CN105022346A - 一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，其步骤如下：1)侧转面计算；2)切元计算；3)干涉域构建；4)残留域计算；5)加工单元构建。至此，可实现转角加工数控程序的自动编制。本发明无需编程人员进行繁琐的交互操作和复杂的几何参数计算，只需交互选取任意一转角面，即可完成转角加工数控程序的编制，而且有效避免了技术人员凭借经验交互编程时所造成程序质量较低或不稳定等问题。本技术可显著提高转角加工的效率和质量，缩短产品研制周期，提高产品市场竞争力。

Description

一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法

技术领域

本发明涉及航空制造中的飞机复杂结构件数控加工制造领域，具体来说，是一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法。

背景技术

在现代飞机设计中，为满足高性能的要求，广泛采用性能优越的整体结构件，如壁板、梁、框和翼肋等整体结构。为满足结构重量设计要求，整体结构件中存在大量的槽腔结构，转角是槽腔结构的重要子特征，其加工效率和质量直接影响零件的加工效率和质量。整体结构件具有结构复杂、加工精度要求高、加工难度大等特点，因此，普遍采用数控机床进行加工。然而，转角加工数控程序编制过程中存在操作复杂、交互工作量大、复杂转角几何参数不易计算、程序质量依赖于编程人员的经验和技术水平等特点，而且，数控程序编制所需时间占据转角加工周期的90％以上，其严重影响了转角加工的效率和质量。因此，需研究转角数控加工自动编程技术，以提高转角的加工效率和质量。

转角数控加工自动编程研究，是为了提高转角加工数控程序编制的效率和质量，降低编程工作量，以达到提高转角加工效率和质量的效果。

现有的手动交互编程存在如下不足：

(1)工艺规程繁琐，工作量大，耗费时间长；

(2)程序质量依赖于技术员人员的经验和水平，导致程序编制质量低下或不稳定；

(3)优秀的经验和专家知识难以得到有效的继承；

(4)缺乏对加工方案和加工参数进行有效优化。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，实现飞机复杂结构件转角特征数控加工的自动编程技术，该技术无需进行大量的交互操作和复杂几何参数计算，交互选取转角任意转角面，即可完成转角加工数控程序的自动编制，极大的提高了编程效率，而且，该技术可以有效继承优秀的专家知识和经验，对加工方案和加工参数进行有效的优化，完全摆脱了程序质量依赖于技术人员的经验和水平这一窘境，使程序编制的质量更高、更稳定。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

1)侧转面计算；2)切元计算；3)干涉域构建；4)残留域计算；5)加工单元构建。

所述步骤1)侧转面计算流程包括：①通过转角面自动扩展技术计算出侧转面的所有转角面，即以侧转面任意一转角面为基准，计算基准面的有效面，再以有效面为基准计算下一级有效面，直至获得侧转面的所有转角面；②计算侧转面拉伸轮廓线；③计算侧转面重构参数；④生成符合加工要求的侧转面。

设l_c＝{l_i|i＝1,2,…,n}为转角面f_c的边集合，且n≥3，l_i∈l_c，l_i的共边面集合s＝{f_i|i＝1,2，}不妨设f₁＝f_c,f₂≠f_c，若f₁和f₂满足G²以上连续性，则称l_i为f_c的有效边，f₂为f_c的有效面。

所述步骤2)切元计算流程包括：①入界点p_i和出界点p_o计算，即在转角加工过程中，计算出最先与刀具接触和最后与刀具分离的侧转面顶点；②入界边和出界边计算，入界边：p_i共点关联边中与侧转面轴线平行的转角面边界或与该边界共线的转角面边界；出界边：p_o共点关联边中与侧转面轴线平行的转角面边界或与该边界共线的转角面边界。③切入边和切出边计算，切入边：p_i共点关联边中不属于转角面边界且垂直于侧转面轴线的边；切出边：p_o共点关联边中不属于转角面边界且垂直于侧转面轴线的边；④切入面和切出面计算。

所述步骤3)干涉域构建流程包括：①转角分层轮廓加工导动元素轮廓计算；②切入干涉面和切出干涉面计算；③干涉域顶面、底面及高等参数计算。

所述步骤4)残留域计算流程包括：①转角夹角、半径等参数计算；②根据上把刀具参数及切元参数计算残留域。

所述步骤5)加工单元构建流程包括：①加工域计算，即根据残留域及刀具参数计算转角加工的加工区域；②加工参数计算，包括加工策略参数、加工宏参数、导轨控制参数等；③生成加工单元。

通过上述方法，可实现转角特征数控加工的自动编程，即在CAD/CAM软件环境下，通过选择转角侧转面的任意转角面之后，由本文提出的方法对转角加工的数控程序进行自动编制，并实现转角加工仿真模拟。

本发明的优点在于：

(1)本发明是一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，充分考虑了转角夹角、半径等参数，对其可加工性进行判断，并实现对多转角面转角及存在干涉域结构的转角进行处理，实现对多种复杂类型转角加工数控程序的自动编制，显著提高了转角加工的效率和质量。

(2)本发明是一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，提供了一种转角数控加工编程方法，通过简单的交互选取，即可完成转角加工数控程序自动编制，可显著降低技术人员的工作量、缩短飞机研制周期。

(3)本发明是一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，本技术采用稳定的优化算法，并继承了以往优秀的加工经验和专家知识，对加工方案、加工参数等选取进行优化，使程序质量更高、更稳定。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施案例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所述的交互操作参数输入界面；

图2为本发明实施例所述的一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法的流程图；

图3为本发明实施例所述的转角面自动扩展技术算法流程图；

图4为本发明实施例所述的侧转面的转角面自动扩展实例；

图5为本发明实施例所述的不连续侧转面拉伸轮廓线修正示意图；

图6为本发明实施例所述的导动元轮廓示意图；

图7为本发明实施例所述的转角残留域计算示意图，其中：

图7(a)为本发明实施例所述的转角示意图；

图7(b)为本发明实施例所述的转角残留XY截面示意图；

图7(c)为本发明实施例所述的转角残留XZ截面示意图；

图8为本发明实施例所述的采用本方法加工的各类型转角刀轨仿真示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对发明进行进一步的详细说明，如附图1所示为本发明实施例所述的交互操作参数输入界面，其中“选择程序节点”是工件加工准备工作，“选择连续转角”和“选择不连续多元转角”是选择要加工转角类型，做完准备工作，点击选择加工转角类型按钮后，就可以无限制任意选择该类型转角并对其加工进行自动编程；如附图2所示为本发明实施例所述的飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法流程图。

该方法实现的总流程为：1)侧转面计算；2)切元计算；3)干涉域构建；4)残留域计算；5)加工单元构建。

首先做好工件加工前准备工作，在CAD/CAM系统加工模块下，设置零件的加工坐标系和选择程序节点等操作。

步骤1)侧转面计算

(1)转角面计算

对于连续转角，即转角面组成的区域为连通域，任意选取一转角面，利用转角面自动扩展即可计算出转角的所有转角面。其中图3为转角面自动扩展技术算法流程图；图4为连续转角的转角面计算示意图，其中“①转角面”为任意选取的基准转角面，“②转角面”为第一次扩展获得的转角面，“③转角面”为第二次扩展获得的转角面，“④转角面”为第三次扩展获得的转角面…，一直到获得所有转角面为止。

对于不连续多元转角面，即转角面组成的区域为非连通域，这里采用分而治之的思想，分别选取不连通各部分区域中任意一转角面，分别采用转角面自动扩展技术获得转角的所有转角面。

下面对转角面自动扩展技术所用到的两个概念进行定义：

设l_c＝{l_i|i＝1,2,…,n}为转角面f_c的边集合，且n≥3，l_i∈l_c，l_i的共边面集合s＝{f_i|i＝1,2，}不妨设f₁＝f_c,f₂≠f_c，若f₁和f₂满足G²以上连续性，则称l_i为f_c的有效边，f₂为f_c的有效面。

(2)计算侧转面拉伸轮廓线

对于连通侧转面，柱面轮廓线可通过构造截平面与转角面求交的方式获取；对于非连通侧转面，求交后，需要对不连续的交线进行处理修正，使其成为连续的轮廓线，其中图5为不连续轮廓线处理示意图。

(3)计算侧转面重构参数

轮廓线正向和反向拉伸参数等。

(4)生成符合加工要求的侧转面

步骤2)切元计算

(1)入界点p_i和出界点p_o计算，即在转角加工过程中，计算出最先与刀具接触和最后与刀具分离的侧转面顶点；

(2)入界边和出界边计算，入界边：p_i共点关联边中与侧转面轴线平行的转角面边界或与该边界共线的转角面边界；出界边：p_o共点关联边中与侧转面轴线平行的转角面边界或与该边界共线的转角面边界。

(3)切入边和切出边计算，切入边：p_i共点关联边中不属于转角面边界且垂直于侧转面轴线的边；切出边：p_o共点关联边中不属于转角面边界且垂直于侧转面轴线的边；

(4)切入面和切出面计算。

步骤3)干涉域构建

(1)转角分层轮廓加工导动元素轮廓计算；

导动元素轮廓计算示意图，如图6所示，将转角分层轮廓加工的导动元素轮廓G分为三段：①切入段：以p_is为起点，p_ie为终点的直线段，表示为G_i，刀具沿该段逐步切入侧转面且切宽逐渐增大，长度为l_i；②圆弧段：以p_ie为起点，p_os为终点的圆弧段，表示为G_a，转角加工过渡部分；③切出段：以p_os为起点，p_oe为终点的直线段，表示为G_o，刀具沿该段逐步切出侧转面且切宽逐渐减少，长度为l_o。

(2)切入干涉面和切出干涉面计算；

(3)干涉域顶面、底面及高等参数计算。

步骤4)残留域计算

(1)转角夹角、半径等参数计算；

(2)根据上把刀具参数及切元参数计算残留域。

如图7为某转角特征残留域计算示意图。

5)加工单元构建

(1)加工域计算，即根据残留域及刀具参数计算转角加工的加工区域；

(2)加工参数计算，包括加工策略参数、加工宏参数、导轨控制参数等；

(3)生成加工单元。

对于不同类型转角特征的数控加工，采用上述方案对其数控程序进行自动编程，图8为其刀轨仿真示意图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)侧转面计算；2)切元计算；3)干涉域构建；4)残留域计算；5)加工单元构建。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，其特征在于：

所述步骤1)侧转面计算流程包括：①通过转角面自动扩展技术计算出侧转面的所有转角面，即以侧转面任意一转角面为基准，计算基准面的有效面，再以有效面为基准计算下一级有效面，直至获得侧转面的所有转角面；②计算侧转面拉伸轮廓线；③计算侧转面重构参数；④生成符合加工要求的侧转面。

设l_c＝{l_i|i＝1,2,…,n}为转角面f_c的边集合，且n≥3，l_i∈l_c，l_i的共边面集合s＝{f_i|i＝1,2，}不妨设f₁＝f_c,f₂≠f_c，若f₁和f₂满足G²以上连续性，则称l_i为f_c的有效边，f₂为f_c的有效面。

3.根据权利要求1所述的一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，其特征在于：

所述步骤2)切元计算流程包括：①入界点p_i和出界点p_o计算，即在转角加工过程中，计算出最先与刀具接触和最后与刀具分离的侧转面顶点；②入界边和出界边计算，入界边：p_i共点关联边中与侧转面轴线平行的转角面边界或与该边界共线的转角面边界；出界边：p_o共点关联边中与侧转面轴线平行的转角面边界或与该边界共线的转角面边界；③切入边和切出边计算，切入边：p_i共点关联边中不属于转角面边界且垂直于侧转面轴线的边；切出边：p_o共点关联边中不属于转角面边界且垂直于侧转面轴线的边；④切入面和切出面计算。

4.根据权利要求1所述的一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，其特征在于：

所述的步骤3)干涉域构建流程包括：①转角分层轮廓加工导动元素轮廓计算；②切入干涉面和切出干涉面计算；③干涉域顶面、底面及高等参数计算。

5.根据权利要求1所述的一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，其特征在于：

所述步骤4)残留域计算流程包括：①转角夹角、半径等参数计算；②根据上把刀具参数及切元参数计算残留域。

6.根据权利要求1所述的一种用于飞机复杂结构件的转角数控加工自动编程方法，其特征在于：

所述步骤5)加工单元构建流程包括：①加工域计算，即根据残留域及刀具参数计算转角加工的加工区域；②加工参数计算，包括加工策略参数、加工宏参数、导轨控制参数等；③生成加工单元。