CN110412938B - 基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，依次包括：判断被加工工件特点和型腔转角要求，从三维加工工艺设计系统提取被加工件加工工序模型；通过提取过渡特征的相关几何元素，利用算法自动构建辅助平面，构建过渡特征线段；基于过渡特征线段对过渡特征对应的几何元素进行重构，依据几何元素之间的关系获得准确的刀具进刀位置；将获得的刀具进刀位置坐标赋予加工元，并在加工元信息实体中定义工艺信息，生成加工元信息模型数学表达式；运用精英保留策略的遗传算法对加工元进行优化排序，得到最优刀具走刀路径；最终将得到最优刀具走刀路径匹配对应的加工工步的工艺信息，获得加工工步序列智能化决策结果。

Description

基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法
技术领域
本发明属于数字化加工技术领域，涉及一种加工工步决策方法，具体是一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法。
背景技术
型腔是飞机结构件和模具设计当中常见的一种结构，在实际生产制造中，通常采用数控铣削的方式进行加工。大尺寸多型腔类零件由于其整体轮廓尺寸较大(飞机整体结构件尺寸可达4000mm×2000mm)，型腔数量多并且彼此空间距离远，由此产生的刀具空行程时间是此类零件工艺决策过程中不可忽略的重要因素。多型腔类零件的工艺规划需考虑型腔轮廓及其空间位置关系，在保持切削方式不变的情况下，应尽量减少换刀次数和空行程。
优化刀具空行程时间，实质是对走刀路径的优化，属于工艺路线决策当中的路径优化排序问题，一般可总结为典型的旅行商问题(Traveling Salesman Problem,TSP)。在实际应用中这类问题求解常采用的方法主要包括两种：一种为启发式算法求近似解，比较典型的有：遗传算法、蚁群算法和粒子群算法等；另外一种为基于电磁机制(EM)的算法进行刀具路径规划。这些算法主要存在如下个问题：(1)加工特征距离依赖人工计算。人工计算结果作为优化算法的参数输入，不但智能化程度较低，而且难以保证计算结果的准确性；(2)没有考虑过渡特征对刀具路径规划的影响。过渡特征广泛存在于型腔的转角处，型腔外轮廓过渡特征的数控加工可通过简单的修改刀具偏置参数来实现；而内轮廓加工时，必须由编程人员人为的加一个辅助的过渡圆弧，并且必须保证过渡圆弧半径大于刀具半径，不但增加了数控编程的工作难度，而且稍有疏忽，过渡圆弧半径小于刀具半径时，会因刀具干涉而产生过切，使加工零件报废。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法。
本发明提供了一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，实现过程为：
判断被加工工件是否具备大尺寸、多型腔的特点，并且工艺对型腔转角是否有采用圆角过渡的要求，若均为是，则提取被加工工件加工工序模型；
通过提取被加工工件加工工序模型过渡特征的相关几何元素，利用算法自动构建辅助平面，构建被加工工件的过渡特征线段；
基于被加工工件过渡特征线段对过渡特征对应的几何元素进行重构，在不改变型腔几何形状的前提下，依据几何元素之间的关系获得准确的刀具进刀位置；
将获得的刀具进刀位置坐标赋予加工元，同时，在加工元信息实体中定义加工特征代码、加工方法、制造资源、刀具可进刀方向，生成加工元信息模型数学表达式；
将加工元以遗传编码的形式表达，以加工辅助用时最短为约束条件，利用刀具进刀位置坐标计算加工元之间的空间距离和加工辅助用时；采用基于精英保留策略的遗传算法对加工元进行优化排序，通过基因编码的遗传、交叉、突变，搜索全局范围内的最优加工元序列组合，得到最优刀具走刀路径；
将得到最优刀具走刀路径匹配对应的加工工步的工艺信息，获得加工工步序列智能化决策结果。
其中，过渡特征线段是用过渡特征的终止面剪切不封闭的过渡特征线形成的表示真实加工特征边界的曲线线段；其中，过渡特征线是过渡特征的支持面经过延展相交形成的曲线，过渡特征支持面是通过过渡特征的圆弧面边界线与圆弧面邻接的平面，过渡特征终止面是通过过渡特征的圆弧面尖边与圆弧面邻接的平面。
其中，过渡特征线记为￡，如果过渡特征线￡封闭，则￡是过渡特征简化后的表示真实加工特征边界线；否则，￡是表示加工特征边界线方向的曲线。
其中，过渡特征线段分为边过渡面特征线段和点过渡面特征线段，边过渡面特征线段是过渡特征线与边过渡面相交形成的曲线段，点过渡面特征线段是过渡特征线与点过渡面相交形成的曲线段。
其中，边过渡面特征线段的重建方式为：从点过渡面拓扑边界的变化来看，无论其拓扑边界如何复杂，其周围支持面上与之相关的边的延长线总交于一点，基于该原则，点过渡面特征线段是通过延长与之相邻的边过渡面对应的特征线段至相交实现；点过渡面特征线段的重建方式包括两种，一种是由一条首尾相连的三维曲线形成的封闭曲线，与过渡特征线相同；另一种是非封闭的直线或曲线，由终止平面剪切过渡特征线形成。
其中，基于被加工工件过渡特征线段对过渡特征对应的几何元素进行重构的步骤包括：
选择被加工工件加工工序模型中需要简化的过渡特征；其中，过渡特征包括平面特征、孔特征、型腔特征和圆角过渡特征；
判断过渡特征为点过渡面特征或边过渡面特征，若为点过渡面特征，获取与点过渡面相邻的所有边过渡面特征；若为边过渡面特征，判断是否存在边过渡特征支持面，若不存在，则构建辅助平面；否则将边过渡特征支持面延展至相交,形成过渡特征线；
判断过渡特征线是否为封闭曲线，若为封闭曲线，则该过渡特征线为过渡特征线段；若不是封闭曲线，则判断过渡特征线的邻接面是否有点过渡面，若有点过渡面，则获取与该边过渡面邻接的所有点过渡面，并将上述所有点过渡面的所有边过渡面进行辅助平面构建，进而获得所有过度特征曲线，结合点过渡面定义可知，所有过渡线交于一点，将该点作为初始选择的过渡面对应的过度特征曲线的端点进行计算；若无点过渡面，则用终止面的延展面截取过渡特征线，形成过渡特征线段。
其中，在不改变型腔几何形状的前提下，计算过渡特征终止面与过渡特征线段的交点，得到准确的刀具进刀位置。
区别于现有技术，本发明通过构建过渡特征线段准确并直接地获取型腔件加工特征边界和刀具进刀位置，简化了根据过渡特征半径推算刀具进刀位置的复杂计算过程；通过算法自动匹配型腔加工特征于加工元，结合过渡特征简化方法赋予加工元空间位置坐标，自动计算不同型腔特征的空间距离，实现了三维数模信息与工艺信息的有机结合；以加工辅助用时最短为约束条件，采用基于精英保留策略的遗传算法对加工工步进行优化排序，得到最优刀具走刀路径，实现了加工工步序列的智能化决策，解决现有多型腔类零件工艺规划中无法实现三维数模信息与工艺信息的有机结合的问题，满足数控加工编程对加工工步序列智能化决策的实际需求。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法中过渡特征线段重建的流程示意图。
图3是本发明提供的一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法中遗传算法的流程示意图。
图4是本发明提供的一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法中单点交叉生成子代染色体时单点交叉运算方法的流程示意图。
图5是本发明提供的一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法中构建辅助平面算法的平面选取示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
为了消除圆弧过渡曲面对刀具走刀路径规划的干扰，本发明提出一种提出的过渡特征简化算法，能够在不修改设计模型的前提下，简化过渡特征、获取刀具进刀位置。在此基础上，结合加工元计算不同型腔之间的空间位置距离，采用改进的遗传算法计算不同组合的加工辅助用时，找到最优的加工工步序列，解决了多型腔类零件加工工艺规划及数控加工编程对加工工步序列智能化决策的需求。
如图1所示，本发明提供了一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，该方法的步骤包括：
判断被加工工件是否具备大尺寸、多型腔的特点，并且工艺对型腔转角是否有采用圆角过渡的要求，若均为是，则提取被加工工件加工工序模型。具体的，从三维加工工艺设计系统提取被加工件三维CAD模型和加工工序模型。
从三维加工工艺设计系统提取框类结构件的三维CAD模型、加工特征几何形状、加工零件类型与其成型方法、工件材料类型及硬度、精度与粗糙度要求等加工工序内容与数据。
通过提取被加工工件加工工序模型过渡特征的相关几何元素，利用算法自动构建辅助平面，构建被加工工件的过渡特征线段。
其中，过渡特征线段是用过渡特征的终止面剪切不封闭的过渡特征线形成的表示真实加工特征边界的曲线线段；其中，过渡特征线是过渡特征的支持面经过延展相交形成的曲线，过渡特征支持面是通过过渡特征的圆弧面边界线与圆弧面邻接的平面，过渡特征终止面是通过过渡特征的圆弧面尖边与圆弧面邻接的平面。
过渡面是指通过倒圆角建模操作形成的光滑圆弧曲面，可分为边过渡面和点过渡面。其中，边过渡面是指通过对尖边进行倒圆角操作形成的圆弧曲面；点过渡面是2个或2个以上的边过渡面相交形成的,用于替代尖边交点的圆弧曲面。
过渡特征线记为￡，如果过渡特征线￡封闭，则￡是过渡特征简化后的表示真实加工特征边界线；否则，￡是表示加工特征边界线方向的曲线。
过渡特征线段分为边过渡面特征线段和点过渡面特征线段，边过渡面特征线段是过渡特征线与边过渡面相交形成的曲线段，点过渡面特征线段是过渡特征线与点过渡面相交形成的曲线段。
边过渡面特征线段的重建方式为：从点过渡面拓扑边界的变化来看，无论其拓扑边界如何复杂，其周围支持面上与之相关的边的延长线总交于一点，基于该原则，点过渡面特征线段是通过延长与之相邻的边过渡面对应的特征线段至相交实现；点过渡面特征线段的重建方式包括两种，一种是由一条首尾相连的三维曲线形成的封闭曲线，与过渡特征线相同；另一种是非封闭的直线或曲线，由终止平面剪切过渡特征线形成。
边过渡面特征线段的重建方式为：从点过渡面拓扑边界的变化来看，无论其拓扑边界如何复杂，其周围支持面上与之相关的边的延长线总交于一点，基于该原则，点过渡面特征线段是通过延长与之相邻的边过渡面对应的特征线段至相交实现；点过渡面特征线段的重建方式包括两种，一种是由一条首尾相连的三维曲线形成的封闭曲线，与过渡特征线相同；另一种是非封闭的直线或曲线，由终止平面剪切过渡特征线形成。
如图2示意，基于被加工工件过渡特征线段对过渡特征对应的几何元素进行重构，在不改变型腔几何形状的前提下，依据几何元素之间的关系获得准确的刀具进刀位置。步骤包括：
选择被加工工件加工工序模型中需要简化的过渡特征；其中，过渡特征包括平面特征、孔特征、型腔特征和圆角过渡特征；
判断过渡特征为点过渡面特征或边过渡面特征，若为点过渡面特征，获取与点过渡面相邻的所有边过渡面特征；若为边过渡面特征，判断是否存在边过渡特征支持面，若不存在，则构建辅助平面；否则将边过渡特征支持面延展至相交,形成过渡特征线；
判断过渡特征线是否为封闭曲线，若为封闭曲线，则该过渡特征线为过渡特征线段；若不是封闭曲线，则判断过渡特征线的邻接面是否有点过渡面，若无点过渡面，则用终止面的延展面截取过渡特征线，形成过渡特征线段。
如图5所示，构建辅助平面算法的步骤如下：
选取如图5中所示边过渡面的e1和e2作为基准边界；
过渡面在边界e上任一点的面法矢即为e的支持面的面法矢,且该法矢必过过渡面对应的形心,由此确定出辅助平面的面法矢n；
利用基准边界e和面法矢n重构丢失的支持面。
在不改变型腔几何形状的前提下，计算过渡特征终止面与过渡特征线段的交点，得到准确的刀具进刀位置。
将获得的刀具进刀位置坐标赋予加工元，同时，在加工元信息实体中定义加工特征代码、加工方法、制造资源、刀具可进刀方向，生成加工元信息模型数学表达式。
加工元是以加工特征为核心的工艺信息集合，是描述特征加工过程的最小单位。其内容包括特征信息、加工方法以及加工该特征所需的机床、夹具、刀具、量具等制造资源信息、切削参数和刀具运动模式等。加工元信息模型数学表达式可表示为：
mei＝{fi,MPi,MRi,TAD,Ai(x,y,z)}
式中：
fi为加工元对应的加工特征对象，包含特征名称，类型及其编号。
MPi为加工特征fi对应的加工方法。以加工特征几何形状、加工材料、加工表面精度等级和加工表面粗糙度为主要判断依据，采用产生式规则进行逻辑推理。以一条外圆柱曲面特征的加工方法推理规则为例：IF(加工特征：外圆柱曲面；AND加工材料：铸铁；AND精度等级：11；AND Ra＝20)THEN(加工方法：粗车)。
MRi为加工特征fi对应的制造资源和切削参数。据制造资源加工能力来选择加工特征适宜匹配的制造资源。针对不同制造资源，加工能力信息所包含的内容有所不同。加工能力信息又主要包括机床加工能力信息与刀具加工能力信息。机床加工能力信息主要包括可加工零件类型、工件最大尺寸、材料类型、适用生产批量、拥有的加工方法以及可匹配的刀具、工装等。刀具加工能力信息包括刀具可加工的表面类型、尺寸范围、材料、以及刀具的运动模式等。其中刀具可加工尺寸范围指可加工的极限尺寸。例如：立铣刀加工面最大高度不能大于刀刃长度，加工的过渡特征圆弧半径必大于刀具半径。刀具的运动模式是指刀具可进刀方向，例如：立铣刀采用的是径向进刀，麻花钻只能采用轴向进刀。
TAD为刀具可进刀方向，即刀具的运动模式。其推理过程可分为三步：根据加工方法和刀具，确定刀具的TAD；根据特征的几何信息，确定加工特征的 TAD；加工特征的TAD和刀具的TAD进行匹配。
Ai(x,y,z)为刀具进刀位置坐标。
一个零件的全部加工元构成该零件的加工元集合，表示为：
ME＝{me1,me2,me3,...,men}
通过加工方法、制造资源和刀具可进刀方向的推理与选择生成加工元。
将加工元以遗传编码的形式表达，以加工辅助用时最短为约束条件，利用刀具进刀位置坐标计算加工元之间的空间距离和加工辅助用时；采用基于精英保留策略的遗传算法对加工元进行优化排序，通过基因编码的遗传、交叉、突变，搜索全局范围内的最优加工元序列组合，得到最优刀具走刀路径。
如图3所示，具体操作如下：
构建初始种群。单个加工元或多个加工元构成加工工步，加工工步序列构成遗传初始种群，即mei与fi通过特征编码匹配。
以缩短加工辅助用时为目的，建立优化目标函数：
Figure RE-GDA0002204586820000071
式中:
T——工序加工辅助时间；
n——加工工步个数；
ti——第i个加工工步辅助时间。
加工工步辅助用时ti的计算公式为：
ti＝(Pi+1-Pi)t1i+(Qi+1-Qi)t2i+t3i；(i＝1,2,...,n) (2)
式中：
n——加工工步个数；
t1i——加工件转位时间；
t2i——刀具换刀时间；
t3i——刀具空行程时间；
Pi——第i个加工工步对应的加工方位代码；
Qi——第i个加工工步对应的刀具代码。
当两个连续加工工步的加工方位Pi相同时，加工件不需要转位，那么t1i为零；当加工方位不同时，则需要计算加工件转位时间。当两个连续加工工步采用同一把刀具时，则不需要换刀，那么换刀时间t2i为零；当采用不同刀具时，需要计算换刀时间。因此，公式2满足条件：
Figure RE-GDA0002204586820000081
Figure RE-GDA0002204586820000082
确定适应度函数：
F(x)＝1/f(x)
选择复制概率。Pr取值范围一般设定为0.1～0.2。
确定交叉算子。
确定突变算子及突变转换条件。
确定终止条件。遗传算法常用的终止条件有两个：1.设定迭代次数N，当算法的迭代次数达到规定值时，运算终止；2.当经过若干次迭代运算，最优个体适应度没有明显变化或者变化很小，运算终止。
考虑初始加工工步序列的合理性，尽量不破坏潜在优质基因片段，确定交叉算子采用如图4所示的单点交叉运算方法，步骤如下：
步骤1：选择并排列出两条合理的初始加工工步序列P1和P2，作为执行交叉运算的父代染色体；
步骤2：随机生成一个交叉点，将P1和P2分成左右两部分基因片段；
步骤3：将父代P1交叉点左边部分整体复制到子代个体C1，形成C1的左半部分基因片段；
步骤4：删除父代P2中与父代P1复制基因片段相同的基因，剩余基因按照在P2中的次序以此复制给子代个体C1，构成C1的右半部分，生成完整的子代个体C1。
确定突变算子及突变转换条件时，产生突变的染色体个数通常由突变概率 Pm控制，Pm取值范围一般设定为0.01～0.1。由于基因突变产生的新个体有可能无效，需要根据加工工步约束规则对染色体的有效性加以判断，若有效则加入下一代群体；若无效，则进行转化运算，将无效染色体转化为有效染色体，其转化运算步骤为：
步骤1：根据图3所示的方法排列出一条合理的初始加工工步序列P1作为执行突变运算的染色体；
步骤2：假设染色体长度为n，在区间[1，n]随机产生两个自然数作为基因突变点；
步骤3：将基因突变点处的两组基因编码进行交换，生成新的染色体P2；
步骤4：根据加工工步约束规则对P2进行有效性检验，若有效则将P2作为子代群体进行后续计算；若无效则返回步骤2。
将得到最优刀具走刀路径匹配对应的加工工步的工艺信息，获得加工工步序列智能化决策结果。
本发明对比已有技术具有以下创新点和优点：
通过提取过渡特征的相关几何元素，构建过渡特征线段，准确并直接地获取型腔件加工特征边界和刀具进刀位置，简化了根据过渡特征半径推算刀具进刀位置的复杂计算过程；
定义加工元作为工步决策信息的最小信息实体，通过算法自动匹配型腔加工特征于加工元，结合过渡特征简化方法获得加工元的空间位置坐标信息，用于自动计算不同型腔特征的空间距离，实现了三维数模信息与工艺信息的有机结合；
以加工辅助用时最短为约束条件，采用基于精英保留策略的遗传算法对加工工步进行优化排序，得到最优刀具走刀路径，实现了加工工步序列的智能化决策。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，其特征在于，包括下述步骤：
判断被加工工件是否具备大尺寸、多型腔的特点，并且工艺对型腔转角是否有采用圆角过渡的要求，若均为是，则提取被加工工件加工工序模型；
通过提取被加工工件加工工序模型过渡特征的相关几何元素，利用算法自动构建辅助平面，构建被加工工件的过渡特征线段；
基于被加工工件过渡特征线段对过渡特征对应的几何元素进行重构，在不改变型腔几何形状的前提下，依据几何元素之间的关系获得准确的刀具进刀位置；
将获得的刀具进刀位置坐标赋予加工元，同时，在加工元信息实体中定义加工特征代码、加工方法、制造资源、刀具可进刀方向，生成加工元信息模型数学表达式；
将加工元以遗传编码的形式表达，以加工辅助用时最短为约束条件，利用刀具进刀位置坐标计算加工元之间的空间距离和加工辅助用时；采用基于精英保留策略的遗传算法对加工元进行优化排序，通过基因编码的遗传、交叉、突变，搜索全局范围内的最优加工元序列组合，得到最优刀具走刀路径；
将得到最优刀具走刀路径匹配对应的加工工步的工艺信息，获得加工工步序列智能化决策结果。
2.根据权利要求1所述的基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，其特征在于，过渡特征线段是用过渡特征的终止面剪切不封闭的过渡特征线形成的表示真实加工特征边界的曲线线段；其中，过渡特征线是过渡特征的支持面经过延展相交形成的曲线，过渡特征支持面是通过过渡特征的圆弧面边界线与圆弧面邻接的平面，过渡特征终止面是通过过渡特征的圆弧面尖边与圆弧面邻接的平面。
3.根据权利要求2所述的基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，其特征在于，过渡特征线记为￡，如果过渡特征线￡封闭，则￡是过渡特征简化后的表示真实加工特征边界线；否则，￡是表示加工特征边界线方向的曲线。
4.根据权利要求2所述的基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，其特征在于，过渡特征线段分为边过渡面特征线段和点过渡面特征线段，边过渡面特征线段是过渡特征线与边过渡面相交形成的曲线段，点过渡面特征线段是过渡特征线与点过渡面相交形成的曲线段。
5.根据权利要求4所述的基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，其特征在于，边过渡面特征线段的重建方式为：从点过渡面拓扑边界的变化来看，无论其拓扑边界如何复杂，其周围支持面上与之相关的边的延长线总交于一点，基于该原则，点过渡面特征线段是通过延长与之相邻的边过渡面对应的特征线段至相交实现；点过渡面特征线段的重建方式包括两种，一种是由一条首尾相连的三维曲线形成的封闭曲线，与过渡特征线相同；另一种是非封闭的直线或曲线，由终止平面剪切过渡特征线形成。
6.根据权利要求4所述的基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，其特征在于，基于被加工工件过渡特征线段对过渡特征对应的几何元素进行重构的步骤包括：
选择被加工工件加工工序模型中需要简化的过渡特征；其中，过渡特征包括平面特征、孔特征、型腔特征和圆角过渡特征；
判断过渡特征为点过渡面特征或边过渡面特征，若为点过渡面特征，获取与点过渡面相邻的所有边过渡面特征；若为边过渡面特征，判断是否存在边过渡特征支持面，若不存在，则构建辅助平面；否则将边过渡特征支持面延展至相交, 形成过渡特征线；
判断过渡特征线是否为封闭曲线，若为封闭曲线，则该过渡特征线为过渡特征线段；若不是封闭曲线，则判断过渡特征线的邻接面是否有点过渡面，若有点过渡面，则获取与该边过渡面邻接的所有点过渡面，并将上述所有点过渡面的所有边过渡面进行辅助平面构建，进而获得所有过度特征曲线，结合点过渡面定义可知，所有过渡线交于一点，将该点作为初始选择的过渡面对应的过度特征曲线的端点进行计算；若无点过渡面，则用终止面的延展面截取过渡特征线，形成过渡特征线段。
7.根据权利要求6所述的基于过渡特征简化的多型腔结构件加工工步序列决策方法，其特征在于，在不改变型腔几何形状的前提下，计算过渡特征终止面与过渡特征线段的交点，得到准确的刀具进刀位置。
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