CN110457735B - 一种复杂槽腔特征的粗加工单元计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复杂槽腔特征的粗加工单元计算方法，包括以下步骤：a)导入三维设计模型参数；b)槽腔特征分类识别；c)加工单元的切削状态分析；d)粗加工单元计算。

Description

一种复杂槽腔特征的粗加工单元计算方法

技术领域

本发明属于加工区域计算方法，涉及一种复杂特征的加工单元计算方法，尤其涉及一种航空航天结构件复杂槽腔特征的粗加工单元计算。

背景技术

槽腔结构是现代航空航天结构件中最常见的结构特征，随着结构件的大型化与复杂化，槽腔的粗加工效率与质量直接影响整个结构件的加工效率与质量。目前，大型结构件的加工方式以数控铣削加工为主。基于传统的数控加工编程方法一般仅从几何角度考虑如何精确计算加工区域，避免了实际加工过程中的过切与残留，但通常未考虑如何在保证产品加工质量的前提下提高整体结构件的加工效率。现有的刀具加工路径轨迹优化方法主要是解决刀具实际加工过程的切削稳定性与可靠性。现代复杂航空航天结构件中存在大量相交特征，模型表面几何拓扑信息复杂化，不同特征之间的加工过程可能产生相互关联、相互制约的现象，导致刀具的实际最大加工能力难以充分发挥，严重制约了整体结构件的数控加工效率。

为了提高航空航天结构件复杂槽腔粗加工工步的数控加工效率，本发明提出了一种复杂槽腔特征的粗加工单元计算方法。该方法通过槽腔类型与加工单元切削状态的分析，实现加工单元的优化计算，从而最大程度利用刀具的加工能力，从而提高复杂槽腔的数控加工效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种复杂槽腔特征的加工单元计算方法，包括以下步骤：a)导入三维设计模型参数；b)槽腔特征分类识别；c)加工单元的切削状态分析；d)粗加工单元计算。

优选地，所述步骤a的三维设计模型参数包括实体模型与加工坐标系参数。

优选地，所述步骤b包括以下步骤：b1)槽腔特征自动识别；b2)槽腔特征类型分析。

优选地，所述步骤b1)槽腔特征自动识别的具体方法为：采用属性邻接图定义槽腔特征，基于图匹配的方法实现槽腔特征的自动识别。

优选地，所述步骤b2)槽腔特征类型分析的具体方法为：根据槽腔特征的底面与侧面子特征数量，以及子特征之间拓扑邻接关系实现槽腔分类识别。

优选地，所述步骤b2中的槽腔特征类型包括含有至少一个槽腔底面型、多个槽腔侧面互不邻接型、槽腔侧面规则型以及槽腔侧面不规则型中一种或者几种的结合。

优选地，所述步骤d中的加工单元的切削状态分析包括以下步骤：c1)轮廓导动元、岛屿导动元与约束面等加工单元基本参数的构建；c2)刀具轴向的实际最大切深使用率分析。

优选地，步骤c1的具体方法为：计算分层平面与实体模型的求交结果，其求交结果是零件或毛坯的截平面区域，将该截平面区域称为交面，并将分层平面与零件和毛坯的交面分别称为零件交面和毛坯交面，然后提取零件交面和毛坯交面分别作为轮廓导动元、岛屿导动元，并将分层平置为约束面；

步骤c2的具体方法为：依次提取加工单元的约束面参数信息，判断加工单元的切深深度与刀具最大可行切深的关系，判断实际切深是否等于最大可行切深；若相等，则切削状态置为满刀切削，否则置为非满刀切削。

优选地，所述步骤d针对含有多个槽腔底面型的槽腔采用最大切深驱动的加工单元重构方法。总结上述描述，本发明的一种面向复杂槽腔特征的加工单元计算方法，为结构件数控加工自动编程提供基础技术支持，属于数字化制造与三维快速工艺设计技术领域，获得了以下技术效果：

1、本发明将复杂槽腔特征进行了分类，通过加工单元构建与验证了分类的可行性与必要性；

2、本发明实现了最大切深驱动的加工单元计算方法，最大程度利用刀具的最大加工能力，在不改变加工制造资源的情况下提高复杂槽腔特征的粗加工效率。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为本发明实施例的轴向边界与径向边界示意图；

图2(a)-图2(c)为本发明实施例的槽腔结构的典型加工策略示意图；

图3(a)-图3(c)为本发明实施例的加工区域变化示意图；

图4为本发明实施例的方法流程图。

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。

面向复杂槽腔特征的加工单元计算方法可按照如下步骤实施，如图4所示，包括步骤：

a)导入三维设计模型参数；

b)槽腔特征识别与类型分析；

c)加工单元的切削状态分析；

d)粗加工单元计算。

根据本发明的一个实施例，所述步骤a)包括实体模型与加工坐标系参数的导入。

根据本发明的一个实施例，所述步骤b)首先进行步骤b1)槽腔特征的识别，在进行步骤b2)针对识别的槽腔特征进行类型分析。

根据本发明的一个实施例，所述步骤b1)槽腔特征自动识别的具体方法为：采用属性邻接图定义槽腔特征，基于图匹配的方法实现槽腔特征的自动识别。

根据本发明的一个实施例，所述步骤b2)槽腔特征类型分析的具体方法为：根据槽腔特征的底面与侧面子特征数量，以及子特征之间拓扑邻接关系实现槽腔分类识别。

其中，所述步骤b2中的槽腔特征类型包括含有至少一个槽腔底面型、多个槽腔侧面互不邻接型、槽腔侧面规则型以及槽腔侧面不规则型中一种或者几种的结合。例如，含有一个槽腔底面并且多个槽腔侧面互不邻接的类型、或含有多个槽腔底面并且多个槽腔侧面互不邻接的类型、或含有一个槽腔底面并且槽腔侧面规则型等等。

槽腔特征类型分析主要是提取槽腔侧壁面的边界，并进行边界分析。侧壁面通常是平面或者直纹面(平面是特殊的直纹面)，其u向与v向等参数线至少有一族是直线。直纹面可以看作是直线段在空间连续运动扫掠出的轨迹，面上的这族直线被称为母线。在直纹面上取一条曲线，使得该曲线与所有的母线相交，则称此母线为直纹面的准线。沿准线上每个点的母线方向给定一个非零矢量，则直纹面可采用参数方程可以表示为：

p(u,v)＝ρ(u)+ντ(u)

基于面的参数方程表示，进行轴向边界与径向边界的识别。具体解释如下：假设e表示面f上的一条边，e'表示e在uv参数域上对应的参数线段。若e与u 轴平行，则边e为径向边界，即规则型。若e与v轴平行，则边e为轴向边界，也即规则型。否则，边e为不规则边界。如图1所示，边界AB和CD对应的参数线段AB'和CD'均平行于u轴，因此AB和CD均属于径向边界。边界AC和 BD对应的参数线段AC'和BD'均平行于v轴，因此AC和BD均属于轴向边界。

根据面的边界判断槽腔的类型。若构成面f的边均为轴向边界或径向边界，则该面为规则侧壁面。否则，面f为不规则侧壁面。

综上所述，本发明的创新性之一在于基于边界的几何拓扑分析实现了槽腔类型的分类。针对不同类型的槽腔实际加工过程中的切削状态分析，为槽腔特征的加工单元切削状态分析奠定了基础。

根据本发明的一个实施例，所述步骤c)中的加工单元构建过程可采用分层求交方法计算轮廓导动元、岛屿导动元与约束面的构建。

分层平面与实体模型的求交结果实际是利用平面分割零件实体模型，其求交结果是零件或毛坯的截平面区域，将该截平面区域称为交面，并将分层平面与零件和毛坯的交面分别称为零件交面和毛坯交面。

交面F_α可定义如下：F_α＝(C,(c₁,c₁,…c_m))。其中，C与c_m分别为构成交面F_α的外轮廓环与内轮廓环，且C与c_m分别由一组连续的轮廓边e_i构成。m为内环个数，m≥0。将求交结果的外轮廓环作为加工单元的轮廓导动元、内轮廓环作为岛屿导动元，同时将求交过程中的分层平面作为加工单元的约束面。

根据本发明的一个实施例，所述步骤104)中的加工单元的切削状态分析包括刀具轴向的实际最大切深使用率分析。

针对复杂槽腔，尤其是具有多个底面的槽腔，径向优先与轴向优先是两种典型的加工策略。如图2(b)所示为传统的径向优先加工策略，该策略以平行于槽腔腹板面的平面分割原始复杂加工区域。而轴向优先加工策略采用垂直于腹板面的分割面进行区域划分，见图2(c)。轴向优先加工策略对刀具刃长有更高的要求，且同一表面可能由多个加工操作完成对应材料域的去除，容易出现接刀误差。因此，径向加工策略是目前应用更为广泛的一种策略。

采用径向加工策略时，轴向切深与径向切深是三轴加工过程中的两个重要参数，其中，轴向切深d表示沿刀轴方向上相邻层刀轨之间的距离，而径向切深表示垂直于刀轴向方向上，相邻刀轨之间的距离，如图3所示。令m₁表示一个加工单元，m₁＝(HT,HB,C)，则其实际轴向切深可按以下公式计算：

d＝(HT-HB)/N

因此，可知当(HT-HB)非最大切深整数倍时，实际轴向切深始终小于最大可行切深，因此其切削状态可置为非满刀切削。当(HT-HB)为最大切深整数倍时，实际轴向切深始终等于最大可行切深，因此其切削状态可置为满刀切削。

根据本发明的一个实施例，所述步骤d)根据槽腔的类型识别与切削状态分析采用最大切深驱动的加工单元计算方法。

最大切深驱动的加工单元计算方法如下：

假设M₁和M₂表示同一槽腔的加工单元，z₁与z₂分别表示M₁和M₂的中心点高度，z₂＞z₁。令F表示加工单元的加工面与约束面集合，M₁＝(C₁,HB₁,HT₁)， M₂＝(C₂,HB₂,HT₂)。若M₁和M₂的约束顶面均为软约束，且满足以下条件：

则加工单元M₁和M₂需基于最大刀具的最大加工能力进行几何计算。

此时，M₁需要优化其加工单元的约束面，具体方法即顶层的约束面高度调整为最大可行切深的整数倍n₁：,因此重新构建的加工单元表示如下：

M′₁＝((HB₁+n₁*d_max),HB₁,C)

其中，n₁为M₁的刀具路径轨迹轴向分层数，d_max为允许的最大轴向切深值，HT′₁为重构的约束顶面高度，且HT′₁＞HT₁。易知，HT₁′是在刀具轨迹总长度、刀轨轴向分层数保持不变的情况下，基于最大切深d_max进行优化重构的。如图3(a)所示为加工单元对应的初始加工区域，其轴向切深为d，见图3(b)。图3(c)为重构后的加工区域，该加工区域向刀轴方向扩展了距离ΔH。

综上所述，本发明的创新性之一在于针对此类型的复杂槽腔，根据刀具的实际最大轴向切深值优化重构了加工单元的约束面。因此，实际加工过程中，加工单元的实际切深将无限接近于刀具的实际最大切深，故充分发挥了刀具的最大加工能力，从而在加工制造资源不改变的情况下提高了槽腔的实际加工效率。

以上只是本发明的最佳实施例，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 (1)

1.一种复杂槽腔特征的加工单元计算方法，包括以下步骤：

a)导入三维设计模型参数；

b)槽腔特征分类识别；

c)加工单元的切削状态分析；

d)粗加工单元计算；

所述步骤a的三维设计模型参数包括实体模型与加工坐标系参数；所述步骤b包括以下步骤：b1)槽腔特征自动识别；b2)槽腔特征类型分析；所述步骤b1)槽腔特征自动识别的具体方法为：采用属性邻接图定义槽腔特征，基于图匹配的方法实现槽腔特征的自动识别；所述步骤b2)槽腔特征类型分析的具体方法为：根据槽腔特征的底面与侧面子特征数量，以及子特征之间拓扑邻接关系实现槽腔分类识别；所述步骤b2中的槽腔特征类型包括含有至少一个槽腔底面型、多个槽腔侧面互不邻接型、槽腔侧面规则型以及槽腔侧面不规则型中一种或者几种的结合；所述步骤c中的加工单元的切削状态分析包括以下步骤：c1)轮廓导动元、岛屿导动元与约束面加工单元基本参数的构建；c2)刀具轴向的实际最大切深使用率分析；

步骤c1的具体方法为：计算分层平面与实体模型的求交结果，其求交结果是零件或毛坯的截平面区域，将该截平面区域称为交面，并将分层平面与零件和毛坯的交面分别称为零件交面和毛坯交面，然后提取零件交面和毛坯交面分别作为轮廓导动元、岛屿导动元，并将分层平置为约束面；

步骤c2的具体方法为：依次提取加工单元的约束面参数信息，判断加工单元的切深深度与刀具最大可行切深的关系，判断实际切深是否等于最大可行切深；若相等，则切削状态置为满刀切削，否则置为非满刀切削；

所述步骤d针对含有多个槽腔底面型的槽腔采用最大切深驱动的加工单元重构方法；其中，

最大切深驱动的加工单元计算方法包括：

设M₁和M₂表示同一槽腔的加工单元，z₁和z₂分别表示M₁和M₂的中心点高度，z₂＞z₁；

F表示加工单元的加工面与约束面集合，M₁＝(C₁，HB₁，HT₁)，M₂＝(C₂，HB₂，HT₂)，其中，C₁为构成加工单元M₁交面的外轮廓环，HT₁为加工单元M₁的约束顶面高度，C₂为构成加工单元M₂交面的外轮廓环，HT₂为加工单元M₂的约束顶面高度；

若M₁和M₂的约束顶面为软约束，且满足条件：

其中，F(M₁)为加工单元M₁的加工面与约束面集合，F(M₂)为加工单元M₂的加工面与约束面集合；d_max为允许的最大轴向切深值；

则加工单元M₁和M₂需基于最大刀具的最大加工能力进行几何计算；

M₁需优化其加工单元的约束面，顶层的约束面高度即约束顶面高度HT₁调整为最大可切深的整数倍，重构新建的加工单元表示为：

M'₁＝((HB₁+n₁*d_max)，HB₁，C₁)；

其中，n₁为M₁的刀具路径轨迹轴向分层数，d_max为允许的最大轴向切深值。

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