CN109901514A - 面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法，用于解决现有数控工艺优化调整方法效率低的技术问题。技术方案是从加工刀具与切削深度两个方面进行优化调整。在加工刀具方面，对复杂特征的加工刀具组合方案进行优选，并对局部结构加工的刀具进行合并调整，从而减少换刀次数以及缩短走空刀长度。在切削深度参数方面，通过决策合理的切削模式来实现切削深度的优化，获得优化的加工区域，从而能够充分利用刀具加工能力，最终获得高效的数控工艺方案，提升复杂零件的加工效率。

Description

面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法

技术领域

本发明涉及一种数控工艺优化调整方法，特别涉及一种面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法。

背景技术

文献“A dynamic feature–based operation planning method for 2.5-axisnumerical control machining of complex structural parts,Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers,Part B:Journal of EngineeringManufacture,2015,Vol229(7):p1206-1220.”公开了一种基于动态特征的数控加工工艺优化调整算法。该方法利用配置空间来表示并分析特征的加工影响(欠切或干涉)，通过工艺方案的迭代调整来更新优化整体加工工艺。文献所述方法通过对制造特征内的欠缺或干涉进行检测，调整了刀具径向上的工艺参数，未涉及刀具轴向上的工艺参数优化，这使得处理工艺设计过程中频繁换刀、刀具加工性能利用以及走空刀路径长问题的效果仍不佳，这使文献方法对复杂零件加工效率的提升不足。

发明内容

为了克服现有数控工艺优化调整方法效率低的不足，本发明提供一种面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法。该方法从加工刀具与切削深度两个方面进行优化调整。在加工刀具方面，对复杂特征的加工刀具组合方案进行优选，并对局部结构加工的刀具进行合并调整，从而减少换刀次数以及缩短走空刀长度。在切削深度参数方面，通过决策合理的切削模式来实现切削深度的优化，获得优化的加工区域，从而能够充分利用刀具加工能力，最终获得高效的数控工艺方案，提升复杂零件的加工效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、根据特征可重用工艺的加工时间计算结果，以及制造特征间的几何拓扑关系，采用制造特征加工和局部结构加工的刀具优化调整策略，分别对复杂特征与局部结构中加工区域的刀具进行优化调整。

所述制造特征加工的刀具优化调整，其步骤如下：

步骤1)依据刀具加工能力和制造特征的几何特性，将整个制造特征划分为多个加工区域。对于复杂特征划分后的每个加工区域，其包含多个子加工区域，并且对应着一定的几何特性和加工策略，同时在CAM系统中对应生成一个加工操作，因此复杂特征F表示为

MR＝T∪M_S∪D_G

其中，O为所划分的加工区域的个数，MR_s为第s加工区域。MR为加工区域，T为加工刀具，M_S为加工策略，包含加工参数和走刀方式，D_G是驱动几何。

步骤2)根据检索获得的相似实例集，对于每个复杂特征，其对应到多个不同的刀具组合以及不同的区域划分，采用加工时间对特征的刀具组合方案进行优选。切削过程中的总加工时间T_t是由实际加工时间T_m，空走刀时间T_a和换刀时间T_c构成的，具体计算如下：

T_t＝T_m+T_a+T_c

其中，实际加工时间和抬刀时间与所划分的加工区域个数有关，换刀时间与所使用刀具的数量有关。这样，总加工时间具体计算为：

这里，t_ms是第s个加工区域所消耗的加工时间，t_a表示加工过程中单次抬刀时间，n_c为换刀次数，t_c为单次换刀时间。A_k为第k个加工区域的面积，h为加工深度，α为参与切削部分所占刀具直径的比例系数，a_p为切削深度，v_k和f_kz分别为第k个加工区域上的切削速度和每齿进给量，z为刀具齿数。l为抬刀高度，v_a为快速下刀的速度，v_r为快速抬刀的速度。

所述局部结构加工的刀具优化调整，其步骤为：

步骤1)采用加工时间度量一个局部结构中的制造特征是否采用相同刀具进行加工，加工时间计算采用制造特征加工的刀具优化调整中公式。

步骤2)在对大刀具加工效率影响程度不大的情况下，对局部结构加工所使用的刀具进行合并。具体形式化表示如下：

其中，R₁和R₂分别为上层和下层加工区域的刀具半径，R为其中较小值。T_t1和T_t2分别为上层和下层加工区域总的加工时间，δ为给定阈值，避免由于刀具调整使上层区域的加工效率过度下降，影响整体加工效率。

步骤3)当在加工过程中上层仍存在残留加工区域，并影响到下层区域的加工时，下层加工区域加工所用刀具不能与上层加工区域所用刀具进行合并，此时对上层加工区域进行清角后再加工下层加工区域。其表示如下：

Then T(MR_u)≠T(MR_d),

TS＝{T(MR_u),T(UR_u),T(MR_d)}

其中，UR_u为上层区域第一次加工后由于欠切形成的残留区域，MR_d为下层加工区域，T(MR_u)和T(MR_d)分别为上层加工区域MR_u和下层加工区域MR_d所使用的刀具，TS为该局部结构所使用的刀具集合，T(UR_u)为去除上层残留区域所采用的刀具。

步骤二、在获取优化的加工刀具组合后，采用切削深度优化调整策略对切削深度参数进行优化，进一步通过加工刀具、切削深度以及自身轮廓等参数生成优化的加工区域，从而获得优化的数控工艺方案。

所述切削深度的优化调整策略包括以下步骤：

步骤1)在加工刀具选择完成后，及其加工设备与材料一定的情况下，按照恒定切深进行分层加工，将切削模式分为三类：深度优先、层优先以及混合加工。

步骤2)对局部结构中加工区域的面积与体积进行计算，然后引入量化指标体面比VAR来支持优化策略的自动判定与决策，可表示为

VAR＝(H_u/H_l)/(A_u/A_l)

这里，H_u和H_l分别为局部结构中较浅与较深制造特征的加工区域的高度，而A_u和A_l分别为局部结构中较浅与较深制造特征的加工区域的面积。

步骤3)基于计算的加工区域体面比，相应的决策判定规则被制定用于选择切削模式，以获得局部结构加工时优化的切削深度参数。Δ为给定的模式选择判断阈值。具体的判定规则如下：

Rule 1.如果上层特征的加工面积与下层特征相比更占优，即VAR<Δ，局部结构内制造特征的切削模式采用深度优先。

Rule 2.如果下层特征的加工面积与上层特征相比更占优，即VAR>＝Δ，局部结构内制造特征的切削模式采用层优先或混合加工，且刀轴方向上共平面区域合并加工。

Rule 3.特殊情况下，如上层加工有残留干涉下层加工，合并后大量增加加工区域数量等，这时无论VAR的大小，局部结构内制造特征加工时都不能进行合并，即满足以下条件：

这里，UR_u和UR_l分别为上层残留区域和下层待加工区域，Num(·)表示加工子区域的数量，SMR_u和SMR’_u分别是上层特征优化前后的加工子区域。这时，对于上层有残留加工区域的情况，需要增加工步，以避免下层区域加工过程中产生干涉。而对于合并后大量增加加工区域数量的情况，则保留原有的加工方案，以避免合并后加工刀轨变复杂或提到次数增多，影响加工质量与效率。

本发明的有益效果是：该方法从加工刀具与切削深度两个方面进行优化调整。在加工刀具方面，对复杂特征的加工刀具组合方案进行优选，并对局部结构加工的刀具进行合并调整，从而减少换刀次数以及缩短走空刀长度。在切削深度参数方面，通过决策合理的切削模式来实现切削深度的优化，获得优化的加工区域，从而能够充分利用刀具加工能力，最终获得高效的数控工艺方案，提升复杂零件的加工效率。

具体的，1)本发明在保证相似实例的关联工艺的可重用的前提下，进一步通过计算可重用数控工艺的加工时间来对数控工艺方案进行选择，选择结果更加符合零件的实际加工要求。

2)将复杂特征的单层刀具优化扩展到局部结构的多层刀具优化，减少了换刀次数。在最大切削深度的约束下，通过对切削深度进行调整来优化加工区域，刀具加工能力的利用得到提升。相比现有的工艺优化调整方法，本发明更有助于提高复杂零件的加工效率。

3)通过对工艺重用过程中的优化调整，减少了人工干预，增强了工艺重用技术在制造领域的实用性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法的流程图；

图2是本发明实施例制造特征划分加工区域示例图；

图3是本发明实施例局部结构加工的刀具合并示意图；

图4是本发明实施例局部结构加工的刀具不合并示意图；

图5是本发明实施例局部结构的切削模式分类示意图；

图6是本发明实施例局部结构加工切削深度优化示例图。

具体实施方式

参照图1-6。本发明面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法具体步骤如下：

1.制造特征加工的刀具优化调整。

步骤1)依据刀具加工能力和制造特征的几何特性，将整个制造特征划分为多个加工区域。对于复杂特征划分后的每个加工区域，其包含多个子加工区域，并且对应着一定的几何特性和加工策略，同时在CAM系统中对应生成一个加工操作，因此复杂特征F表示为

MR＝T∪M_S∪D_G

其中，O为所划分的加工区域的个数，MR_k为第k加工区域。MR为加工区域，T为加工刀具，M_S为加工策略，包含加工参数和走刀方式，D_G是驱动几何。

例如图2a中复杂型腔P。图2b中将P看作一个加工区域，根据刀具的可达性，采用较小的刀具D4进行加工。如图2c和2d中将P划分为多个加工区域，都采用3把刀具，2次换刀。图2c中划分为2个D8加工的子加工区域，3个D6加工的子加工区域，3个D4加工的子加工区域。而图2d中划分为2个D10加工的子加工区域，2个D5加工的子加工区域，1个D3加工的子加工区域。

步骤2)根据检索获得的相似实例集，对于每个复杂特征，其对应到多个不同的刀具组合以及不同的区域划分，采用加工时间对特征的刀具组合方案进行优选。切削过程中的总加工时间T_t是由实际加工时间T_m，空走刀时间T_a和换刀时间T_c构成的，具体计算如下：

T_t＝T_m+T_a+T_c

其中，实际加工时间和抬刀时间与所划分的加工区域个数有关，换刀时间与所使用刀具的数量有关。这样，总加工时间具体计算为：

这里，N为所划分的加工区域个数，t_mk是第k个加工区域所消耗的加工时间，t_a表示加工过程中单次抬刀时间，n_c为换刀次数，t_c为单次换刀时间。A_k为第k个加工区域的面积，h为加工深度，α为参与切削部分所占刀具直径的比例系数，a_p为切削深度，v_k和f_kz分别为第k个加工区域上的切削速度和每齿进给量，z为刀具齿数。l为抬刀高度，v_a为快速下刀的速度，v_r为快速抬刀的速度。

2.局部结构加工的刀具优化调整。

步骤1)采用加工时间度量一个局部结构中的制造特征是否采用相同刀具进行加工，加工时间计算采用制造特征加工的刀具优化调整中公式。

步骤2)在对大刀具加工效率影响程度不大的情况下，对局部结构加工所使用的刀具进行合并。具体形式化表示如下：

其中，R₁和R₂分别为上层和下层加工区域的刀具半径，R为其中较小值。T_t1和T_t2分别为上层和下层加工区域总的加工时间，δ为给定阈值，避免由于刀具调整使上层区域的加工效率过度下降，影响整体加工效率。

参照图3。其中，F₁的加工面积为14699mm²，初始方案使用D12的刀具进行粗加工；F₂的加工面积为3816mm²，且最小宽度为30mm，初始方案采用D8的刀具进行粗铣加工。本发明中δ设为15％，依据上述规则，将F₁和F₂的加工刀具合并，均采用D8刀具进行加工。

步骤3)当在加工过程中上层仍存在残留加工区域，并影响到下层区域的加工时，下层加工区域加工所用刀具不能与上层加工区域所用刀具进行合并，此时对上层加工区域进行清角后再加工下层加工区域。其具体表示如下：

Then T(MR_u)≠T(MR_d),

TS＝{T(MR_u),T(UR_u),T(MR_d)}

其中，UR_u为上层区域第一次加工后由于欠切形成的残留区域，MR_d为下层加工区域，T(MR_u)和T(MR_d)分别为上层加工区域MR_u和下层加工区域MR_d所使用的刀具，TS为该局部结构所使用的刀具集合，T(UR_u)为去除上层残留区域所采用的刀具。

参照图4。F₃的残留区域UR_3u将影响F₄的加工区域MR_4d的粗加工，依据上述规则可知，F₃和F₄的粗加工过程中不需对两者所使用的刀具进行优化调整。

3.切削深度的优化调整策略。

步骤1)在加工刀具选择完成后，及其加工设备与材料一定的情况下，按照恒定切深进行分层加工，将切削模式分为三类：深度优先、层优先以及混合加工。所述切削模式分类表示具体如下：

①深度优先。参照图5b，特征F₆首先加工到位，然后再加工F₅的两个加工区域MR₁₁、MR₁₂。将深度优先的加工区域MR(F_i,F_j)形式化表示如下：

MR(F_i,F_j)＝(MR_i)∪(MR_j)

z_bi＝z_t-n(ap_max)

z_bj＝z_t-m(ap_max)

这里，F_i和F_j分别是局部结构中深度较浅和较深的制造特征，MR_i和MR_j分别为F_i和F_j的加工区域，SMR_ik和SMR_jk分别为MR_i和MR_j的子加工区域，N和M分别为子加工区域数量。z_t是加工区域的约束顶面，z_bi和z_bj分别是MR_i和MR_j的约束底面，n是MR_i和MR_j的刀轴进给方向。ap_max为所用刀具的最大切削深度，n和m分别是MR_i和MR_j所需的切削层数。

②层优先。参照图5c，特征F₅和F₆的上层MR₃被一次性加工完成，然后F₂的剩余材料MR₄被另一道加工操作去除。具体表示形式为：

MR(F_i,F_j)＝(MR_i)∪(MR_j)

z_bi＝z_tj

z_bi＝z_ti-n(ap_max)

z_bj＝z_tj-m(ap_max)

这里，z_ti和z_tj分别是MR_i和MR_j的约束顶面。

③混合加工。参照图5d，F₆加工时向上扩展一层加工区域，形成加工区域MR₇，此时F₅可以减少一层的走刀，并被拆分为MR₅，MR₆₁，MR₆₂三个加工区域。具体表示形式为：

MR(F_i,F_j)＝(MR_i)∪(MR_j)∪(MR_l)

z_bi＝z_tj＝z_tl

z_bi＝z_ti-n(ap_max)

z_bj＝z_tj-m(ap_max)

z_bl＝z_tb-ap_max

这里，MR_l为拆分出的加工区域，SMR_lk为MR_l的第k个子加工区域。z_tl是MR_l的约束顶面，z_bl是MR_l的约束底面。

步骤2)对局部结构中加工区域的面积与体积进行计算，然后引入量化指标体面比VAR来支持优化策略的自动判定与决策，可表示为

VAR＝(H_u/H_l)/(A_u/A_l)

这里，H_u和H_l分别为局部结构中较浅与较深制造特征的加工区域的高度，而A_u和A_l分别为局部结构中较浅与较深制造特征的加工区域的面积。

步骤3)基于计算的加工区域体面比，相应的决策判定规则被制定用于选择切削模式，以获得局部结构加工时优化的切削深度参数。Δ为给定的模式选择判断阈值。具体的判定规则如下：

Rule 1.如果上层特征的加工面积与下层特征相比更占优，即VAR<Δ，局部结构内制造特征的切削模式采用深度优先。

Rule 2.如果下层特征的加工面积与上层特征相比更占优，即VAR>＝Δ，局部结构内制造特征的切削模式采用层优先或混合加工，且刀轴方向上共平面区域合并加工。

Rule 3.特殊情况下，如上层加工有残留干涉下层加工，合并后大量增加加工区域数量等，这时无论VAR的大小，局部结构内制造特征加工时都不能进行合并，即满足以下条件：

这里，UR_u和UR_l分别为上层残留区域和下层待加工区域，Num(·)表示加工子区域的数量，SMR_u和SMR’_u分别是上层特征优化前后的加工子区域。这时，对于上层有残留加工区域的情况，需要增加工步，以避免下层区域加工过程中产生干涉。而对于合并后大量增加加工区域数量的情况，则保留原有的加工方案，以避免合并后加工刀轨变复杂或提到次数增多，影响加工质量与效率。

参照图6。局部结构S₁的特征F₇的高度和面积分别为H＝8mm，A＝690mm²，特征F₈的高度和面积分别为H＝9mm，A＝3900mm²。局部结构S₂由特征F₉(H＝8mm，A＝4260mm²)，F₁₀(H＝9mm，A＝450mm²)，F₁₁(H＝3.25mm，A＝400mm²)构成。计算可得局部结构S₁和S₂(F₉和F₁₀)的VAR分别为5.02和0.09，本发明中阈值Δ设为1，依据规则1和2可判断，局部结构S₁采用混合加工切削模式，拆分上层加工区域以提高加工效率，而局部结构S₂(F₉和F₁₀)仍采用层优先。特别的，局部结构S₂(F₉和F₁₁)可以采用深度优先或层优先加工，考虑到层优先时拐角较大，可采用深度优先，切削深度分别设置为4mm和3mm。局部结构S₃下层包含多个加工区域，依据规则3，不能对上层加工区域进行拆分，仍采用层优先。另外，局部结构S₃选择的刀具更小些，其ap_max更小，最终设置切削深度分别为2.66mm和2mm来对局部结构S₃进行加工。

Claims (1)

1.一种面向工艺重用的复杂零件数控工艺优化调整方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、根据特征可重用工艺的加工时间计算结果，以及制造特征间的几何拓扑关系，采用制造特征加工和局部结构加工的刀具优化调整策略，分别对复杂特征与局部结构中加工区域的刀具进行优化调整；

所述制造特征加工的刀具优化调整，其步骤如下：

步骤1)依据刀具加工能力和制造特征的几何特性，将整个制造特征划分为多个加工区域；对于复杂特征划分后的每个加工区域，其包含多个子加工区域，并且对应着一定的几何特性和加工策略，同时在CAM系统中对应生成一个加工操作，因此复杂特征F表示为

MR＝T∪M_S∪D_G

其中，O为所划分的加工区域的个数，MR_s为第s加工区域；MR为加工区域，T为加工刀具，M_S为加工策略，包含加工参数和走刀方式，D_G是驱动几何；

步骤2)根据检索获得的相似实例集，对于每个复杂特征，其对应到多个不同的刀具组合以及不同的区域划分，采用加工时间对特征的刀具组合方案进行优选；切削过程中的总加工时间T_t是由实际加工时间T_m，空走刀时间T_a和换刀时间T_c构成的，具体计算如下：

T_t＝T_m+T_a+T_c

其中，实际加工时间和抬刀时间与所划分的加工区域个数有关，换刀时间与所使用刀具的数量有关；这样，总加工时间具体计算为：

这里，t_ms是第s个加工区域所消耗的加工时间，t_a表示加工过程中单次抬刀时间，n_c为换刀次数，t_c为单次换刀时间；A_k为第k个加工区域的面积，h为加工深度，α为参与切削部分所占刀具直径的比例系数，a_p为切削深度，v_k和f_kz分别为第k个加工区域上的切削速度和每齿进给量，z为刀具齿数；l为抬刀高度，v_a为快速下刀的速度，v_r为快速抬刀的速度；

所述局部结构加工的刀具优化调整，其步骤为：

步骤1)采用加工时间度量一个局部结构中的制造特征是否采用相同刀具进行加工，加工时间计算采用制造特征加工的刀具优化调整中公式；

步骤2)在对大刀具加工效率影响程度不大的情况下，对局部结构加工所使用的刀具进行合并；具体形式化表示如下：

其中，R₁和R₂分别为上层和下层加工区域的刀具半径，R为其中较小值；T_t1和T_t2分别为上层和下层加工区域总的加工时间，δ为给定阈值，避免由于刀具调整使上层区域的加工效率过度下降，影响整体加工效率；

步骤3)当在加工过程中上层仍存在残留加工区域，并影响到下层区域的加工时，下层加工区域加工所用刀具不能与上层加工区域所用刀具进行合并，此时对上层加工区域进行清角后再加工下层加工区域；其表示如下：

其中，UR_u为上层区域第一次加工后由于欠切形成的残留区域，MR_d为下层加工区域，T(MR_u)和T(MR_d)分别为上层加工区域MR_u和下层加工区域MR_d所使用的刀具，TS为该局部结构所使用的刀具集合，T(UR_u)为去除上层残留区域所采用的刀具；

步骤二、在获取优化的加工刀具组合后，采用切削深度优化调整策略对切削深度参数进行优化，进一步通过加工刀具、切削深度以及自身轮廓等参数生成优化的加工区域，从而获得优化的数控工艺方案；

所述切削深度的优化调整策略包括以下步骤：

步骤1)在加工刀具选择完成后，及其加工设备与材料一定的情况下，按照恒定切深进行分层加工，将切削模式分为三类：深度优先、层优先以及混合加工；

步骤2)对局部结构中加工区域的面积与体积进行计算，然后引入量化指标体面比VAR来支持优化策略的自动判定与决策，表示为

VAR＝(H_u/H_l)/(A_u/A_l)

这里，H_u和H_l分别为局部结构中较浅与较深制造特征的加工区域的高度，而A_u和A_l分别为局部结构中较浅与较深制造特征的加工区域的面积；

步骤3)基于计算的加工区域体面比，相应的决策判定规则被制定用于选择切削模式，以获得局部结构加工时优化的切削深度参数；Δ为给定的模式选择判断阈值；具体的判定规则如下：

Rule 1.如果上层特征的加工面积与下层特征相比更占优，即VAR<Δ，局部结构内制造特征的切削模式采用深度优先；

Rule 2.如果下层特征的加工面积与上层特征相比更占优，即VAR>＝Δ，局部结构内制造特征的切削模式采用层优先或混合加工，且刀轴方向上共平面区域合并加工；

Rule 3.特殊情况下，如上层加工有残留干涉下层加工，合并后大量增加加工区域数量等，这时无论VAR的大小，局部结构内制造特征加工时都不能进行合并，即满足以下条件：

这里，UR_u和UR_l分别为上层残留区域和下层待加工区域，Num(·)表示加工子区域的数量，SMR_u和SMR’_u分别是上层特征优化前后的加工子区域；这时，对于上层有残留加工区域的情况，需要增加工步，以避免下层区域加工过程中产生干涉；而对于合并后大量增加加工区域数量的情况，则保留原有的加工方案，以避免合并后加工刀轨变复杂或提到次数增多，影响加工质量与效率。