CN113435086A - 面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法及系统 - Google Patents

面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法及系统，包括：构造零件的隐式水平集函数模型、标示分工序加工区域的水平集子函数、增材头和刀具的参数化隐式水平集函数模型；构造工序规划优化问题模型，以最小化零件分割界面面积为目标函数，以加工完整性、增材头可达性、切削刀具可达性为约束条件；求解工序规划优化问题的目标函数和各约束条件的敏感度信息，进而获得标示分工序加工区域的水平集子函数的演化速度场；更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，进而实现增减交替工序的演化及合并更新；检查收敛条件，以符合收敛条件的最优解为所获得的增减交替加工序列。

Description

面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法及系统
技术领域
本发明涉及一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法及系统，属于增减材复合制造领域。
背景技术
增减材复合制造技术(Additive/Subtractive Hybrid Manufacturing)是基于增材制造技术和CNC减材制造技术提出的一种先进复合制造技术。由于增减材复合制造技术融合了增材与减材制造工艺，故而该技术兼顾增材与减材制造工艺的优点，一次装夹可实现多特征、多形面的增减一体化制造，能够直接获得结构复杂、形状精度和表面质量高的机械零件，在航空航天、核能、石油、生物医药等国民经济重要领域有广阔的应用前景。
目前，增减材复合制造增减交替工序规划方法的发展不足是制约增减材复合制造技术发展的重要瓶颈问题。现有的增减交替工序规划方法自动化程度低，如主流的NXHybrid Additive Manufacturing Software为增或减提供了有力的工艺规划能力，但零件的分割和增减交替工序的排列依赖于使用者的手动操作，极大地制约了增减材工艺的复杂件加工能力。因此研发一种增减材复合制造增减交替工序的自动规划方法具有重要意义。
目前，关于增减材复合制造增减交替工序规划的方法以基于2.5D特征的零部件为对象，对其进行增减特征的识别与分解，然后以时间或成本为目标进行增减交替加工顺序的排列。上述方法应用对象几何构形简单，特征识别与分解等关键步骤需要大量人工介入，自动化程度低。因此，增减交替工序的自动规划是发展增减材复合制造技术所面临的核心问题。
发明内容
针对现有工序规划方法存在的问题，本发明提供一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法、系统，能够为具有任意拓扑形体的复杂结构零件提供可行的增减交替工序规划方案。
为实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提出了一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，包括以下步骤：
建立目标零件的隐式水平集函数模型，在所述模型内部构造标示分工序加工区域的若干有序水平集子函数；建立增材头和刀具的参数化隐式水平集函数模型；
构造工序规划优化问题模型，以最小化零件分割界面面积为目标函数，以加工完整性、增材头可达性、切削刀具可达性为约束条件；
求解所述目标函数和各约束条件的敏感度信息，进而获得标示分工序加工区域的水平集子函数的演化速度场；
基于演化速度场，更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，进而实现增减交替工序的演化及合并更新；
检查收敛条件，以符合收敛条件的最优解为所获得的增减交替加工序列。
第二方面，本发明还提出了一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划系统，包括以下步骤：
第一模块，被配置为构造零件的隐式水平集函数模型、标示分工序加工区域的水平集子函数、增材头、刀具的参数化隐式水平集函数模型；
第二模块，被配置为构造工序规划优化问题模型，以最小化零件分割界面面积为目标函数，以加工完整性、增材头可达性、切削刀具可达性为约束条件；
第三模块，被配置为求解工序规划优化问题的目标函数和各约束条件的敏感度信息，进而获得标示分工序加工区域的水平集子函数的演化速度场；
第四模块，被配置为更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，进而实现增减交替工序的演化及合并更新；
第五模块，被配置为检查收敛条件，以符合收敛条件的最优解为所获得的增减交替加工序列。
上述方法或者系统中，水平集函数满足符号距离场特性，其中，正值标示零件内部或增材加工区域内部，负值标示零件外部或增材加工区域外部，0值表示零件或所划分增材区域的边界，通过工序规划优化问题的敏感度信息控制代表不同增材区域的水平集子函数的演化，保证这些分工序增材加工区域间不存在交集，同时各增材工序加工区域的并集可填满目标零件的完整材料域，且满足各加工区域分割界面面积最小，从而最终得到最优的增减交替加工序列。
如上所述的一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法或者系统，增减交替工序自动规划问题的前处理，包括以下内容：
对任意零件进行体素化处理，然后基于材料分布，构造符号距离场函数，建立目标零件的隐式水平集函数模型；
在目标零件材料域内，建立若干有序的水平集子函数，每一个子函数对应于一个增材制造分工序的材料加工区域；
建立增材头和切削刀具的参数化隐式水平集函数模型。
如上所述的一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法或者系统，以所划分的增材工序加工区域间边界面积最小为优化目标，设置加工完整性约束、增材头可达性约束、切削刀具可达性约束，建立所述的目标函数和约束条件。
如上所述的一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法或者系统，所述求解工序规划优化问题的目标函数和各约束条件的敏感度信息，进而获得标示分工序加工区域的水平集子函数的演化速度场，主要包括以下内容：
运用拉格朗日乘子法，将目标函数和约束条件构造为拉格朗日函数；
对拉格朗日函数推导得到敏度方程；
根据拉格朗日函数的最速下降原则，获得零值水平集轮廓的演化速度场，确保拉格朗日函数的严格下降趋势。
如上所述的一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法或者系统，所述更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，主要包括以下内容：
基于前述获得的速度场，求解哈密顿—雅可比方程以更新所述的各水平集子函数；
调入合并机制，检查合并条件，决策各水平集子函数之间是否可合并，从而减少水平集子函数的数量。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法。
第四方面，本发明还提供了一种电子终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行所述的面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明利用水平集方法的隐式几何建模与界面演化能力，完成零件几何形体和分割方案的隐式几何建模思路，弥补了现有工序规划方法以显示几何模型为基础、在零件识别及分割方案的拓扑自由度上的不足。
2)本发明利用水平集方法，以工序规划问题敏度信息驱动的隐式界面演化为核心，完成增减工序的渐进演化，实现水平集方法框架下任意复杂结构零件的增减交替工序规划。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明增减材复合制造增减交替工序自动规划方法流程图；
图2(a)为本发明目标零件体素化示意图；
图2(b)为本发明目标零件隐式水平集函数建模示意图；
图2(c)为本发明水平集子函数建模示意图；
图2(d)、图2(e)为本发明增材头及切削刀具隐式水平集函数建模示意图；
图3为本发明各水平集子函数演化示意图；
图4为本发明水平集子函数合并示意图；
图5为零件增减交替工序规划方案示意图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所介绍的，现有技术中针对任意复杂结构零件的增减材制造，增减交替工序规划主要依靠人工，为了解决上述技术问题，本发明提出了一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法及系统。
实施例1
本发明的一种典型实施方式中，参考图2(a)、图2(b)所示零件，一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，包括如下内容：
基于水平集方法进行增减交替工序规划问题的前处理，包括基于材料分布建立零件的隐式水平集函数模型、构造标示分工序加工区域的若干有序水平集子函数、建立增材头和刀具的参数化隐式水平集函数模型；
构造工序规划优化问题模型，以最小化零件分割界面面积为目标函数，以加工完整性、增材头可达性、切削刀具可达性为约束条件；
求解工序规划优化问题的目标函数和各约束条件的敏感度信息，进而获得标示分工序加工区域的水平集子函数的演化速度场；
更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，进而实现增减交替工序的演化及合并更新；
检查收敛条件，以符合收敛条件的最优解为所获得的增减交替加工序列，将最优解转换为一系列有特定序列的STL模型，从而获得自动规划的交替加工序列。
本实施例中所述的水平集函数是一种对轮廓或界面的隐式表达方法，其实质是构造空间维度比设计域所处维度高一个维度的隐式函数，通过截取“0水平值”进而获得一个连续的轮廓或者界面，轮廓描述方法类似于“等高线”。利用水平集方法表示零件轮廓或界面的特殊性，提出一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，具体包括如下内容：
第一步，建立目标零件的隐式水平集函数模型。如图2(a)、图2(b)所示，建立欧拉背景网格，将目标零件转化为体素化离散模型，进而基于材料分布，将实体单元赋值Φ＝1，将空白单元赋值Φ＝-1，进而利用快速行进算法(Fast Marching Method)构造符号距离场函数：
Figure BDA0003130819920000071
从而实现零件的水平集函数隐式建模：
材料域Ω：Φ＞0
第二步，如图2(c)，在零件模型内部，构造N个水平集子函数
Figure BDA0003130819920000072
其中，
Figure BDA0003130819920000073
对应于第i个增材工序的材料成形区域，
Figure BDA0003130819920000074
表示第i个增材工序后的总体成型区域，
Figure BDA0003130819920000075
表示第i个减材工序的切削加工面。
第三步，如图2(d)、图2(e)建立增材头及切削刀具的水平集隐式函数模型：
ΩAM：ΦAM(X，θ)＞0
ΩSM：ΦSM(X，θ)＞0
其中，X表示增材头或刀具的尖端位置坐标，θ表示增材头或刀具的加工位置空间角度。
第四步，确立目标函数和约束条件。基于前述定义及预处理，以最小化零件分割界面面积为设计目标：
Figure BDA0003130819920000081
以加工完整性约束(G1≤0，G2≤0，G3≤0)、增材头可达性约束(G4≤0)、切削刀具可达性约束(G5≤0)为优化约束：
Figure BDA0003130819920000082
Figure BDA0003130819920000083
Figure BDA0003130819920000084
Figure BDA0003130819920000085
Figure BDA0003130819920000086
其中，Mi为第i步增材工序检测可达性约束的样本点总数，Qi为第i步减材工序检测可达性约束的样本点总数，H表示Heaviside函数,δ表示Dirac delta函数。
加工完整性约束中，G1≤0表示所有增材工序加工区域总和应完全涵盖零件实体域；G2≤0表示所有增材工序加工区域总和与非零件区域的交集应是空集；G3≤0表示任意两个增材工序加工区域的交集应是空集。
增材头可达性约束G4≤0表示加工任一增材工序材料区域
Figure BDA0003130819920000091
时，增材头与已加工区域
Figure BDA0003130819920000092
的交集应为空集。
切削刀具可达性约束G5≤0表示加工任一减材工序表面轮廓
Figure BDA0003130819920000093
时，切削刀具与已加工区域
Figure BDA0003130819920000094
的交集应为空集。
第五步，获得各水平集子函数的演化速度场：
具体地，运用拉格朗日乘子法，将目标函数和约束条件构造为拉格朗日函数：
L＝J+λ1G1+λ2G2+λ3G3+λ4G4+λ5G5
基于欧拉描述对上式各项进行求导处理，结果为：
Figure BDA0003130819920000095
Figure BDA0003130819920000096
Figure BDA0003130819920000097
Figure BDA0003130819920000101
Figure BDA0003130819920000102
Figure BDA0003130819920000103
其中，
Figure BDA0003130819920000104
Figure BDA0003130819920000105
Figure BDA0003130819920000106
进而得到拉格朗日函数的敏度方程：
Figure BDA0003130819920000107
Rk具体表达式如下：
Figure BDA0003130819920000111
第六步，将速度场设置为
Figure BDA0003130819920000112
来保证拉格朗日函数的严格下降趋势。
第七步，求解哈密顿—雅可比方程(Hamilton-Jacobi Equation)以更新标示分工序加工区域的水平集子函数(即更新工序间的界面位置)，如图3所示。
第八步，各水平集子函数更新后，对具有特定次序的水平集子函数集合
Figure BDA0003130819920000113
以G4＜0，G5＜0为条件进行临近工序的合并判断，如图4所示,
Figure BDA0003130819920000114
满足合并判断条件，进而合并该组临近工序得到全新的水平集子函数集合
Figure BDA0003130819920000115
合并后的增减交替加工序列仍满足全部的刀具和增材头可达性要求。通过遍历的方式检查所有潜在的临近工序合并选项，实现增减交替工序的合并优化。
第九步，对更新后的水平集子函数场进行收敛条件判断，判断全部约束是否满足且目标函数已达到稳定的数值状态，如果是，则结束计算，获得增减交替加工序列的规划结果；如不满足收敛条件，则返回第五步继续进行迭代计算。
最终获得满足全部约束的增减交替加工序列，通过将零件分割界面信息进行输出，导入到与增减材制造装备配套的计算机辅助工艺规划系统中，替代现有的增减交替工序手动规划，实现增减材复合制造技术的工艺规划自动化水平的显著提升。本发明提出的增减交替工序的自动规划方法，与现有方法相比，其应用对象成功扩展到具有任意拓扑形体的复杂结构零件。
实施例2
本实施例提供了一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划系统，包括多个模块，各个模块对应的功能与实施例1中所公开的方法步骤对应，具体如下：
第一模块，被配置为构造零件的隐式水平集函数模型、标示分工序加工区域的水平集子函数、增材头和刀具的参数化隐式水平集函数模型；
第二模块，被配置为构造工序规划优化问题模型，以最小化零件分割界面面积为目标函数，以加工完整性、增材头可达性、切削刀具可达性为约束条件；
第三模块，被配置为求解工序规划优化问题的目标函数和各约束条件的敏感度信息，进而获得标示分工序加工区域的水平集子函数的演化速度场；
第四模块，被配置为更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，进而实现增减交替工序的演化及合并更新；
第五模块，被配置为检查收敛条件，以符合收敛条件的最优解为所获得的增减交替加工序列。
上述各个模块具体功能的实现过程可以参考实施例1中公开的内容，在本实施例中不进行赘述了。
实施例3
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1中所述面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法。需要说明的是，本实施例中所述的计算机可读存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
实施例4
本实施例提供了一种电子终端，包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行实施例1中所述的面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法。
需要说明的是：本领域普通技术人员可以理解，实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立目标零件的隐式水平集函数模型，在所述模型内部构造标示分工序加工区域的若干有序水平集子函数；建立增材头和刀具的参数化隐式水平集函数模型；
构造工序规划优化问题模型，以最小化零件分割界面面积为目标函数，以加工完整性、增材头可达性、切削刀具可达性为约束条件；
求解所述目标函数和各约束条件的敏感度信息，进而获得标示分工序加工区域的水平集子函数的演化速度场；
基于演化速度场，更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，进而实现增减交替工序的演化及合并更新；
检查收敛条件，以符合收敛条件的最优解为所获得的增减交替加工序列。
2.如权利要求1所述的面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，其特征在于，所述隐式水平集函数满足符号距离场特性，其中，正值标示零件内部或增材加工区域内部，负值标示零件外部或增材加工区域外部，0值表示零件或所划分增材区域的边界。
3.如权利要求1所述的面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，其特征在于，对任意零件进行体素化处理，然后基于材料分布，构造符号距离场函数，建立目标零件的隐式水平集函数模型；在目标零件内部区域，建立若干有序的水平集子函数，每一个子函数对应于一个增材制造分工序的材料加工区域；建立增材头和切削刀具的参数化隐式水平集函数模型。
4.如权利要求1所述的面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，其特征在于，以所划分的增材工序加工区域相交边界面积最小为优化目标，设置加工完整性约束、增材头可达性约束、切削刀具可达性约束，建立所述的目标函数和约束条件。
5.如权利要求1所述的面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，其特征在于，所述演化速度场的获得方式如下：
运用拉格朗日乘子法，将目标函数和约束条件构造为拉格朗日函数；
对拉格朗日函数推导得到敏度方程；
根据拉格朗日函数的最速下降原则，获得零值水平集轮廓的演化速度场，确保拉格朗日函数的严格下降趋势。
6.如权利要求1所述的面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法，其特征在于，所述更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，包括以下内容：
基于演化速度场，求解哈密顿—雅可比方程以更新所述的各水平集子函数；
调入合并机制，检查合并条件，决策各水平集子函数之间是否可合并，从而减少水平集子函数的数量。
7.一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划系统，其特征在于，包括以下步骤：
第一模块，被配置为建立目标零件的隐式水平集函数模型，在所述模型内部构造标示分工序加工区域的若干有序水平集子函数；建立增材头和刀具的参数化隐式水平集函数模型；
第二模块，被配置为构造工序规划优化问题模型，以最小化零件分割界面面积为目标函数，以加工完整性、增材头可达性、切削刀具可达性为约束条件；
第三模块，被配置为求解所述目标函数和各约束条件的敏感度信息，进而获得标示分工序加工区域的水平集子函数的演化速度场；
第四模块，被配置为基于演化速度场，更新标示分工序加工区域的水平集子函数，并进行工序合并的判断与操作，进而实现增减交替工序的演化及合并更新；
第五模块，被配置为检查收敛条件，以符合收敛条件的最优解为所获得的增减交替加工序列。
8.如权利要求7所述的一种面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划系统，其特征在于，所述隐式水平集函数满足符号距离场特性，其中，正值标示零件内部或增材加工区域内部，负值标示零件外部或增材加工区域外部，0值表示零件或所划分增材区域的边界。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法。
10.一种电子终端，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行如权利要求1至6中任一项所述的面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法。
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