CN104570948A - 航天板类零件孔特征加工方法 - Google Patents

Abstract

一种航天板类零件孔特征加工方法，其特征是先建立零件的加工坐标系，获取航天板类零件中的孔特征，并按特征类型特点进行划分，确定不同类型孔特征的加工方法，获取每一个孔特征的加工区域，确定每一个孔特征的加工驱动，获取每一个加工的驱动线，并设置辅助参数，生成完整的加工刀具轨迹。本发明生成的孔特征加工刀轨准确，能够减少数控编程的重复劳动量，提高零件的编程效率，同时能够提高零件的加工质量。

Description

航天板类零件孔特征加工方法

技术领域

本发明涉及一种零件数控加工方法，尤其涉及航天板类零件孔特征加工方法，主要是一种利用数控机床对航天板类零件中各种类型的孔特征按照其特点和工艺要求进行钻削或铣削的刀轨计算方法，属于CAD/CAPP/CAM技术领域。

背景技术

随着空间探索领域的不断拓展，对宇航产品“高可靠、高质量、轻质化”的需求愈发迫切，具有大量减轻结构特征的板类、框架类薄壁零件得到了广泛应用。但新型复杂航天数控零件，几何特征多、结构复杂、精度要求高，数控加工难度较大；零件种类繁多、改型多，数控程序编制任务量大，重复劳动多等特点，航天板类零件加工的效率和质量将直接影响航天器的质量和制造周期。

航天薄壁板类零件作为航天器重要零部件之一，具有“承上启下”的重要作用，应用广泛，生产当量1000～1500块/年。随着板类零件的大小和复杂程度的不同，孔特征的数量从几十到几百，有的甚至具有上千个孔特征，而且孔特征由于类型、尺寸和工艺要求的不同，不仅增加了孔特征的加工难度，而且加工质量无法保证，在编写数控加工程序时，编程人员劳动量大。尤其是在孔特征比较多的板类零件中，进一步增加了编程人员的重复劳动量。

对于不同类型的孔特征，传统的加工方法是：通过工艺人员判断孔特征的加工方法，然后通过手工的方式选择每一个孔特征的加工驱动，分别设置当前孔特征加工的工艺参数，手动设置完成后，计算每一个孔特征的加工刀轨。由于航天板类零件中孔特征数量多，种类多，工艺要求不一等原因，传统的加工方法不仅编程工作量特别大，而且编程准确性和质量很难保证，造成编程效率低，从而是航天器的制造周期延长。

发明内容

本发明的目的主要是针对航天板类零件的孔特征数控加工编程过程中存在的编程效率低，编程质量无法保证，加工质量不好等问题，发明一种航天板类零件孔特征加工方法，以提高数控加工编程效率和编程质量。

本发明的技术方案如下：

一种航天板类零件孔特征加工方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤1：输入零件实体模型，设定零件加工坐标系；

步骤2：构建输入零件的全息属性面边图；

步骤3：获取孔加工特征，并将孔特征按类型特点进行划分；

步骤4：通过孔特征划分的结果，确定加工方法；

步骤5：构建不同类型孔特征的加工区域；

步骤6：获取孔特征加工驱动线；

步骤7：获取孔特征加工的刀位线；

步骤8：设置不同类型孔特征的加工参数；

步骤9：设置加工操作的进退刀，生成完整的加工刀轨。

所述的孔特征主要是指航天板类零件中用于定位、固定、减轻或作为管路等的通道的圆形或非圆形柱状实体模型，主要包括航天板类零件中比较常见的圆孔、异型孔和沉头孔，各孔特征具有一定的几何元素构成，各几何构成之间具有确定的连接关系。圆孔的几何构成主要包括：顶面T、壁面W和底面B，壁面W是由一段或多段直径相同的圆弧面构成的封闭圆柱面，圆孔具有通孔和非通孔的区别；异型孔的几何构成主要包括：顶面T、侧面S和底面B，侧面S是由圆弧面、平面等组成的封闭的环面，且异型孔贯通零件实体模型；沉头孔由STEP1和STEP2组成，几何构成主要包括：顶面T、壁面W_STEP1、过渡面F、壁面W_STEP2和底面B构成。

所述的获取孔特征是采用自动特征识别的方法进行，通过设置零件的加工环境，根据孔特征几何元素构成和连接关系自动识别加工零件中的孔特征，并确定其对应的几何元素和工艺要求参数。

所述的孔特征划分是依据各类之间的区别，自动的将识别的孔特征分类。圆孔是仅由圆弧面、顶面和底面之间构成的封闭区域；异型孔是由顶面和底面以及其间包含的所有由圆弧面和平面组成的封闭区域，且异型孔是贯通零件实体的；沉头孔是由STEP1圆孔和STEP2圆孔共同构成的一种结构，STEP1和STEP2共轴，且STEP1的孔径大于STEP2的孔径，同时STEP1的广义底面和STEP2的广义顶面是同一个面。

所述的加工方法的确定是依据孔特征的类型和孔特征加工的工艺要求通过程序自动判断所采用的加工方法。异型孔采用铣削的加工方法；圆孔依据直径和将精度要求决定采用钻削或者铣削的加工方法；沉头孔依据SETP1和STEP2部分最小的孔径和孔加工精度要求决定采用铣削的加工方法或者钻铣复合的加工方法。

所述的确定加工区域是在孔特征识别和加工方法确定的基础上，将构成孔特征的顶面、底面和壁面等几何元素之间所包含的区域定义为该孔特征所对应的加工区域。

所述的获取孔特征加工驱动线是依据孔特征类型和加工方法确定孔特征加工的驱动线。钻削加工的驱动线是沿孔特征壁面的轴线；铣削加工的驱动线是每一个孔特征的顶面和底面之间的高度差h，结合铣削加工的切深参数C_D，采用截面法得到孔特征加工的驱动线。

所述的获取孔特征加工的刀位线是以获取的驱动线为基础，钻削加工的刀位线为孔特征顶面和底面之间截取的驱动线部分；铣削加工的刀位线依据铣削刀具的直径和工艺余量自动将驱动线沿所在平面向外偏置得到对应的刀位线。

本发明的有益效果是：

本发明生成航天板类零件孔特征加工刀轨的速度快、准确性高，能够进行批量处理，能够减少编程人员的重复劳动量，提高数控加工的编程效率和编程质量；能够增加加工过程的稳定性，提高零件的加工质量和加工效率。该方法所特有的以加工特征为基础的航天板类零件孔特征刀轨快速生成方法是很多商业化CAM软件无法实现的。

本发明生成的孔特征加工刀轨准确，能够减少编程的重复劳动量，提高零件加工数控编程的效率和质量，同时能够提高零件的加工效率加工质量。

附图说明

图1是本发明的孔特征刀轨快速生成方法的流程图。

图2是本发明获取孔特征的算法流程图。

图3是本发明获取沉头孔特征的算法流程图。

图4是本发明的孔特征示意图，其中A代表圆孔示意图，B代表异型孔示意图，C代表沉头孔示意图。

图5是本发明铣削加工截面法获取驱动线示意图，其中C_D是加工时用户设定的切削深度。

图6是本发明实例中采用的航天板类零件孔特征，图中D是异型孔，E是沉头孔，F是圆孔(贯通)，G是圆孔(非贯通)。

图7是本发明方法得到的加工刀轨图。

具体实施方式

下面结合附图和实施对本发明作进一步的说明。

如图1-7所示。

一种航天板类零件孔特征刀轨快速生成方法，整个步骤如图1所示，它包括以下九个步骤：

步骤1：输入零件实体模型，设定零件加工坐标系。

步骤2：构建输入零件的全息属性面边图。

全息属性面边图是零件实体模型的一种特征化表示形式。它在属性面边图的基础上扩展了零件特征的属性信息，加入了更多特征表示和供特征识别使用的边信息和面信息，其内容包括：

边的信息：边的唯一标识、实边或虚边标识、曲线或直线标识、边属于内环或外环标识、相邻面角度、边角度、边长度等。

面的信息：面的唯一标识、实面或虚面标识、曲面或平面标识、面的主法向、相交面的数量、面的面积、面的内外环个数等。

利用全息属性面边图表示特征识别所需要的所有几何元素的拓扑信息及各个元素间的连接关系，通过引入边角度，面角度可以更加精确地表达面与面之间的连接关系，其中边角度可以表示两邻接面的过渡关系，面角度可以表示两邻接面的位置关系。

步骤3：获取孔加工特征，并将孔特征按类型特点进行划分。

本实施例的航天板类零件孔特征如图6所示，孔特征的获取采用自动特征识别的方法：①零件实体模型的输入和加工坐标系的设定为基础上，首先获取零件实体模型中与设定加工坐标系Z轴垂直的所有水平面；②提取所有水平面中具有内环的水平面，存入面列FaceList中；③从面列FaceList中第i个面开始，得到内环InnerLoopList从第j个内环开始，获取内环InnerLoopList[j]所包含的所有内环边InnerEdgeList；④从第k个边开始，判断当前边是凸边还是凹边，如果存在凹边，跳到步骤④，否则如果全是凸边，继续；⑤获取与凸边相连的另一个面，存入SideFaceList，如果SideFaceList全是圆弧面，跳到步骤⑦，如果SideFaceList中存在平面，跳到步骤⑥；⑥获取与SideFaceList[i]连接的面FaceBottom，且保证FaceBottom不在SideFaceList中，也不是FaceList[i]，如果FaceBottom与SideFaceList[i]为凸连接，得到异型孔特征，存入异型孔列表ProfiledHoleList，否则跳到步骤④；⑦获取与SideFaceList[i]连接的面FaceBottom且保证FaceBottom不在SideFaceList中，也不是FaceList[i]，得到圆孔特征，如果FaceBottom与SideFaceList[i]为凸连接，圆孔特征添加通孔标示IsThrough＝TRUE，如果FaceBottom与SideFaceList[i]为凹连接，圆孔特征添加非通孔标示IsThrough＝FALSE，存入圆孔列表CircularHoleList；⑧判断j是否小于内环InnerLoopFace的数量，如果小于，跳到步骤④；⑨判断i是否小于面列FaceList的数量，如果小于，跳到步骤③。遍历完所有拥有内环的水平面，得到零件模型中的圆孔和异型孔。孔特征获取的算法流程图如图2所示。

获取圆孔特征后，需要依据沉头孔特征的特点从圆孔特征中提取沉头孔特征。①从第i个圆孔特征CircularHoleList[i]开始，获得该圆孔CircularHoleList[i]的底面CircularHoleList[i].BottomFace，设置j＝i+1；②从第j个圆孔特征开始，获取该圆孔特征CircularHoleList[j]的顶面CircularHoleList[j].TopFace，判断两个面CircularHoleList[i].BottomFace和CircularHoleList[j].TopFace是否是同一个面，如果不是，跳到步骤②；③继续判断CircularHoleList[i]和CircularHoleList[j]是否共轴线，且CircularHoleList[i]的孔径大于CircularHoleList[j]，如果不是，跳到步骤②，如果是，则当前两个圆孔共同组成沉头孔，存入沉头孔列表CounterHoleList中，并将当前两个圆孔从圆孔列表中移除，停止当前循环；④判断i是否小于圆孔列表CircularHoleList的数量，如果小于跳到步骤①。遍历完所有的圆孔，得到零件模型中的沉头孔。沉头孔获取的算法流程图如图3所示。

获取完成孔特征的几何元素信息后，进一步获取当前孔特征对应的工艺信息，包括孔中心坐标、孔径大小、孔深度、孔的加工精度等信息。构成完整的加工特征信息。

步骤4：通过孔特征划分的结果，确定加工方法。

通过获取的孔特征信息，异型孔采用铣削的加工方法；圆孔依据工艺要求和工艺人员设定的条件，包括孔径大小和孔加工精度，通过程序确定圆孔采用钻削加工或者铣削加工；沉头孔同样依据工艺要求和工艺人员设定条件，判断采用铣削加工或者钻削和铣削复合的加工方法。

步骤5：确定不同类型孔特征的加工区域。

异型孔特征的几何元素组成了孔特征的加工区域，即该异型孔特征的顶面、侧面和顶面组成异型孔的加工区域；圆孔和沉头孔当底面为平面时，其加工区域也是由几何元素组成，当底面为锥面时，其加工区域是由锥面圆环所在平面和其余几何元素组成。

步骤6：获取孔特征加工驱动线。

孔特征加工驱动线主要依据孔特征的加工方法，当采用钻削加工时，驱动线是当前孔特征所在的轴线；当采用铣削加工时，首先依据孔特征底面和顶面之间的高度差h，结合加工的切深C_D，得到驱动线的层数m。所述驱动线层数m的计算方法是：

$m=\left[\frac{h}{C_D}\right]+1$

式中h为顶面和参照面之间的距离，C_D为加工的刀具切深参数，[]为取整符号。

获得驱动线的层数后，从顶面开始采用截面法，每一层驱动线所在位置的平面与孔特征的加工区域求交，得到孔特征加工区域的驱动线。截面法获取驱动线如图5所示。

步骤7：获取孔特征加工的刀位线。

当采用钻削加工时，刀位线为顶面和工艺底面之间截取的驱动线部分，当底面为锥面时，工艺底面为锥面圆环所在的平面；当采用铣削加工时，依据铣削刀具的直径和工艺余量自动将驱动线沿所在平面向外偏置得到对应的刀位线。

步骤8：设置不同类型孔特征的加工参数。

钻削加工的主要加工参数包括钻削的速度，钻削每一个循环的深度，钻削刀具的选择，以及加工过程中的辅助加工参数；铣削加工的主要加工参数包括铣削加工的进给速度，切削宽度，刀具选择，以及辅助加工参数。

步骤9：设置加工操作的进退刀，生成完整的加工刀轨。

每一个孔特征添加一个加工操作，钻削加工时设置直线进刀和直线退刀；铣削加工时根据刀具直径与孔特征壁面之间的间隙，当距离间隙大于刀具直径时，采用圆弧进刀和圆弧退刀，否则采用直线进刀和直线退刀。设置完成后，每一个操作的刀位线共同组成了完整的孔特征加工刀轨。如图7所示。

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 (6)

1.一种航天板类零件孔特征加工方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤1：输入零件实体模型，设定零件加工坐标系；

步骤2：构建输入零件的全息属性面边图；

步骤3：获取孔特征，并将孔特征按类型特点进行划分；

步骤4：通过孔特征划分的结果，确定加工方法；

步骤5：构建不同类型孔特征的加工区域；

步骤6：获取孔特征加工驱动线；

步骤7：获取孔特征加工的刀位线；

步骤8：设置不同类型孔特征的加工参数；

步骤9：设置加工操作的进退刀，生成完整的加工刀轨。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的获取孔特征是采用自动识别的方法进行，首先以构建的零件全息属性面边图为基础，自动识别零件中与孔特征匹配的几何元素，圆孔主要由顶面、底面和壁面组成，壁面共轴且构成一个柱面，顶面与壁面之间呈凸连接；异型孔主要由顶面、侧面和底面构成，顶面和底面分别与侧面呈凸连接；沉头孔由顶面、底面、过渡面和壁面组成，且能分为STEP1圆孔和STEP2圆孔两部分；然后依据不同孔特征特点和几何元素连接关系，得到圆孔、异型孔和沉头孔，形成完整的孔特征。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的确定加工方法是依据孔特征的类型、加工要求和加工资源的不同，确定异型孔采用铣削加工方法；圆孔依据用户对孔径大小和加工精度的设定选择采用钻削加工或者铣削加工；沉头孔同样依据用户对孔径大小和加工精度的设定选择采用铣削加工或者钻铣复合加工。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的确定不同类型孔特征的加工区域是在所得到的孔特征基础上，将孔特征几何元素之间所包围的区域定义为该孔特征所对应的加工区域。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述获取孔特征的加工驱动线是依据孔特征加工方法，以孔特征壁面所在轴线构建钻削加工的驱动线；以孔特征一个区域之间的高度差h，结合加工的切深参数C_D，采用截面法得到铣削加工的驱动线。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是所述获取孔特征加工的刀位线是依据孔特征加工方法，孔特征顶面和底面之间截取的驱动线部分构成钻削加工的刀位线；按照刀具直径和人工设置的偏置值将驱动线沿其所在平面偏置得到铣削加工的刀位线。