CN104331020A - 基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法 - Google Patents

Abstract

一种基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法，首先，输入零件信息、加工特征信息和排架信息，根据区域划分规则对加工区域自动划分；其次，基于下陷面重构规则对每一块划分区域进行特征重构；第三，对重构后的特征进行排序，自动决策加工顺序和工艺参数；第四，根据工艺参数构建工艺下陷面；最后，根据蒙皮镜像铣编程规范对每个加工特征自动决策其进退刀参数和机床控制指令。基于特征的自动工艺决策实现了蒙皮零件数控编程过程中信息链的有效贯通，结合蒙皮镜像铣数控编程工艺规范，实现蒙皮镜像铣中基于特征的数控编程，减少编程对人的经验的依赖性，保证编程规范性，提高编程质量，同时提高编程效率，保证生产进度。

Description

基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法

技术领域

本发明涉及一种基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法，尤其是一种蒙皮镜像铣削工艺决策方法，属于数控加工技术领域。

背景技术

随着飞机结构设计的不断更改，蒙皮零件的传统加工方式化铣因其环境污染已经不再适用于新型铝锂合金蒙皮的加工，同时五轴机械铣因为加工颤振也无法适应于新型带有减重设计蒙皮的加工，因此出现了一种新型蒙皮数控加工方法，蒙皮镜像铣削方法。目前，蒙皮镜像铣削加工方法的工艺决策都是依靠工艺员的经验、技艺、诀窍等，对人的依赖性比较大，导致加工效率低，加工成本高，工艺决策质量主要依赖于个人的经验技术水平。因此目前急需一种自动工艺决策方法，提高加工效率，降低加工成本。

查阅现有文献与技术发现，D.N.Sormaz等人在论文“Process planning knowledgerepresentation using an object-oriented data model”中提出面向对象的工艺决策知识表示方法，通过构建语义网，建立加工过程与特征、机床、刀具的关系，可以实现多个工艺方案的自动决策；王大康等人在论文“智能化CAPP系统的工艺决策”中把基于规则的知识表示语言和过程语言结合起来，使过程化知识的规则表示变得容易，进而使用产生式规则表示法构建知识库，采用演绎推理式的推理机，实现了自动工艺决策。上述方法中虽然都可以实现自动工艺决策，但是主要针对的是数控加工方法、加工刀具、数控加工参数的决策，而由于蒙皮镜像铣设备的特殊需求需要对零件进行区域划分后再工艺决策，通过调用机床控制指令实现机床的进退刀，因此上述方法不能满足要求。

针对以上问题本专利提出一种基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法，该方法针对蒙皮镜像铣设备的特殊需求先对零件进行区域划分，然后对划分区域进行加工顺序、加工参数、进退刀参数和机床控制指令的自动决策，减少对人的经验的依赖性，自动化程度高，提高加工效率，降低加工成本。

发明内容

本发明的目的是针对蒙皮镜像铣设备的特殊需求对零件进行区域划分，再对划分区域进行工艺决策，而目前工艺决策都是依靠工艺员的经验、技艺、诀窍等，对人的依赖性比较大的等一系列问题，发明一种基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法。

一种基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、输入工艺决策所需要的基本信息；

步骤2、根据所输入的信息进行加工区域划分；

步骤3、对划分的区域进行特征重构；

步骤4、对每个加工特征的工艺参数的自动决策；

步骤5、对重构后的特征进行加工顺序的自动决策；

步骤6、根据工艺参数构造工艺下陷面；

步骤7、对每个加工特征的加工进退刀参数进行自动决策；

步骤8、自动决策机床控制指令；

步骤9、将工艺决策结果保存并输出。

所述的区域划分，由于蒙皮镜像铣设备的特殊工艺需求以及加工过程中为了保证零件的刚性，需要根据区域划分规则对蒙皮进行区域划分，按照划分区域进行分区加工。具体的区域划分规则如下：

首先，为了保证蒙皮零件的加工刚性所分区域尺寸要小于所规定的最大的区域尺寸并且保证零件的刚性。

其次，避免排架与蒙皮镜像铣机床的顶撑装置发生干涉。

最后，为了保证加工特征的完整性，区域划分时避开特征较多的区域。

所述的特征重构，由于部分划分区域内包含碎面或在区域划分时将一个完整的特征一分为二形成分割曲面，为了保证生成刀轨的正确性，需要对碎面和分割曲面进行特征重构，得到实际加工所需要的特征。碎面的特征重构方法是先将碎面进行重构，再将拟合后的面添加到特征信息库中，分割曲面的特征重构方法是先提取分割曲面特征再添加到特征信息库中。

所述的工艺参数的自动决策，根据蒙皮镜像铣数控编程工艺规范，参考基于特征表达工艺规则及工艺方案，进而基于特征进行工艺参数决策。决策的工艺参数主要有刀具、刀具有效切削半径、刀轨间距范围、钻孔深度以及切削参数。

所述的加工顺序的自动决策，首先按加工区域分步加工，其次根据切削参数将蒙皮零件进行加工层次划分，每个加工区域内按照从厚到薄的顺序进行分层加工，最后进行钻孔、铣通窗和切边。最后在同一层特征的加工过程中按照就近原则进行加工。就近原则如下：

首先计算每一个划分区域的几何中心C1，然后分别计算出每一个加工特征的中心点P1，P2，P3，……，依次计算几何中心C1和特征中心点P1，P2，P3，……,的距离，找到距离几何中心最远的特征作为第一个加工特征T1，然后搜索与第一个特征T1距离最近的特征作为第二个加工特征T2，再搜索与第二个特征T2距离最近的作为第三个加工特征T3，按此规律进行无重复搜索，搜索后将特征按序号排序，即T1，T2，T3，……。

切削分层方法如下：

取出任意区域的特征识别列表L1，遍历列表L1，找出相邻的两个面F1和F2并分别计算到底面的距离，即为两个面的厚度分别表示为t_b和t_c，上一层面到底面的距离，即为上一层面的厚度，表示为t_a，其中t_b>t_c，函数int(x)，表示对x取整，当面F2单独加工时，可以计算出切削层数为当面F1和面F2一同加工到t_b厚度以后再对F2进行加工时，计算出面F2的切削层数为判断N_new和N_old值的大小，若N_new<N_old，则面F1和面F2可以划分为同一层，若N_new>N_old，则面F1和面F2不可以划分为同一层。

所述的构造工艺下陷面，将区域划分后的曲面的反面进行提取，然后将提取的面按照所划分的加工层次进行偏置，如果提取面为碎面则需先进行碎面重构，再进行偏置。

所述的加工进退刀参数进行自动决策，主要用于相邻操作进退刀距离较远时，为了避免顶撑与加工零件发生干涉而在进刀点和退刀点之间插入若干个点，分成多段插入到位，主要决策内容是中间点的个数、位置、每个点的法矢及进退刀参数。

所述的决策机床控制指令，由于蒙皮镜像铣设备的特殊需求，需要先在机床控制指令中输入控制机床的工艺参数和加工参数，再调用机床控制指令来协调机床、顶撑和排架的运动，避免发生干涉。对机床控制指令的决策是根据蒙皮镜像铣数控编程规范，自动决策所添加的控制指令的类型和顺序。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以自动根据区域划分规则对蒙皮零件进行自动分区，减少工艺人员的工作量，提高加工效率。

2、本发明可以在区域划分后自动对特征进行重构。

3、本发明可以自动决策机床的控制指令，减少手动添加机床控制指令的出错率，提高加工效率。

4、本发明减少对人的经验的依赖性，自动化程度高，提高加工效率，降低加工成本。

附图说明

图1.基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法流程图。

图2.加工区域划分示意图。

图3.特征重构示意图。其中S1表示将碎面进行碎面重构的面，S2表示将分割曲面进行提取的面。

图4.下陷面的加工排序的原理图。其中C1为区域的几何中心点，T1、T2、T3为C1区域内的3个下陷面，P1、P2、P3为三个下陷面的中心点，D1、D2、D3分别为几何中心到点P1、P2、P3的距离，J1为加工路径。

图5.切削分层方法的原理图。其中F1、F2、F3为三个厚度不同的面，t_a、t_b、t_c分别表示面F1、F2、F3的厚度。

图6.自动决策进退刀原理图。其中S1和S2表示两个面，L为面S1和面S2的距离,LP1为插入点。

图7是本发明实施例的飞机蒙皮特征识别流程示意图。

具体实施方式

选择一个蒙皮零件作为例子，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是本发明的基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法流程图。如图所示，包括以下各步骤：

1、输入工艺决策所需要的基本信息，包括零件模型信息、加工特征信息和排架信息。

2、根据所输入的信息进行加工区域划分，由于蒙皮镜像铣设备的特殊工艺需求以及加工过程中为了保证零件的刚性，需要根据区域划分规则对蒙皮进行区域划分，按照划分区域进行分区加工。具体的区域划分规则如下：

首先，为了保证蒙皮零件的加工刚性所分区域尺寸要小于所规定的最大的区域尺寸并且保证零件的刚性。

其次，避免排架与蒙皮镜像铣机床的刀具发生干涉。

最后，为了保证加工特征的完整性，区域划分时避开特征较多的区域。

区域划分结果如图2所示。

3、对划分的区域进行特征重构，由于部分划分区域内包含碎面或在区域划分时将一个完整的特征一分为二形成分割曲面，为了保证生成刀轨的正确性，需要对碎面和分割曲面进行特征重构，得到实际加工所需要的特征。如图3所示，碎面的特征重构方法是先将碎面进行重构，得到面S2，再将面S2添加到特征信息库，分割曲面的特征重构方法是先提取分割曲面特征，提取的面为S1，再将面S1添加到特征信息库中。

4、对每个加工特征的工艺参数的自动决策，根据蒙皮镜像铣数控编程工艺规范，参考基于特征表达工艺规则及工艺方案，进而基于特征进行工艺参数决策。决策的工艺参数主要有刀具、刀具有效切削半径、刀轨间距范围、钻孔深度以及切削参数。

5、对重构后的特征进行加工顺序的自动决策，为了控制加工变形和蒙皮镜像铣设备的特殊需求，需要对加工顺序进行决策，首先按加工区域分步加工，其次根据切削参数将蒙皮零件进行加工层次划分，每个加工区域内按照从厚到薄的顺序进行分层加工，最后进行钻孔、铣通窗和切边。最后在同一层特征的加工过程中按照就近原则进行加工。就近原则如下：

如图4所示，以某一区域的下陷面的加工排序为例，首先计算划分区域的几何中心C1，然后分别计算出每一个下陷面的中心点P1，P2，P3，依次计算几何中心C1和中心点P1，P2，P3，的距离为D1，D2，D3，判断D1，D2，D3的大小，找到距离几何中心最远的下陷面T1作为第一个加工特征，然后搜索与T1距离最近的下陷面T2作为第二个加工特征，再搜索与T2距离最近的T3作为第三个加工特征，按此规律进行无重复搜索，搜索后将特征按序号排序，即T1，T2，T3，最终的加工路径为J1。

切削分层方法如下：

如图5所示，取出任意区域的特征识别列表L1，遍历列表L1，找出相邻的两个面F2和F3并分别计算到底面的距离，即为两个面的厚度分别表示为t_b和t_c，上一层面F1到底面的距离，即为上一层面的厚度，表示为t_a，其中t_b>t_c，函数int(x)，表示对x取整，当面F3单独加工时，可以计算出切削层数为当面F2和面F3一同加工到t_b厚度以后再对F3进行加工时，计算出面F3的切削层数为判断N_new和N_old值的大小，若N_new<N_old，则面F2和面F3可以划分为同一层，若N_new>N_old，则面F2和面F3不可以划分为同一层。

6、根据工艺参数构造工艺下陷面，构造工艺下陷面的方法为：将区域划分后的曲面的反面进行提取，然后将提取的面按照所划分的加工层次依次进行偏置，如果提取面为碎面则需先进行碎面重构，再进行偏置。

7、对每个加工特征的加工进退刀参数进行自动决策，主要用于相邻操作进退刀距离较远时，为了避免顶撑与加工零件发生干涉而在进刀点和退刀点之间插入若干个点，分成多段插入到位，主要决策内容是中间点的个数、位置、每个点的法矢及进退刀参数。如图6所示，由于面S1与S2之间的间距L较大，为了避免顶撑与加工零件之间发生干涉，所以在进刀点和退刀点添加插入点LP1，进行刀轨的分段插入，保证顶撑与加工零件之间不发生干涉。

8、对机床控制指令进行自动决策，由于蒙皮镜像铣设备的特殊需求，需要先在机床控制指令中输入控制机床的工艺参数和加工参数，再调用机床控制指令来协调机床、顶撑和排架的运动，避免发生干涉。对机床控制指令的决策是根据蒙皮镜像铣数控编程规范，自动决策所添加的控制指令的类型和顺序。

9、将工艺决策结果保存并输出，为后续的操作做准备。

本发明所述的蒙皮特征和加工特征可采用现有技术加以识别，也可采用图7所示的方法加以实现。以图7为例：

一种飞机蒙皮零件特征识别方法，它包括以下步骤：

第一，分析飞机蒙皮结构特点和加工特性，定义各类蒙皮加工特征；

第二，对飞机蒙皮零件进行预设置并构建环特性图和全息属性面边图，预设置主要包括：建立加工坐标系、选定反面标识面以及零件模型输入；定义各类蒙皮加工特征的种子面，基于环特性图和全息属性面边图搜索各类特征的种子面；

第三，对带有碎面的种子面进行优化处理，然后基于反面标识面、种子面及拓展规则进行搜索，搜索出各类特征的所有几何元素，构建出蒙皮加工特征；

第四，提取各类特征信息，得到特征识别结果。

本发明所述的通过分析飞机蒙皮零件结构特点和加工特性，将具有相似工艺和几何信息的几何形体定义为蒙皮加工特征包括定义下陷、通窗、孔和轮廓特征。下陷特征是蒙皮上的浅槽，主要包含顶面、底角面和底面，将下陷特征的底面定义为下陷特征的种子面；通窗特征是蒙皮上需要采用铣削加工铣穿的部位，形状上表现为直径较大(通常大于20mm)的圆形通孔或者不规则孔，主要包含壁面、顶面和底面，将通窗特征的底面定义为通窗特征的种子面；孔特征是蒙皮上需要采用钻削加工钻通的部位，形状上表现为直径较小(通常小于或等于20mm)的圆形通孔，主要包含壁面、顶面和底面，将孔特征的底面定义为孔特征的种子面；轮廓特征是蒙皮零件的理论轮廓边界，用做切边编程的引导线，主要包含轮廓面，将反面标识面定义为轮廓的种子面。

所述的反面标识面的选取依据为：定义蒙皮零件待加工面为正面，正面相对的面为反面，选取蒙皮反面中的任意一个面作为反面标识面。

所述的基于环特性图和全息属性面边图搜索各类特征的种子面是指基于环特性图和全息属性面边图，同时分析面的环特性和拓扑连接关系，拓展出符合各类特征种子面环特性和拓扑连接关系特点的面作为各类特征的种子面。环特性图是指通过分析面所具有的环特性，构建出环特性图，环特性主要指有无内环、有几个内环、每个内环分别有多少条内环边等特性。

所述的对碎面进行优化处理时首先根据曲面是否相连、曲率是否连续及厚度是否相同的判断条件，搜索出满足要求的曲面，将有相连关系的曲面视为碎面，进行优化处理，并形成完整的特征以替换原有的碎面特征，保证下陷特征识别的准确性。

所述的下陷特征构建时首先根据反面标识面找到所有的正面，依据下陷种子面拓展规则遍历正面得到正确的下陷种子面，下陷种子面拓展规则：定义含有内环的正面为中间层面，将只含有外环边的正面且和和中间层面不相连的面拓展为下陷底面，根据下陷的种子面找到正确的底角面，再利用下陷底角面找到正确的下陷顶面。所需提取的下陷特征信息主要包括：下陷的编号、厚度、底面、底角面和顶面。

所述的通窗和孔特征构建时首先根据反面标识面找到所有的反面，通过遍历反面得到带有内环边的曲面作为通窗特征及孔特征的种子面。其中，将内环边数量大于2的反面或内环边数量等于2且直径大于20mm的反面拓展为通窗种子面；将内环边数量等于2且直径小于或等于20mm的反面拓展为孔种子面。再根据种子面找到正确的壁面，再根据壁面找到正确的顶面。所需提取的通窗特征信息主要包括：通窗的编号、通窗深度、底面、壁面和顶面；所需提取的孔特征信息主要包括：孔的编号、底面、壁面、顶面、孔直径、孔深度、孔位置、孔的轴向、精度等级、公差。

所述的轮廓特征构建时首先根据轮廓种子面找到所有的反面，再搜索与反面相邻的所有的面，得到所有的侧面，再从侧面中移除孔和通窗的壁面，即得到了所有的轮廓面。所需提取的轮廓特征信息主要包括：轮廓编号、轮廓面、精度等级。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种基于特征的蒙皮镜像铣削工艺决策方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1、输入工艺决策所需要的基本信息；

步骤2、根据所输入的信息进行加工区域划分；

步骤3、对划分的区域进行特征重构；

步骤4、对每个加工特征的工艺参数的自动决策；

步骤5、对重构后的特征进行加工顺序的自动决策；

步骤6、根据工艺参数构造工艺下陷面；

步骤7、对每个加工特征的进退刀参数进行自动决策；

步骤8、自动决策机床控制指令；

步骤9、将工艺决策结果保存并输出。

2.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的区域划分，由于蒙皮镜像铣设备的特殊工艺需求以及加工过程中为了保证零件的刚性，需要根据区域划分规则对蒙皮进行区域划分，按照划分区域进行分区加工。具体的区域划分规则如下：

首先，为了保证蒙皮零件的加工刚性所分区域尺寸要小于所规定的最大的区域尺寸并且保证零件的刚性。

其次，避免排架与蒙皮镜像铣机床的顶撑装置发生干涉。

最后，为了保证加工特征的完整性，区域划分时避开特征较多的区域。

3.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的特征重构，由于部分划分区域内包含碎面或在区域划分时将一个完整的特征一分为二形成分割曲面，为了保证生成刀轨的正确性，需要对碎面和分割曲面进行重构，得到实际加工所需要的特征。碎面的特征重构方法是先将碎面进行重构，再将拟合后的面添加到特征信息库中，分割曲面的特征重构方法是先提取分割曲面特征再添加到特征信息库中。

4.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的工艺参数的自动决策，根据蒙皮镜像铣数控编程工艺规范，参考基于特征表达工艺规则及工艺方案，进而基于特征进行工艺参数决策。决策的工艺参数主要有刀具、刀具有效切削半径、刀轨间距范围、钻孔深度以及切削参数。

5.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的加工顺序的自动决策，首先按加工区域分步加工，其次根据切削参数将蒙皮零件按照切削分层方法进行加工层次划分，每个加工区域内按照从厚到薄的顺序进行分层加工，再进行钻孔、铣通窗和切边。最后在同一层特征的加工过程中按照路径最短原则进行加工排序。路径最短原则如下：

首先计算每一个划分区域的几何中心C1，然后分别计算出每一个加工特征的中心点P1，P2，P3，……，依次计算几何中心C1和特征中心点P1，P2，P3，……,的距离，找到距离几何中心最远的特征作为第一个加工特征T1，然后搜索与第一个特征T1距离最近的特征作为第二个加工特征T2，再搜索与第二个特征T2距离最近的作为第三个加工特征T3，按此规律进行无重复搜索，搜索后将特征按序号排序，即T1，T2，T3，……。

切削分层方法如下：

取出任意区域的特征识别列表L1，遍历列表L1，找出相邻的两个面F1和F2并分别计算到底面的距离，即为两个面的厚度分别表示为t_b和t_c，上一层面到底面的距离，即为上一层面的厚度，表示为t_a，其中t_b>t_c，函数int(x)，表示对x取整，当面F2单独加工时，可以计算出切削层数为当面F1和面F2一同加工到t_b厚度以后再对F2进行加工时，计算出面F2的切削层数为判断N_new和N_old值的大小，若N_new<N_old，则面F1和面F2可以划分为同一层，若N_new>N_old，则面F1和面F2不可以划分为同一层。

6.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的构造工艺下陷面，将区域划分后的蒙皮零件的反面进行提取，然后将提取的面按照所划分的加工层次依次进行偏置，如果提取面为碎面则需先进行碎面重构，再进行偏置。

7.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的加工进退刀参数进行自动决策，主要用于相邻操作进退刀距离较远时，为了避免顶撑与加工零件发生干涉而在进刀点和退刀点之间插入若干个点，分成多段插入到位，主要决策内容是中间点的个数、位置、每个点的法矢及进退刀参数。

8.如权利1所述的方法，其特征在于，所述的决策机床控制指令，由于蒙皮镜像铣设备的特殊需求，需要先在机床控制指令中输入控制机床的工艺参数和加工参数，再调用机床控制指令来协调机床、顶撑和排架的运动，避免发生干涉。对机床控制指令的决策是根据蒙皮镜像铣数控编程规范，自动决策所添加的控制指令的类型和顺序。