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

　　目前國外設計數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過局部修改而形成新的品種或規格。而國內企業(包括中國第一汽車制造廠)在數控刀具設計中則大多在用CAD(多為Au-toCAD)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，研究開發先進的數控刀具CAD/CAM技術，對于提高數控刀具設計、制造的質量和效率十分必要。

　　參數化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。UG NX是美國EDS公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，具有強大的參數化設計功能，在設計和制造領域得到了廣泛的應用。本文以UG NX為支撐平臺，以公司片銑刀為例，研究參數化設計的實現途徑和方法。其他數控刀具的設計方法與其類似。

　　1 參數化設計思想

　　在使用UG軟件進行產品設計時，為了充分發揮軟件的設計優勢，首先應當認真分析產品的結構，在大腦中構思好產品各個部分之間的關系，充分了解設計意圖，然后用UG提供的強大的設計及編輯工具把設計意圖反映到產品的設計中去。因為設計是一項十分復雜的腦力活動，一項設計從任務的提出到設計完成從來不會是一帆風順的，一項設計的完成過程就是一個不斷改進、不斷完善的過程，因此，從這個意思上講，設計的過程就是修改的過程，參數化設計的目的就是按照產品的設計意圖能夠進行靈活的修改，所以它的易于修改性是至關重要的。這也是UG軟件為什么特別強調它的強大的編輯功能的原因。

　　UG刀具參數化設計思想：將刀具零件模型的構造工作劃分為幾何約束、尺寸約束、確定尺寸值和模型生成4個基本任務。模型生成是一項工作量巨大、瑣碎但是有規律的工作，可以由計算機基于UG等三維軟件完成;形狀約束、尺寸約束和尺寸值的確定是非規律性的創造性工作，由設計者根據設計要求設定，并建立零件特征之間的尺寸關聯，用戶修改零件模型時，只需要輸人一組新的特征尺寸值，或是個別尺寸值，改變零件結構，而不需要重新設計，只需要改變某些特征參數即可。

　　片銑刀的產品模型中應包括刀片、刀桿、夾緊裝置等，在設計過程中，刀具零部件均以幾何形狀的形式來描述。構成片銑刀每一部分的幾何體都由結構約束、圖素集和參數集組成。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，以減少圖素的數量。結構約束用于限定幾何體的結構，如兩圓的同心、相鄰邊互相垂直或平行;參數集用于確定幾何體的大小，如直線的長度、圓(弧)的半徑等。并通過各參數集之間的相同參數來表達各幾何體之間的位置關系。

　　2 三維參數化建模的實現方法

　　下面通過公司廠標刀具CRB153-2001片銑刀三維模型的創建實例來說明參數化建模方法。

　　2.1 分析零件模型設定特征參數

　　如圖1、表1所示，片銑刀主要尺寸特征有R，Z，B，d，R1，a，F，v，t，可將這9個尺寸作為主要參數驅動片銑刀模型。片銑刀的模型可通過拉伸、陣列、旋轉等建模方式得到，在建模時應特別注意各特征參數以及它們的關系。

　　圖1 片鐵刀示度圈

　　2.2 繪制草圖與尺寸約束

　　UG NX具有完善的系統參數自動提取功能，它能在草圖設計時，將輸人的尺寸約束作為特征參數保存起來，并且在此后的設計中進行可視化修改，從而到達最直接的參數驅動建模的目的。用系統參數驅動圖形的關鍵在于如何將從實物中提取的參數轉化到UG中，用來控制三維模型的特征參數。尺寸驅動是參數驅動的基礎，尺寸約束是實現尺寸驅動的前提。UG的尺寸約束的特點是將形狀和尺寸聯合起來考慮，通過尺寸約束實現對幾何形狀的控制。設計時必須以完整的尺寸參考為出發點(全約束)，不能漏注尺寸或多注尺寸。尺寸驅動是在二維草圖Stretcher里面實現的。當草圖中的圖形相對于坐標軸位置關系都確定，圖形完全約束后，其尺寸和位置關系能協同變化，系統將直接把尺寸約束轉化為系統參數。

　　片銑刀截面為齒形，進入xy平面草圖模式，如圖2所示，在草圖中按圖樣尺寸繪制單個齒形線，選R，F，v作為主要參數并賦值來驅動圖形，約束其角度，繪制齒形截面，完成退出草圖。在xy平面新建草圖，按圖樣尺寸繪制一個圓，圓心約束在坐標中心，繪制成軸孔截面，如圖3所示，選擇t，d作為主要參數并賦值來驅動圖形，完成退出草圖。在yz。

　　平面新建草圖，按適當尺寸要求繪制側角截面草圖，如圖4所示，選用L、a作為主要參數并賦值來驅動圖形，完成退出草圖。

　　圖2 齒形截面草圖

　　圖3 軸孔截面草圖

　　圖4 側角截面草圖

　　2.3 建立模型特征和編輯表達式驅動模型

　　UG NX建模技術是一種基于特征的建模技術，其模塊中提供各種標準設計特征，各標準特征突出關鍵特征尺寸與定位尺寸，能很好的傳達設計意圖，并且易于調用和編輯，也能創建特征集，對特征進行管理。特征參數與表達式之間能相互依賴，互相傳遞數據，提高了表達式設計的層次，使實際信息可以用工程特征來定義。不同部件中的表達式也可通過鏈接來協同工作，即一個部件中的某一表達式可通過鏈接其他部件中的另一表達式建立某種聯系，當被引用部件中的表達式被更新時，與它鏈接的部件中的相應表達式也被更新。

　　選用Extrude(拉伸)功能，選取圖2草圖截面拉伸，建立單齒模型，選擇Circular Array進行齒型陣列，完成完整齒型創建。再次用拉仲功能選擇圖3草圖截面，通過布爾運算建立軸孔模型。選用Re-volve(旋轉)功能，選取圖4草圖截面，通過布爾運算建成刀具模型的側角。最后根據需要進行局部倒角修整。

　　選用Expression(表達式)功能，點選幾何表達式按鈕，從已用參數集中提取相應參數，選取拉伸距離作為一個參數，命名為B，陣列數量參數設定為Z，陣列間距角度參數設為a2，根據相互數學關系編輯表達式：

　　a2=3600/Z;

　　H=B;

　　L=3×B。

　　至此，我們在草圖空間建立了片銑刀底面的草圖模型，形成了由9個主要參數R、B、Z、d、Rl、a、F、v、t和3個輔助參數a2、H、L構成的驅動模型(見圖5)，其修改可以進人草圖修改或由表達式修改。

　　圖5 片鐵刀模型與效果圖

　　3 參數化模型基礎上的三維零件庫

　　3.1 創建三維零件庫的基本原理

　　根據相似性原理對需要建庫的零件進行分類，確定其能夠完整表示零件族或零件系列所有零件特征的復合零件。復合零件是在UG NX環境下用交互方式創建的三維零件模型，我們稱其為三維零件樣板。復合零件綜合了該零件族所有零件個體的形狀和結構特征，即基于復合零件可以派生該零件族的任何一個零件，零件可以繼承復合零件的全部特征或部分特征。在三維零件樣板的基礎上確定一組設計參數來控制模型的形狀和拓撲關系，并建立零件族設計參數的系列尺寸。最后，通過選擇不同系列尺寸來自動生成零件的三維模型，從而實現三維零件庫的創建。

　　3.2 生成三維零件樣板

　　利用UG NX的Part families工具可以方便的定義零件主要參數生成系列化零件數據庫。進入Part families，提取表達式中的R、Z、B、d、R1、a、F、v、t九個主要驅動參數，設置保存目錄，選擇Create命令進入Excel工作表。在Excel里面，根據標準零件系列尺寸或標準件的標準規格尺寸錄入零件控制參數的值，如圖6所示。保存族并退出Part families，就完成帶Excel參數表的三維零件樣板的生成。

　　圖6 Part families中錄入數據

　　3.3 三維零件庫的調用

　　在新模型文件或是裝配文件中，點擊引入模型命令，選擇已設計完成的片銑刀模型文件，在匹配成員列表里面會出現之前我們在Excel工作表里面錄入的所有規格(如圖7示)，選擇需要的規格，系統將自動生存新的零件模型，并與刀柄裝配(如圖8所示)。

　　4 結語

　　利用UG NX提供的強大相關參數化建模功能開發的數控刀具設計平臺，能夠方便編輯修改，加速設計進程。在相關參數化模型基礎上，借助零件族的Excel工作表，可以快速準確地創建標準件、通用零件及刀具系列化設計的三維模型庫。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，將更多精力用在創造性設計工作中。