CN104007699B - 基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法，具备：工艺过程构建，根据输入的工艺方案文件，通过深度遍历工艺方案的树状结构，构建零件的加工工艺过程；加工单元分组，根据给定的工艺方案，得到一组刀具序列，根据刀具序列中刀具关联的加工单元，目标加工单元与实时补加工单元，不同类型补加工单元和工艺的特殊要求，建立加工单元分组规则，将加工单元分为四级单元组；加工单元排序，基于工艺过程对加工单元组进行排序，建立加工单元排序规则；分层加工排序，采用整体分层和虚拟分层两种分层方法，减少粗加工变形，实现分层加工排序。采用本方法，排序结果符合实际工艺要求，有效减少加工过程中的干涉与过切，且加工路径短、加工效率高。

Description

基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法

技术领域

本发明涉及一种基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法，用于飞机结构件数控编程中加工单元的自动优化排序，属于飞机数字化制造技术领域。应用该方法，可以实现加工单元的优化排序，排序结果高度符合工艺要求且减少加工路径，提高飞机结构件数控加工的设计效率和质量，从而缩短飞机研制周期。

背景技术

计算机、编程以及高速切削加工等数控相关技术的快速发展与广泛应用推动了飞机结构件制造技术的发展，现代飞机普遍采用性能优越的整体薄壁结构件。但是，由于整体结构件具有结构复杂、制造精度要求高且加工难度大等特点，现有的工艺准备和数控编程方式已成为进一步提高飞机整体结构件制造质量和效率的最主要制约因素。例如，现有加工的排序主要靠人工排序完成，或集中于特征的加工排序，排序复杂，效率低，路径长，难以满足工艺要求；加工排序问题可以归结为加工单元的排序问题，加工单元是工艺过程中具备一定加工方法的最小加工对象，目前针对加工单元的优化排序仅局限于机床、工装、刀具、加工参数等加工操作操作关联项中的局部单项或几项参数的选取与优化，或者工步内的排序，尚未综合考虑整体零件从工艺层面和加工路径层面的综合排序，难以满足工艺要求且无法保证较短的加工路径。因此，研究基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法，提高数控加工的质量和效率，降低加工成本已成为高效数控加工技术急需解决的问题。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法，该算法可实现基于工艺过程的加工单元排序及路径规划，解决实际编程过程中人工排序效率低下、路径长，以及自动编程工艺决策时的组合爆炸问题，使加工排序过程符合实际加工工艺要求，并显著减少空走刀时间，提高零件加工效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法，其特征在于：该方法实现的主要步骤有：1)工艺过程构建；2)加工单元分组；3)加工单元排序；4)分层加工排序；5)形成数控加工链。

所述步骤1)工艺过程构建：根据输入的工艺方案文件，通过深度遍历工艺方案的树状结构，构建零件的加工工艺过程；最后按照工艺过程得刀具序列；

所述步骤2)加工单元分组，根据给定的工艺方案，可得到一组刀具序列，根据刀具序列中刀具关联的加工单元，目标加工单元与实时补加工单元，不同类型补加工单元和工艺的要求，建立加工单元分组规则，将加工单元分为四级单元组；

所述步骤3)加工单元分组后，基于工艺过程对加工单元组进行排序，建立加工单元排序规则；

所述步骤4)采用分层粗加工方式，通过整体分层和虚拟分层两种分层方法，实现分层加工排序；

所述步骤5)根据每把刀具的加工单元序列，与加工方案融合，形成最终的数控加工链。

所述步骤2)中，建立加工单元分组规如下：

规则1，针对一级单元成组：设c₁，c₂采用的刀具分别为t₁、t₂，机床分别为m₁、m₂，所在程序段分别为p₁、p₂，工步分别为s₁、s₂，工序分别为r₁、r₂，工位分别为o₁、o₂，如果同时满足t₁＝t₂，m₁＝m₂，p₁＝p₂，s₁＝s₂，r₁＝r₂，o₁＝o₂，那么c₁，c₂属于同一个一级单元组。

规则2，针对二、三级单元成组：设c₁，c₂属于同一个一级单元组，且主类型分别为t_m1、t_m2，所在工步分别为t_s1、t_s2。如果t_m1＝t_m2，则c₁，c₂属于同一个二级单元组。此外，如果t_s1＝t_s2，则c₁，c₂属于同一类型的实时补加工组，即同一个三级单元组。

规则3，针对四级单元成组：设c₁，c₂属于同一个三级单元组，所在的层面分别为l₁，l₂，如果l₁＝l₂，则c₁，c₂属于同一个四级单元组。

所述步骤3)中，加工单元排序规则如下：

规则4，针对宏观排序：设为所有一级单元组的初始序列，且为无序状态。按深度遍历工艺方案，得到加工序列g₁,g₂,…,g_m，其中g_i的刀具为t_i，程序为p_i，工步为s_i，工序为r_i，工位为o_i，机床为m_i，1≤i≤m。设的刀具为t_j，程序为p_j，工步为s_j，工序为r_j，工位为o_j，机床为m_j，如果满足t_j＝t_i，p_j＝p_i，s_j＝s_i，r_j＝r_i，o_j＝o_i，m_j＝m_i，那么将放在新序列的第i个位置，j＝1,2,…,m，最终形成新的一级单元组序列

规则5，针对刀具层排序：设机床为m，工位为o，工序r，工步为s，程序为p时，刀具t_i关联的补加工单元组为目标单元组为并且又可分为若干三级单元组初始序列1≤n。在机床为m，工位为o的前提下，工序r的前工序序列为r₁,r₂,…,r_l，1≤l，r_k的工步序列为s_k1,s_k2,…,h≥1，1≤k≤l。在工序r，工步s的前工步序列为s₁,s₂,…,s_b，可知在机床为m，工位为o的前提下，工步s的前工步序列为s₁₁,s₁₂,...,s₂₁,s₂₂,...,...,s₁,s₂,...,s_b，提取的补加工工步类型，并按照序列s₁₁,s₁₂,...,s₂₁,s₂₂,...,...,s₁,s₂,...,s_b顺序对进行排序，生成基于工艺过程的补加工序列再添加目标单元组完成基于工艺过程的刀具层排序。

所述步骤4)中分层方法的具体步骤如下：

(1)整体分层：在整体角度上，以刀具关联所有域元的最大高度差为总高度h，并用步距s_a对h均分，生成全局分层l₁,l₂,…,l_m，m≥1，并将刀具关联的加工单元根据Z坐标值划分到层间隔v_i,i+1(l_i,l_i+1)中，完成四级单元分组。按照自上而下的顺序，如果加工单元满足：

则将该加工单元划分到层间隔v_i,i+1，其中分别为层面l_i和l_i+1的Z向坐标值。

(2)虚拟分层：当粗加工选用多把刀具时，每把刀具可加工的域元较少且分散，导致整体分层方式在每一层面的空走刀较多，效率低。为减少空走刀并减少侧壁的应力变形，采用虚拟分层方法，即将横向邻接且轴向相交的加工单元集中形成的虚拟层面。其中，横向邻接是加工单元间互为异域并列关系且所在域元间具有公共的薄壁过渡结构。轴向相交是指两加工单元在轴向高度范围存在一定的重叠，用数学形式可表达为：

其中，Range(z_ωb1,z_ωt1)为加工单元c₁的轴向加工范围，

Range(z_ωb2,z_ωt2)为加工单元c₂的轴向加工范围。

本发明的有益效果：应用本发明提出的基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法的效果如下：(1)实现了基于工艺方案描述的工艺过程对机床、工位、工序、工步、程序至刀具节点的宏观排序；(2)对刀具关联的加工单元进行多级分组，并同样基于工艺过程对同级别加工单元组进行排序。总而言之，采用本发明提出的基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法是全面考虑了宏观工艺流程及工步内的排序，有效融合了工艺级与几何级的排序，排序结果符合实际工艺要求，有效减少加工过程中的干涉与过切，且加工路径短、加工效率高，将极大提高数控加工的质量，缩短制造乃至整个飞机生产周期。

附图说明

图1为基于工艺过程排序层次图。

图2为加工单元分组示意图。

图3为横向邻接示意图。

图4为本发明方法实现的流程图。

具体实施方式

本发明是建立在CAD/CAM系统平台上，实现飞机结构件自动编程加工单元优化排序的一种方法。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明，本实施例是在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的实现过程，但是本发明的保护范围不限于下述实施实例。

本发明提出的基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序实施的详细步骤如下：

步骤1)：工艺过程构建。输入工艺方案文件，方案采用xml存储，呈树状结构形式，深度遍历工艺方案结构树，形成零件加工的宏观工艺过程，按照工艺过程得刀具序列；

步骤2)：加工单元分组。如图1所示，根据步骤1)，可得到一组刀具序列，序列中的每一把刀具均关联一组加工单元，这组加工单元即构成“一级单元组”。在一级单元组内，为使零件加工过程符合工艺过程要求，将目标加工单元与实时补加工单元分离，形成“二级单元组”。由于补加工单元存在多种类型，且不同类型的补加工单元需集中加工，因此，将补加工单元按照工步类型继续进行分组，形成“三级单元组”。此外，由于工艺的特殊要求，有些加工单元需按照特殊的工艺要求分组，如分层粗加工，按照“层面”将加工单元分成若干层，每一层内的加工单元形成一组，即构成“四级单元组”。其中，给定加工单元c₁、c₂，加工单元分组规则如下：

规则1(一级单元成组)设c₁，c₂采用的刀具分别为t₁、t₂，机床分别为m₁、m₂，所在程序段分别为p₁、p₂，工步分别为s₁、s₂，工序分别为r₁、r₂，工位分别为o₁、o₂，如果同时满足t₁＝t₂，m₁＝m₂，p₁＝p₂，s₁＝s₂，r₁＝r₂，o₁＝o₂，那么c₁，c₂属于同一个一级单元组。

规则2(二、三级单元成组)设c₁，c₂属于同一个一级单元组，且主类型分别为t_m1、t_m2，所在工步分别为t_s1、t_s2。如果t_m1＝t_m2，则c₁，c₂属于同一个二级单元组。此外，如果t_s1＝t_s2，则c₁，c₂属于同一类型的实时补加工组，即同一个三级单元组。

规则3(四级单元成组)设c₁，c₂属于同一个三级单元组，所在的层面分别为l₁，l₂，如果l₁＝l₂，则c₁，c₂属于同一个四级单元组。

步骤3)：加工单元排序。加工单元成组后，基于工艺过程对加工单元组进行排序，规则如下：

规则4(宏观排序)设为所有一级单元组的初始序列，且为无序状态。按深度遍历工艺方案，得到加工序列g₁,g₂,…,g_m，其中g_i的刀具为t_i，程序为p_i，工步为s_i，工序为r_i，工位为o_i，机床为m_i，1≤i≤m。设的刀具为t_j，程序为p_j，工步为s_j，工序为r_j，工位为o_j，机床为m_j，如果满足t_j＝t_i，p_j＝p_i，s_j＝s_i，r_j＝r_i，o_j＝o_i，m_j＝m_i，那么将放在新序列的第i个位置，j＝1,2,…,m，最终形成新的一级单元组序列

规则5(刀具层排序)设机床为m，工位为o，工序r，工步为s，程序为p时，刀具t_i关联的补加工单元组为目标单元组为并且又可分为若干三级单元组初始序列1≤n。在机床为m，工位为o的前提下，工序r的前工序序列为r₁,r₂,…,r_l，1≤l，r_k的工步序列为s_k1,s_k2,…,h≥1，1≤k≤l。在工序r，工步s的前工步序列为s₁,s₂,…,s_b，可知在机床为m，工位为o的前提下，工步s的前工步序列为s₁₁,s₁₂,...,s₂₁,s₂₂,...,...,s₁,s₂,...,s_b，提取的补加工工步类型，并按照序列s₁₁,s₁₂,...,s₂₁,s₂₂,...,...,s₁,s₂,...,s_b顺序对进行排序，生成基于工艺过程的补加工序列再添加目标单元组完成基于工艺过程的刀具层排序。

步骤4)分层加工排序。为减少粗加工变形，提出整体分层和虚拟分层两种分层方法，实现分层加工排序：

(1)整体分层：在整体角度上，以刀具关联所有域元的最大高度差为总高度h，并用步距s_a对h均分，生成全局分层l₁,l₂,…,l_m，m≥1，并将刀具关联的加工单元根据Z坐标值划分到层间隔v_i,i+1(l_i,l_i+1)中，完成四级单元分组。按照自上而下的顺序，如果加工单元满足：

则将该加工单元划分到层间隔v_i,i+1，其中分别为层面l_i和l_i+1的Z向坐标值。

(2)虚拟分层：当粗加工选用多把刀具时，每把刀具可加工的域元较少且分散，导致整体分层方式在每一层面的空走刀较多，效率低。为减少空走刀并减少侧壁的应力变形，采用虚拟分层方法，即将横向邻接且轴向相交的加工单元集中形成的虚拟层面。其中，横向邻接是加工单元间互为异域并列关系且所在域元间具有公共的薄壁过渡结构，如图3所示。轴向相交是指两加工单元在轴向高度范围存在一定的重叠，用数学形式可表达为：

其中，Range(z_ωb1,z_ωt1)为加工单元c₁的轴向加工范围，Range(z_ωb2,z_ωt2)为加工单元c₂的轴向加工范围；

步骤5)在把每一个层面内，对其采用模拟退火算法进行优化排序，形成数控加工链，即加工方案与加工单元融合的结果，并输出。

Claims (1)

1.一种基于工艺过程的飞机结构件自动编程加工单元优化排序方法，其特征在于：该方法实现的主要步骤有：1)工艺过程构建；2)加工单元分组；3)加工单元排序；4)分层加工排序；5)形成数控加工链；

所述步骤1)工艺过程构建：根据输入的工艺方案文件，通过深度遍历工艺方案的树状结构，构建零件的加工工艺过程；最后按照工艺过程得刀具序列；

所述步骤2)加工单元分组，根据给定的工艺方案，可得到一组刀具序列，根据刀具序列中刀具关联的加工单元，目标加工单元与实时补加工单元，不同类型补加工单元和工艺的要求，建立加工单元分组规则，将加工单元分为四级单元组；

所述步骤3)加工单元分组后，基于工艺过程对加工单元组进行排序，建立加工单元排序规则；

所述步骤4)采用分层粗加工方式，通过整体分层和虚拟分层两种分层方法，实现分层加工排序；

所述步骤5)根据每把刀具的加工单元序列，与加工方案融合，形成最终的数控加工链；

所述整体分层过程如下：在整体角度上，以刀具关联所有域元的最大高度差为总高度h，并用步距sa对h均分，生成全局分层l₁,l₂,…,l_m，m≥1，并将刀具关联的加工单元根据Z坐标值划分到层间隔v_i,i+1(l_i,l_i+1)中，完成四级单元分组；按照自上而下的顺序，如果加工单元满足：

<mrow> <msub> <mi>z</mi> <msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mo>&lt;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>z</mi> <msub> <mi>l</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> </mrow>

则将该加工单元划分到层间隔v_i,i+1，其中 分别为层面l_i和l_i+1的Z向坐标值；

所述虚拟分层过程如下：当粗加工选用多把刀具时，每把刀具可加工的域元较少且分散，导致整体分层方式在每一层面的空走刀较多，效率低；为减少空走刀并减少侧壁的应力变形，采用虚拟分层方法，即将横向邻接且轴向相交的加工单元集中形成的虚拟层面；其中，横向邻接是加工单元间互为异域并列关系且所在域元间具有公共的薄壁过渡结构；轴向相交是指两加工单元在轴向高度范围存在一定的重叠，用数学形式可表达为：

其中，Range(z_ωb1,z_ωt1)为加工单元c₁的轴向加工范围，Range(z_ωb2,z_ωt2)为加工单元c₂的轴向加工范围。