CN108073136A - 一种三轴数控加工的加工域计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三轴数控加工的可加工域计算方法，包括步骤：a)导入待加工工件的参数，所述参数包括工件实体模型和初始加工区域；b)针对所述初始加工区域，基于边的凹凸属性与面的体外法矢量提取所述实体模型上的分割边；c)判断所述初始加工区域是否存在所述分割边：若存在所述分割边，进入步骤d；否则，所述初始加工区域为可加工区域；d)对所述分割边进行界点计算，根据分割边的材料域属性提取有效界边；e)从步骤d获取的所述界点中提取外界点；f)通过分析外界点的可达性，基于具有可达性的所述外界点获取所述可加工区域和/或不可加工区域。

Description

一种三轴数控加工的加工域计算方法

技术领域

本发明涉及一种区域计算方法，尤其涉及一种三轴数控加工的加工域计算方法。该方法为专业化、智能化CAD/CAPP/CAM集成系统“飞机复杂构件快速数控编程系统”提供基础技术支持，属于数字化数控编程技术领域。

背景技术

三轴加工广泛应用于飞机结构件的数控加工，如槽腔粗加工、腹板精加工与侧壁精加工等。目前，针对三轴数控加工的自动编程，仍然存在以下几个问题：1)截面法是3D型腔、曲面加工中常用的加工区域计算方法，该方法的前提是截面上的任意点均具有可加工性，当零件中存在闭角内陷等常见特征时可能产生过切问题。2)刀具路径轨迹规划方法通常直接基于特征的轮廓边界，采用直接偏置法、多边形剖分法以及Voronoi图法等生成刀具轨迹，由于无法保证特征表面处处具有可加工性，因此生成的刀具轨迹可能存在过切问题。

基于特征的自动编程技术目前广泛应用于飞机结构件与模具制造等领域，显著缩短零件制造准备周期并保证数控加工程序的质量。特征识别技术是数控加工自动编程技术的核心关键，自动地从实体模型中提取加工特征及其加工区域，为后续的刀具路径轨迹规划提供基础数据信息。但是，现有特征识别技术往往侧重于从实体模型的几何拓扑角度提取特征的加工区域，而较少结合工艺资源、特征所处全局空间考虑加工区域的可加工性问题。而且，未对加工区域的精确性进行分析，在可加工特征的数控加工过程中仍可能存在过切问题。因此，直接基于特征识别阶段所获取的三轴加工区域进行刀具路径轨迹规划，可能导致刀具加工过程中产生过切现象。例如，复杂飞机结构件槽腔加工、腹板加工过程中可能造成侧壁面上的闭角、内陷特征过切。

综上所述，针对存在内陷、闭角面及开闭角混合特征的飞机结构件，仍缺乏一种通用的加工区域精确计算方法。本发明提出的三轴数控加工的加工域计算方法能有效精确分割初始加工区域中的不可加工区域。根据边的材料域属性分析投影线段之间的关系，降低区域轮廓边界计算的复杂度，避免轮廓边界取舍出错。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种三轴数控加工的加工域计算方法，包括步骤：

a)导入待加工工件的参数，所述参数包括工件实体模型和初始加工区域；

b)针对所述初始加工区域，提取所述实体模型上的分割边；

c)判断所述初始加工区域是否存在所述分割边：若存在所述分割边，进入步骤d；否则，所述初始加工区域为可加工区域；

d)对所述分割边进行界点计算，提取有效界边；

e)从步骤d获取的所述界点中提取外界点；

f)基于所述外界点获取所述可加工区域和/或不可加工区域。

优选地，所述步骤b包括以下步骤：b1)从所述实体模型上提取约束面；b2)由步骤b1获取的所述约束面上提取临界凸边。

优选地，所述步骤b1包括以下步骤：b11)计算所述初始加工区域的包围盒；b12)根据所述包围盒获取所述实体模型上相关的模型表面；b13)计算所述相关的模型表面的体外法矢量。

优选地，所述步骤b2包括以下步骤：b21)由所述约束面上提取凸边，，所述凸边包含临界凸边和非临界凸边；

b22)获取所述凸边的依赖面；b23)判断所述约束面与所述依赖面的体外法矢量关系，根据体外法矢量关系识别临界凸边。

优选地，所述步骤d包括以下步骤：d1)离散步骤b2中的临界凸边获取空间离散线段；d2)将所述空间离散线段投影至所述初始加工区域，获取平面离散线段；d3)将所述平面离散线段求交；d4)由求交结果获取所述平面离散线段的有效界边。

优选地，所述空间离散线段和平面离散线段设置为具有相同的材料域属性。

优选地，所述材料域属性的值设置为1或者-1。

优选地，所述步骤f包括以下步骤：f1)获取步骤e中具有可达性的外界点，即第一外界点；f2)查找所述第一外界点关联的所述平面离散线段的有效界边；f3)由步骤f2中的与第一外界点关联的所述平面离散线段的有效界边获取所述可加工区域和/或不可加工区域。

优选地，所述步骤f1中获取第一外界点的方法为：针对所述第一外界点，从搜索所述第一外界点关联的界边；其中：为第一外界点关联的界边且为所述临界凸边的离散线段。

总结上述描述，本发明的一种三轴数控加工的加工域计算方法针对不同类型的零件均能有效提取三轴加工区域相关的临界凸边，获得了以下技术效果：

1、本发明使得约束面的识别与临界凸边的提取不依赖于特征的具体类别，算法具有通用性；

2、本发明在界边计算过程中基于离散线段之间的材料域关系删除大量不构成区域轮廓的线段，减低了环构造的复杂度；

3、本发明使得区域轮廓构建过程中无需大量的线段关系类型判断与线段取舍判断，提高了算法效率与稳定性；

4、与其他的加工区域计算方法相比，本发明考虑了加工区域全局空间对走刀过程的约束作用，消除了过切问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为根据本发明的三轴数控加工的加工域计算方法的流程图；

图2(1)-(3)为平面空间分割方式示意图；

图3为根据本发明的三轴数控加工的加工域计算方法的凸边分类图:图3(1)-(4)为临界凸边，图3(5)-(8)为非临界凸边；

图4(1)、图4(2)分别为根据本发明的不同材料域属性的原理图；

图5(1)-(3)为界边的不同位置关系图；

图6(1)-(3)为平面离散线段的有效界点有效性判断原理图；

图7为根据本发明的可加工区域轮廓、不可加工区域轮廓以及平面离散线段的有效界边的搜索方向示意图；

图8为本发明的外界点可达性示意图；

图9(1)-(6)为复杂槽腔可加工区域计算步骤示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例，可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

本发明涉及一种区域计算方法，尤其涉及一种三轴数控加工的加工域计算方法。三轴数控加工中刀具在平面内进行往复运动，其加工区域为二维封闭区域，可用平面空间S表示,S是由一组封闭边界(简称环)构成的平面连通区域，记S＝(L_o,{L_i|i＝1,2,...,n})，其中L_o称为S的外环，L_i称为S的内环。平面空间S有体分割、面分割与边分割三种方式，如图2所示的平面空间分割方式示意图,s₁、s₂为平面空间S的子空间，V_f为面的体外法矢量。体对面的分割可视为体上面对平面空间分割结果，对于简单平面或者直纹面，面对平面空间的分割即面上边对平面空间的分割结果，而对于复杂自由曲面即面上脊线对平面空间的分割结果。飞机结构件的侧壁面通常为平面或者直纹面,因此可通过提取模型上的边。利用边分割初始加工区域从而获得复杂槽腔的可加工区域。

本发明假设f_p为模型表面f在初始加工区域S上的投影区域，若则S被面f分割，称f为S的约束面。边e为面f上的边，e_t表示e在加工区域S上的投影，若e_t在加工区域内部或与区域轮廓边界相交，则称e为加工区域S的分割边。

B_S表示加工区域S的二维包围盒，B_S＝(X_min,X_max,Y_min,Y_max)，z_max表示零件模型最高点的z坐标，z_s表示加工区域S的z坐标，C_S表示加工区域S的全局空间，C_S＝(x_min,x_max,y_min,y_max,z_s,z_max)。当全局空间C_S中存在约束面时，刀具运动的扫掠体必然与约束面相交，此时刀具加工过程会产生过切现象。因此，初始加工区域为可加工区域的充要条件是全局空间中不存在约束面。

由此可知，e_t表示分割边e在S上的投影线，Θ为e_t上任意点p的极小邻域。若边e可将平面空间分为可加工区域与不可加工区域，则Θ内至少存在两个不同的点p_a与p_b，使得过p_a与p_b的Z向(三轴加工的刀轴方向)射线不与面f₁与f₂相交。

实体模型上的边可分为凹边、切边与凸边三大类，对于凹边与切边，其投影边界能够有效分割加工区域，但不满足以上性质。本发明将满足以上性质的凸边称为临界凸边，如图3中根据本发明的三轴数控加工的加工域计算方法的凸边分类图的(1)～(4)所示的边，图3(5)～(8)为非临界凸边，其中，V₁、V₂分别为面f₁、f₂的体外法矢量。由于工件实体模型的复杂性，复杂加工区域的临界凸边数量较多且关系复杂。为了计算可加工区域的轮廓边界，需将临界凸边投影至所述初始加工区域所在平面。由于投影线段数量众多、线段之间的关系复杂，难于仅从几何角度准确拾取有效线段从而构成封闭区域。因此，引入边的材料域属性，提高边界线拾取的效率与准确性。

记e_t为临界凸边e的投影直线段，即e_t＝(p₁,p₂)，其中p₁、p₂分别为e_t的起始与终止点，Θ_p表示线段e上任意点的极小领域，Θ_p ⁺、Θ_p ^-分别为方向的左侧、右侧邻域，如图4所示的材料域属性的原理图，UMA表示不可加工区域、MA表示可加工区域。令α为e的材料域属性，若Θ_p ⁺内的任意点的Z向射线均与边依赖面f₁、f₂相交且Θ_p ^-内的任意点的Z向射线不与f₁、f₂相交，则左侧为材料域α取值为1。反之，右侧为其材料域，α取值为-1。

如图1所示，为本发明的一种三轴数控加工的加工域计算方法，包括步骤：

101)导入待加工工件的参数，所述参数包括工件实体模型和初始加工区域；

102)针对所述初始加工区域，基于边的凹凸属性与面的体外法矢量提取所述实体模型上的分割边；

根据本发明的一个实施例，所述步骤102包括以下步骤：

b1)从所述实体模型上提取约束面；根据本发明的一个实施例，所述步骤b1包括以下步骤：

b11)计算所述初始加工区域S的包围盒B_S；

b12)根据所述包围盒B_S剔除大量不相关的模型表面，获取所述实体模型上相关的模型表面；

b13)计算所述相关的模型表面的体外法矢量，即计算各面的体外法矢量与Z轴正向的夹角θ，若θ≤90°，则该面为加工区域S的约束面，否则非约束面。

b2)由步骤b1获取的所述约束面上提取临界凸边；

根据本发明的一个实施例，所述步骤b2包括以下步骤：

b21)由所述约束面f₁上提取凸边，其体外法矢量V_f1与Z轴正向的夹角为θ₁，所述凸边包含临界凸边和非临界凸边；

b22)获取所述凸边的依赖面，即提取凸边的另一依赖面f₂，其体外法矢量V_f2与Z轴正向的夹角为θ₂，；

b23)判断所述约束面与所述依赖面的体外法矢量关系，根据体外法矢量关系确认临界凸边，即当临界凸边e满足(θ₁≥90°∧θ₂≤90°)∨(θ₂≥90°∧θ₁≤90°)时，e为加工区域S的临界凸边。

103)判断所述初始加工区域是否存在所述分割边：若存在所述分割边，进入步骤104)；否则，所述初始加工区域为可加工区域；

由于临界凸边并非直接构成可加工区域、不可加工区域的轮廓边界，而且不同凸边在初始加工区域上的投影可能存在相交、相离与邻接等关系。因此，分割边提取后需进行界点与界边计算。

104)对所述分割边进行界点计算，根据分割边的材料域属性提取有效界边；

根据本发明的一个实施例，所述步骤104包括以下步骤：

d1)离散步骤b2中的临界凸边获取空间离散线段；

由于零件的复杂性，分割边可能为直线、圆弧或者自由曲线。因此，在投影之前对非直线类型的分割边进行离散化处理。为了保证等值空间的精度，根据边的曲率半径与长度确定离散步长ε，ε取值参考范围如下式(1)所示。其中，R_min、L_min分别为所有分割边的最小曲率半径与最短长度。

ε＜R_min/2.0∧ε＜L_min/2.0 (1)

离散化后得到一系列直线段，各线段的材料域属性与离散前保持不变。对于任意外环的正向边，其材料域属性α均为1、负向边的材料域均为-1。对于任意内外的正向边，其材料域属性α均为-1、负向边的材料域均为1。本发明记e_i为环L上的边，p₁、p₂分别为边e_i的起始、终止点。若点p₂在方向的下一条边e_i+1上，则称e_i为正向边，否则称e_i为负向边。

d2)将所述空间离散线段投影至所述初始加工区域，获取平面离散线段；

d3)将所述平面离散线段求交；

d4)由求交结果获取所述平面离散线段的有效界边。

105)从步骤104)获取的所述界点中提取外界点；

将分割边投影线段之间的交点称为主界点，并将分割边投影线段与平面空间S外轮廓的交点称为外界点、与内轮廓的交点称为内界点。界点计算即通过线段求交计算，获取主界点、外界点与内界点。由于投影线段数量众多，直接进行求交计算将导致算法效率低下。采用包围盒方法，直接删除掉大量不相交的线段而后进行两两求交计算。两条相交的边可以分为三种类型，如图5所示的界边的位置关系图，并对三种界点的有效性进行了分析：

图5(1)为邻接型。假设交点q同时为边e₁的终点与e₂的起点，若e₁与e₂的材料域属性相等(α同为1或-1)时，e₁与e₂能够将平面分割为两部分，则交点q始终为有效界点。若e₁与e₂的材料域属性不相等时，仅当交点q为外界点时，e₁与e₂能够将平面空间分割为不同属性的子空间，此时q为有效界点，如图6所示的平面离散线段的有效界边判断原理图，S为平面空间，S₁为子空间，p_1-4为e₁和/或e₂的起点和/或终点。

图5(2)和图5(3)分别为搭接型与相交型。此时无论e₁与e₂的材料域属性是否相等，且不论交点q为主界点、外界点或内界点，e₁与e₂均能有效分割平面空间，即此类型的交点均为有效界点。

(3)界边计算。界点将两两相交的平面离散线段分割成若干个子线段，将构成可加工区域、不可加工区域的子线段称为界边。界边计算是获取所有子线段并依次判断其是否为界边的过程。对于三轴数控加工，可加工区域的轮廓边界存在以下性质。

若S为可加工区域，则S的轮廓边界上任意点的Z向射线与实体模型表面的关系只有相离或相触，相离即射线不与面相交，相触即射线与面相交且交点在表面轮廓边界上。

记Q为有效界点，q为e₁与e₂的交点，为界边，为无效子线段。界边的计算方法如下：点q将线段e₁与e₂拆分为e₁₁、e₁₂、e₂₁与e₂₂四条子线段，通过判断端点是否在材料域内确定子线段是否为界边。例如，对于e₁的子线段e₁₁与e₁₂，若e₁₁的端点均不位于e₂的材料域内则e₁₁为界边，若e₁₂的端点均不位于e₂的材料域内则e₁₂为界边。

判断点p在边e的材料域内外的方法：记V_e为e正方向的矢量方向，V_p为e的起点p₁至点p的矢量方向，V＝V_e^V_p，V_z为Z轴正方向矢量，V与V_z的夹角为θ，则：

根据本发明的一个实施例，所述空间离散线段和平面离散线段设置为具有相同的材料域属性。

根据本发明的一个实施例，所述材料域属性的值设置为1或者-1。

106)通过分析外界点的可达性，基于具有可达性的所述外界点获取所述可加工区域和/或不可加工区域。

通过界边计算后，可获得一系列散乱无序离散线段。单段线段与初始加工区域轮廓的关系有：包含与相交两种。连续分割边表示一组邻接的分割边投影线段，且首尾分割线段与轮廓边界相交即存在首尾两个外界点。令E_C表示一段连续分割边，E_C＝({e_i|i＝1,2…,n},Q₁,Q_n)，其中e_i表示分割边的投影线段，Q₁、Q_n分别表示e₁、e_n与轮廓离散线段的外界点。可知，一组连续分割边即构成依次分割，将原加工区域分为可加工与不可加工区域。因此，可加工区域与不可加工区域构建的方法是：首先，遍历外界点并分析其可达性，然后基于具有可达性外界点进行连续分割边查找。然后，基于有效连续分割边的界点进行扩展搜索邻接线段，构建封闭区域。根据本发明的一个实施例，所述步骤f包括以下步骤：

f1)获取步骤e中具有可达性的外界点，即第一外界点；

所述步骤f1中获取第一外界点的方法为：针对所述第一外界点，从搜索所述第一外界点关联的界边；

其中：为第一外界点关联的界边且为所述临界凸边的离散线段。

连续分割边的查找分为外界点可达性分析与扩展关联分割边两个步骤。外界点的可达性定义如下。

Q_a表示有效外界点， 为界点Q关联的界边且为初始加工区域轮廓的离散线段。扩展搜索的临接界边直至遇到有效外界点Q_b停止，若扩展搜索过程中的所有边界均为界边则Q_a与Q_b均具有可达性，若存在边界非界边则Q_a不具可达性。

如图7所示，对于每个有效外界点，从开始搜索界点关联的连续分割边，为界点关联的界边且为临界凸边的离散线段。从开始搜索可加工区域的轮廓边界，为界点关联的界边且为初始加工区域的离散线段。从开始搜索不可加工区域的轮廓边界，为初始加工区域的离散线段且非界边。如图8所示，界点Q₁沿其可加工区域轮廓搜索方向搜索到Q₂过程中获取的所有线段均为界边，因此Q₁与Q₂均为有效外界点。界点Q₃、Q₄分别沿其可加工区域轮廓搜索方向搜索Q₁与Q₂过程中获取的所有线段中含非界边的子线段，因此界点Q₃与Q₄不具可达性。

可达性判断后，遍历所有具有可达性的外界点，沿着各界点的连续分割边搜索方向扩展搜索界边直至遇到具有可达性的外界点则停止搜索，扩展搜索过程中获取的所有界边构成一段连续分割边E_C。

f2)查找所述第一外界点关联的所述平面离散线段的有效界边；

f3)由步骤f2中的与第一外界点关联的所述平面离散线段的有效界边获取所述可加工区域和/或不可加工区域。

连续分割组成边是将原始加工区域一分为二，因此一组连续分割组成边对应一个不可加工区域，而可加工区域可能有多组连续分割边与原始区域轮廓边界构成。

不可加工区域为：对于任意连续分割边E_C＝({e_i|i＝1,2…,n},Q₁,Q_n),沿着Q₁的不可加工区域轮廓搜索方向递归搜索相邻的非界边线段e′_i，直至Q_n为线段e′_i的界点时停止递归搜索过程。令E′表示递归搜索过程获取的线段集合，E′＝{e′_i|i＝1,2…,n}。其中，e′_i均为初始加工区域轮廓边界的离散线段。E_C与E′构成一个封闭的二维不可加工区域S。

可加工区域为：对于任意连续分割边E_C＝({e_i|i＝1,2…,n},Q₁,Q_n),沿着Q₁的可加工区域轮廓搜索方向递归搜索相邻的界边e′_i，直至Q_n为界边e′_i的界点时Q_n停止递归搜索过程。令E′表示递归搜索过程获取的线段集合，E′＝{e′_i|i＝1,2…,n}。其中，e′_i均为初始加工区域轮廓边界的离散线段或其余连续分割边的界边。E_C与E′构成一个封闭的二维可加工区域S。

基于上述原理，可加工区域的精确计算过程如图9所示。图9(1)为初始加工区域，通常在特征识别阶段从工件实体模型上直接提取获得。图9(2)中的e₁、e₂、e₃、e₄、e₅与e₆为所述初始加工区域的临界凸边的投影线段，且e₁与e₃的材料域属性为-1，其余线段的材料域属性为1,p_1-12为e_1-6的起点和/或终点。图9(3)为界点计算示意图，其中包含12个外界点、6个内界点与3个主界点。图9(4)为临界边界计算示意图，其中包含3段独立连续的临界边界。图9(5)与图9(6)分别为所计算的不可加工区域与可加工区域。

本发明的三轴数控加工的加工域计算方法：1)提出了约束面、临界凸边的概念，约束面的识别与临界凸边的提取不依赖于特征的具体类别，算法具有通用性；2)赋予了临界凸边材料域属性，在界边计算过程中基于离散线段之间的材料域关系删除大量不构成区域轮廓的线段，减低了环构造的复杂度；3)通过外界点的可达性分析方法，准确地构建可加工区域与不可加工区域的临界边界(连续分割边)，并基于临界边界通过扩展关联实现可加工区域与不可加工区域的构建。因此，区域轮廓构建过程中无需大量的线段关系类型判断与线段取舍判断，提高了算法效率与稳定性；4)与其他的加工区域计算方法相比，本文考虑了加工区域全局空间对走刀过程的约束作用，消除了过切问题。

以上只是本发明较佳的实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (9)

1.一种三轴数控加工的加工域计算方法，包括步骤：

a)导入待加工工件的参数，所述参数包括工件实体模型和初始加工区域；

b)针对所述初始加工区域，提取所述实体模型上的分割边；

c)判断所述初始加工区域是否存在所述分割边：若存在所述分割边，进入步骤d；否则，所述初始加工区域为可加工区域；

d)对所述分割边进行界点计算，提取有效界边；

e)从步骤d获取的所述界点中提取外界点；

f)基于所述外界点获取所述可加工区域和/或不可加工区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤b包括以下步骤：

b1)从所述实体模型上提取约束面；

b2)由步骤b1获取的所述约束面上提取临界凸边。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤b1包括以下步骤：

b11)计算所述初始加工区域的包围盒；

b12)根据所述包围盒获取所述实体模型上相关的模型表面；

b13)计算所述相关的模型表面的体外法矢量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤b2包括以下步骤：

b21)由所述约束面上提取凸边，所述凸边包含临界凸边和非临界凸边；

b22)获取所述凸边的依赖面；

b23)判断所述约束面与所述依赖面的体外法矢量关系，根据体外法矢量关系识别临界凸边。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤d包括以下步骤：

d1)离散步骤b2中的临界凸边获取空间离散线段；

d2)将所述空间离散线段投影至所述初始加工区域，获取平面离散线段；

d3)将所述平面离散线段求交；

d4)由求交结果获取所述平面离散线段的有效界边。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述空间离散线段和平面离散线段设置为具有相同的材料域属性。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述材料域属性的值设置为1或者-1。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤f包括以下步骤：

f1)获取步骤e中具有可达性的外界点，即第一外界点；

f2)查找所述第一外界点关联的所述平面离散线段的有效界边；

f3)由步骤f2中的与第一外界点关联的所述平面离散线段的有效界边获取所述可加工区域和/或不可加工区域。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤f1中获取第一外界点的方法为：针对所述第一外界点，基于搜索所述第一外界点关联的界边；

其中：为第一外界点关联的界边且为所述临界凸边的离散线段。