形车刀的位置。这样即可保证圆体成形车刀的结构尺寸标准化。

　　3.3 数据库技术

　　为了实现成形车刀结构设计的标准化，该设计系统应用了数据库技术来确定圆体成形车刀的结构尺寸和前角、后角值。前角、后角值数据库中的数据与用户选择的工件材料及其机械性能具有一一对应关系，因此根据用户选择的工件材料及其机械性能即可在数据库中定位提取出前角、后角值(见表1).从圆体成形车刀结构尺寸数据库中可提取出刀具结构数据，然后根据最小半径控制点的位置确定圆体成形车刀的轴线位置。

　　数据表格采用VC ++ . NET的ADO ( Active Data Object，活动数据对象)直接操作Micmsoft Office Access创建的数据库。ADO是一种基于组件对象模型的自动化接口技术91，具有以下特点:#p#分页标题#e#

　　(1)由于封装了许多底层工作，使用ADO可以简化数据库访问，使数据库的访问更加方便、简洁，在很大程度上缩短了系统开发时间。

　　(2) ADO适用的数据源范围广泛,覆盖了目前常见的数据源类型。

　　(3)ADO允许进行批更新(使用Update Batch方法)，可大大减轻计算机负担，提高数据库处理效率。

　　(4) ADO在快速定位、可扩展性、易于维护性等方而具有显著优点〕

　　3.4 模块化设计技术

　　模块化设计有利于系统的设计与维护，由于各模块之间是相互独立的，因此较易实现对某一模块功能的更改，同时不会影响其它模块。圆体成形车刀设计系统共有数据采集、刀具设计和结果输出三个模块(见图2)。各模块之间既相互独立，又有机联系在一起，共同完成整个系统功能。

　　3.5 参数化设计技术

　　将参数化设计方法应用于特征造型设计中，使特征具有可调整性，可以根据需要随时进行调整变化(主要针对特征的几何和拓扑信息)，这就是基于特征的参数化设计方法。将参数化设计方法应用于特征及特征造型中，使特征参数化，并实现参数化造型，从而将参数化的灵活性与特征的丰富信息融合在一起。

　　对于圆体成形车刀，基于特征的参数化设计就是利用UC的特征建模方法，将图形尺寸与一定的约束条件相互关联，将图形尺寸作为设计条件的函数，当设计条件改变时，图形尺寸会随之进行相应的更新。成形车刀的设计是"设计-检测-设计"的反复修改过程。设计时，通过计算得到或从数据库中选定一个系列尺寸值后，系统将自动修改图形，然后按照成形车刀设计的约束条件，检验选定的这一系列成形车刀尺寸是否符合设计标准。如此不断反复，自至所选的成形车刀结构尺寸符合全部约束条件。

　　4 设计实例

　　圆体成形车刀设计实例:进人圆体成形车刀设计系统界面(见图3)进行参数设置，选择工件材料:钢;输人工件材料的机械性能66:1GPa;选择刀具材料:W18Cr4V;输出信息:刀具加工代码或刀具二维工程图;点击OK按钮。设计出的圆体成形车刀二维工程图见图4。输出的部分数控加工代码如下:

　　5 结论

　　根据设计实例的设计结果可知，该圆体成形车刀设计系统具有以下特点:

　　(1)设计精度高，可实现"零误差"设计。

　　(2)设计速度快，可大大缩短设计时间，节约刀具制造成本。

　　(3)系统各模块之间运行协调，可共同完成设计功能。

　　(4)实现T与11G系统的无缝集成，用户菜单直接挂在UG系统主菜单上，利用UG/Open UIStyler制作的UG风格对话框简捷直观、操作方便，具有良好的人机交互性、可扩充性和可移植性。

　　本系统的设计思想和设计方法不仅适用于成形车刀CAD系统的二次开发，对其它专用CAD/CAM系统的二次开发也极具参考价值。