基于知识工程的标准件刀库设计

王建吉

(陇东学院机械工程学院，甘肃庆阳745000)

基于知识工程的标准件刀库设计

王建吉

(陇东学院机械工程学院，甘肃庆阳745000)

研究了拉刀的标准化设计，针对拉刀种类多但结构相似的特点，利用CATIA V5的知识工程建立了拉刀3D标准件库。此举有利于提高拉床的工作效率。本文给出了开发拉刀标准件库的一般方法，介绍了其设计步骤。拉刀标准件库的建立提高了拉刀的设计效率，为复杂刀具3D标准件库的建立提供了一种新思路。

拉刀；标准件库；CATIA；知识库

当前，随着互联网技术和企业信息技术飞速发展，数据库的作用日渐明显，另外，数据库技术在企业智能制造中的应用越来越多，逐渐成为我们管理知识和信息的有效工具。在工厂生产当中，由于每一个标准件的规格和尺寸不同，当选择一种标准件时，就应利用存放在数据库内的尺寸参数，因而数据库系统的设计和使用在标准间库中的作用日益明显[1]。

本文的研究对象为拉床使用的拉刀，拉刀是一种专用多齿复杂刀具，由于它加工效率和加工精度高，使用寿命长，被广泛用于机械加工行业。但由于拉刀种类繁多，国内拉刀的系列化、通用化程度很低，即使同一类型的拉刀，零件图纸的技术标准也各有差异，互不通用。这种混乱状况，给用户的使用选择带来了很大困难。由于拉刀零件存在着同类不同尺寸、不同类但结构相似的情况，若反复建立这些模型，会降低设计效率，增加拉刀的设计成本[2-4]。本文利用CATIA V5的知识工程模块，开发了拉刀3D标准件库，降低重复性建模次数，提高设计效率。CATIA知识工程顾问模块,是一个基于知识工程的模块。它能有效地把产品的知识库结合到产品的开发设计中去,能使设计人员在确保提高设计效率的同时,遵循最佳的设计原则[5-7]。

CATIA V5是IBM和Dassault system公司共同推出的全新一代CAD/CAE/CAM软件，目前在世界范围内是应用面最广、反响最大的三维CAD软件；CATIA V5具有强大的知识工程和参数化建模的功能，并允许用户自由和开放式地建立和使用自己建立的标准件库，用户可以运用CATIA的知识工程模块建立知识库从而参数化地驱动标准件设计，再通过catalog模板建立标准件库。

1 拉刀设计知识

1.1 拉刀的结构

拉削过程是用拉刀进行的，它是靠拉刀的后一个(或一组)刀齿高于前一个(或一组)刀齿，一层一层地切除余量，以获得所需要的加工表面。拉刀的种类比较多,拉刀按加工表面分为内拉刀和外拉刀；按拉削方式分普通式、轮切式及综合式；按受力不同分拉刀、推刀和旋转拉刀；按结构不同分整体式、焊接式、装配式和镶齿式；根据拉刀的加工对象，可将拉刀分为圆孔拉刀、矩形花键拉刀、键槽拉刀、渐开线花键拉刀、三角花键拉刀、成型孔拉刀等，各种拉刀还可细分。尽管拉刀的种类繁多，但结构大致相同，主要由前柄、颈部、过渡锥、前导部、刀齿部、后导部等几部分构成。如图1所示，其中刀齿部的结构最复杂，可分为倒角齿、切削齿(包括粗切齿、过渡齿、精切齿)和校准齿等结构。拉刀的前柄、颈部、过渡锥、前导部结构基本相同，本文在设计时将这4部分归类为前部。于是拉刀的结构可归类为前部、刀齿部和后导部，本文根据这三部分的结构对拉刀进行模块化设计。由于目前还没有通用的理论公式，拉刀的设计主要依靠经验，所以设计时必须将经验知识融入到设计之中。

图1 拉刀结构图

1.2 拉刀编号与设计参数的统一

由于我国还没有完整的拉刀设计标准，目前仅有对拉刀前柄的技术标准GBT 3832.2-2004，所以拉刀的标准化和系列化一直比较困难。文献[8]对各种拉刀的基本原始数据进行系列化和标准化，减少了拉刀的规格。要开发拉刀的标准件库，首先应对拉刀进行统一编号和统一参数处理。

1.2.1 对拉刀进行编号。为方便对拉刀进行标准化，将各种拉刀进行统一编号，并找出其共性和异性，如表1所示。各种拉刀结构的异性较多，主要在于刀齿部，如圆孔拉刀的刀齿部主要是切削齿和校准齿，而矩形花键拉刀的刀齿部包括倒角齿、切削齿和校准齿。

1.2.2 统一设计参数。为建立拉刀的3D标准件库，首先需对拉刀进行参数化设计，所以每一种拉刀相同结构的参数名称必须相同，如表2所示，为拉刀前部结构参数的统一。

表1 拉刀的编号

表2 拉刀前部结构参数

2 基于知识的标准件库设计

CATIA软件的知识工程以产品知识为基础，参数化地建立标准件模型，再把模型保存成Catalog模板，实现标准件库的建立。利用CATIA的知识工程模块建立零件标准件库的一般方法是：首先利用参数化建模技术建立零件的三维模型，然后提取模型的特征参数，并通过Design Table工具将特征参数制成数据表格，运用知识工程顾问的规则(Rules)、检查(Checks)和应变(Reactions)等功能将长期积累的经验嵌入到设计中，对设计进行约束和检验，以提高设计质量[9-10]。

拉刀是一类复杂零件，如果对其重复建模，花费的时间将会很多。所以利用CATIA的知识工程模块建立拉刀的标准件库，能够提高设计效率，有效降低成本。本文旨在建立拉刀的3D标准件库，由于拉刀的结构复杂参数多，在对刀齿进行三维建模时很难实现参数化，所以建立其3D标准件库比较困难。拉刀3D标准件库开发与常用标准件的3D标准件库开发的不同之处，就在于拉刀刀齿的参数化建模以及利用知识工程将拉刀经验知识的嵌入和拉刀的三维设计中[11]。

3 基于知识的拉刀三维设计关键技术

3.1 拉刀三维模型的建立

以创建矩形花键拉刀的三维模型为例。矩形花键拉刀根据用途不同可以分为单独加工花键的花键拉刀和加工倒角、圆孔与花键的复合拉刀，本文采用倒角-花键拉刀作为拉刀建模的例子。已知花键孔直径D=40mm，键槽宽度b=12mm，预加工孔直径D0=39.3mm，拉削长度l0=50mm。

3.1.1 首先创建花键拉刀的用户参数。由于花键拉刀结构复杂，各部分的结构尺寸参数较多，所以用户参数必须能够反映模型的构造，如前部的直径Di和长度Li，刀齿部的齿升量Sz、齿数Z、容屑槽和分屑槽结构参数，以及后导部的直径和长度等参数。在草绘和创建实体特征的过程中，通过公式建立用户参数与特征参数之间的联系，实现参数化建模。

3.1.2 拉刀三维模型的创建。拉刀前部和后导部为一规则的旋转体，创建其三围模型比较简单。拉刀最复杂的部分是刀齿部，而刀齿部最复杂的部分则是粗切齿。矩形花键拉刀的刀齿分为倒角齿、切削齿、校准齿等齿形，由于切削齿的粗切齿齿数多，每一个齿都有齿升量，所以粗切齿设计最复杂。传统的设计方法通过草绘一个一个来绘制或者通过提取曲线进行设计，设计效率低，而且容易出错。本文借助知识工程顾问的LOOP工具来设计粗切齿的容屑槽。

已知齿升量Sz=0.07mm，齿距t=11mm，第一齿直径Dc1=39.3mm，齿数z=30。首先创建第一个粗切齿的三维模型，并创建其用户特征；然后创建一个粗切齿LOOP，在输入名称里面选择第一个粗切齿的用户特征，刀齿个数可在程序输入框里输入以下程序：

abc_$i$ isa UDF1

{ r=19.65mm+0.07*$i$*1mm;

b=300mm+11*$i$*1mm; }

运行循环，则可生成花键拉刀所有粗切齿的容屑槽，结果如图2所示：

图2 Loop创建粗切齿容屑槽

最终生成矩形花键拉刀的实体如图3所示。

图3 矩形花键拉刀的三维模型

3.2 创建拉刀设计表

用已有的特征参数创建Excel表格，然后通过Association建立表中参数与拉刀特征参数的联系。生成的Excel表格只有一个系列的参数值，所以需要通过编辑表操作，把其他系列的参数值录入Excel表格保存，并应用到现有的三维设计中。通过Excel电子表格格式建表。参数表给用户提供一种创建和管理标准件的方法和工具[12-13]。

3.3 创建规则和检查

由于拉刀的结构复杂，设计主要依靠经验，所以在对拉刀进行三维设计时不仅要考虑拉刀结构尺寸的显性知识，还应该考虑与拉刀设计相关经验的隐性知识。CATIA通过知识工程顾问模块将隐性知识用工程语言表达出来，对拉刀的设计进行约束和检验。

例如创建花键拉刀最大总长度Lmax的规则，Lmax与拉刀直径D有关，D在不同的范围内取值，Lmax将与D存在着不同的关系。在知识工程规则里，用if…else…语句来表达它们之间的关系，如图4所示拉刀最大总长度规则，可对Lmax的值进行约束。最后将所有的规则检验保存到目录库里面，形成规则库，如图5所示，以便用于其他拉刀的设计。

图4 拉刀最大总长度规则

图5 拉刀的规则库

3.4 创建拉刀前部的知识模板

利用产品知识模板创建拉刀前部的用户特征，并创建前部的特征模板。

4 拉刀标准件库设计

4.1 基于特征和规则的三维设计

利用创建矩形花键拉刀三维模型中提取的设计知识，创建其他拉刀的模型。

4.1.1 基于特征的三维设计。由于拉刀前部已经生成特征模板，所以只需对刀齿部和后导部进行三维建模，然后调出拉刀前部即可生成一把新拉刀的三维模型，如图6所示，建立圆孔拉刀的三维模型时，调用前部用户特征。

图6 拉刀前部用户特征的调用

4.1.2 基于规则的三维设计。由于所有拉刀各部分的设计要求相似，相同结构的参数名称相同，所以可将在矩形花键拉刀设计中所创建的设计规则和检查导入到其他拉刀产品的设计中，如图7所示。对其他拉刀模型进行约束和检验，而不用对拉刀重新建立设计规则。

图7 设计规则调用

4.2 标准件库的创建和管理

创建Catalog文件，通过“Add Part Family”命令将所有拉刀的模型添加到标准件库里，按照拉刀的编号修改关键字并添加相关描述。

通过“Add Chapter”操作分别创建各种类型拉刀的章节，将添加的零件归类到相应的章节里面，系统将利用设计表中的参数值及相关公式自动生成三维模型的预览图片和零件系列数据，如图8所示。保存Catalog文件，从而创建拉刀的标准件库。

图8 拉刀标准件库

如果要设计一把新的拉刀，则可找到相应的拉刀类型，右键单击然后选择“打开文档”，生成拉刀模型，然后根据设计要求进行修改，实现新参数的输入。

4.3 拉刀标准件库的特点

4.3.1 在对刀齿的粗切齿建模时采用知识工程循环LOOP工具，使得粗切齿能够快速方便的建模，极大地方便了刀齿模型的参数化设计。设计其他刀齿结构相同的拉刀时，只需选择系列参数即可。设计刀齿结构不同的拉刀，只需修改第一齿的结构和相应参数，即可完成所有粗切齿建模，此法简单易行。

4.3.2 本文的拉刀标准件库包括了拉刀各个种类的三维模型，种类较齐全。所创建的标准件库不仅包括拉刀的三维实体模型，而且还包括了拉刀的设计规则和检查，也就是拉刀规则库。

4.3.3 创建新的拉刀模型时，可从规则库中选择相关的设计规则导入新的模型中，能够及时对设计进行指导，还可将新建的规则检查添加到规则库中。这样就方便快速地将拉刀的经验知识嵌入到了设计中。很快对数据库进行更新，节省工艺设计时间。

5 结论

5.1 利用CATIA的知识工程语言实现了一个标准件库的智能化设计。这种基于知识工程的智能化设计是解决产品快速变型设计的有效手段,不仅能在标准件设计中应用,在其它存在规范和标准的机械产品设计中也值得尝试。

5.2 利用知识工程循环LOOP对刀齿进行建模，使得拉刀3D标准件库的建立成为可能。利用设计实例和设计规则共同开发了拉刀标准件库，不仅方便设计人员在设计中调用拉刀三维标准件资源，还能对设计进行及时检查，减少了设计中的大量重复性工作，提高了拉刀设计效率和质量。还研究了基于知识工程的标准件智能化设计方法。

5.3 通过建立标准件库，为方便使用机械设计中大量的标准件提供捷径。减少在设计过程中技术人员的设计工作量，同时可以提高工程设计质量，有效利用人力资源，提高设计人员的工作效率，缩短产品研发和制造周期，有效降低成本，具有重要的应用价值，也为产品加工制造提供了实用有效的工具。标准件库为企业实现无纸化提供了帮助。该标准件库是应用系统的简单模拟，占用存贮空间小，具有开放性的接口，增删参数简便容易，其内容是一锁紧类标准件库，只要补充相关标准件，就可以满足不同需求，为工厂实现智能化、信息化奠定基础[14]。

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[11]李光春，李娟.CATIA知识工程模块在零件设计中的应用[J].2016,29(1):70-72.

[12]李春燕，石小龙，刘德芳.基于知识的拖拉机变速箱智能化设计系统研究[J].农机化研究，2016(10)：250-253.

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[14]朱煜忻，王宇，丁航，等.知识工程在机械产品结构设计中的应用[J].航空制造技术，2015(S2)：85-91.

【责任编辑 答会明】

Design of Tool Magazine Based on Knowledge Engineering Standard

WANG Jian-ji

(CollegeofMechanicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

Starting from its different kinds of structure but similar characteristics and based on the knowledge engineering of CATIA V5,this paper tries to study the standardized design of the broach and establish 3D standard parts library broach which may help in improving the working efficiency of broaching machine. This paper presents a general method for developing broach standard parts library,and introduces the design steps. The establishment of standard parts library of broach can improve the design efficiency,and provide a new idea for the establishment of complex cutting tools 3D standard parts library.

broach;standard parts library;CATIA;KBE

1674-1730(2017)03-0032-04

2016-10-19

陇东学院博士基金项目《基于摩擦学与动力学的涡旋压缩机轴向间隙相关性研究》(XYBY1605)

王建吉(1984—)，男，甘肃庆阳人，讲师，主要从事机械工程材料疲劳可靠性研究。

TH12;TP391.72

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