CN113673845B - 基于刀具集中利用的孔加工排序方法和系统 - Google Patents

基于刀具集中利用的孔加工排序方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于刀具集中利用的孔加工排序方法，包括如下步骤：步骤S1：基于模块化孔特征对加工区域进行分解，建立加工步骤与区域之间的映射关系；步骤S2：对刀具进行唯一编码；步骤S3：构建描述孔集加工顺序与所用刀具的特征矩阵；步骤S4：基于贪心算法建立优化策略，完成不同孔集之间的加工顺序优化；步骤S5：对孔加工顺序进行排序。本发明有效地解决相同刀具在不同孔之间调用时所产生的频繁换刀问题，能够在显著减轻工艺人员交互编程工作量的同时实现刀具资源利用的最大化，并确保加工满足工艺要求。

Description

基于刀具集中利用的孔加工排序方法和系统
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体地，涉及一种基于刀具集中利用的孔加工排序方法和系统。
背景技术
现代航天航空结构件逐渐往大型化、整体化趋势发展，结构件的特征种类与数量与日剧增，因此特征加工路径的规划逐渐成为数控加工编程中的一项重要内容，直接影响此类大型、复杂产品的加工效率与成本。
目前，模拟退火、遗传算法等启发式人工智能算法大量应用到特征加工路径的排序过程中，能够实现以几何路径最短为目标的路径规划。然而，复杂特征通常采用多把刀具进行多工序工步加工，传统方法易导致实际加工过程中存在频繁换刀，一方面导致非加工时间的增加，影响整体加工效率；另一方面，影响工艺人员对刀具使用情况的把握，不利于加工制造系统最大能效的发挥。
经过检索，专利文献CN109901514A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。该现有技术虽然提升复杂零件的加工效率，但是并不能有效地解决相同刀具在不同孔之间调用时所产生的频繁换刀问题。
因此，亟需研发设计一种解决针对传统排序方法未考虑的刀具资源集中利用问题，同时能实现孔特征的刀具换刀次数的优化，并以刀具为中心实现组内加工特征的几何路径最优化排序的方法和系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于刀具集中利用的孔加工排序方法和系统，通过换刀次数来描述刀具集中利用，采用贪心策略对加工顺序进行优化，为结构件数控加工工艺规划提供技术支持，将刀具集中利用作为目的的孔集加工排序。
根据本发明提供的一种基于刀具集中利用的孔加工排序方法，包括如下步骤：
步骤S1：基于模块化孔特征对加工区域进行分解，建立加工步骤与区域之间的映射关系；
步骤S2：对刀具进行唯一编码；
步骤S3：构建描述孔集加工顺序与所用刀具的特征矩阵；
步骤S4：基于贪心算法建立优化策略，完成不同孔集之间的加工顺序优化；
步骤S5：对孔加工顺序进行排序。
优选地，步骤S1通过分析不同类孔特征的几何拓扑信息对孔特征的模块化进行拆分，构建不同特征子区域的统一表示模型，并结合工艺方案完成加工步骤与子区域之间的映射。
优选地，步骤S2中的刀具属于不同类孔所使用的刀具组成的集合。
优选地，步骤S2中的唯一编码用于描述刀具的类型和刀具尺寸以确定刀具的几何信息。
优选地，步骤S3中所用刀具的特征矩阵包括特征矩阵的行和特征矩阵的列，所述特征矩阵的列用于描述不同的孔集，所述特征矩阵的行用于描述孔集的加工步骤。
优选地，步骤S3中所用刀具的特征矩阵的每一个单元用于描述加工方法以及所采用的刀具，其中，孔集中每一个孔的类型和几何参数均相同。
优选地，步骤S4包括如下步骤：
步骤S4.1：确定刀具可执行域，利用加工步骤与刀具之间的关联性建立刀具的可执行域模型，所述可执行域描述每次换刀后所用刀具可完成的加工步骤；
步骤S4.2：确定评价函数，基于刀具集中利用原则，利用换刀次数构建评价函数，确定优化目标。
优选地，步骤S4还包括如下步骤：
步骤S4.3：结合工艺实际需求来确定贪心策略，明确优化过程中的约束；
步骤S4.4：基于上述模型进行不同孔集之间加工顺序的优化计算。
优选地，步骤S5由步骤S4所得优化后的结果确定多个孔集加工时各个加工步骤的加工顺序。
根据本发明提供的一种基于刀具集中利用的孔加工排序系统，包括：
模块M1：基于模块化孔特征对加工区域进行分解，建立加工步骤与区域之间的映射关系；
模块M2：对刀具进行唯一编码；
模块M3：构建描述孔集加工顺序与所用刀具的特征矩阵；
模块M4：基于贪心算法建立优化策略，完成不同孔集之间的加工顺序优化；
模块M5：对孔加工顺序进行排序。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过描述不同孔集加工步骤及其所用刀具的特征矩阵构建，能够帮助分析孔集的加工步骤及其具体实施情况。
2、本发明通过描述刀具可加工执行域的模型，能够为确定不同孔集之间公共刀具的使用情况分析提供参考。
3、本发明在基于贪心策略的技术上，提出了符合工艺要求的刀具加工顺序贪心优化算法，有效解决不同种类孔集之间换刀过于频繁的问题，显著减轻工艺员交互编程的劳动负担，提高数控程序编制效率和实际加工效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中基于刀具集中利用的孔加工排序方法的具体流程图；
图2为本发明中以典型埋头孔和典型沉头孔为例的子区域划分示意图；
图3为本发明中加工步骤与子区域的第一对应关系示意图；
图4为本发明中加工步骤与子区域的第二对应关系示意图；
图5为本发明中测试零件示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于刀具集中利用的孔加工排序方法，包括如下步骤：
步骤S1：基于模块化孔特征对加工区域进行分解，建立加工步骤与区域之间的映射关系；通过分析不同类孔特征的几何拓扑信息对孔特征的模块化进行拆分，构建不同特征子区域的统一表示模型，并结合工艺方案完成加工步骤与子区域之间的映射。具体地，采用分层的方式对不同拓扑结构的孔进行区域划分，实现利用特征统一表示模型对不同类型孔的描述。将孔集记作hg，任意一个孔集内存在N个孔，在已知加工方案的情况下，任意一个孔集包含的加工步骤个数是确定的，记作p_hg。由工艺人员确定具体工艺方案的内容，且一旦制定后必须严格执行，不能改变其中各个加工步骤的先后顺序。
步骤S2：对刀具进行唯一编码；其中刀具属于不同类孔所使用的刀具组成的集合。唯一编码用于描述刀具的类型和刀具尺寸以确定刀具的几何信息。具体地，编码可以用于确定刀具的几何信息与刀具类型，刀具编码表示如下：
T＝type-mdim
其中，type由一个四位数字组成，用于描述刀具的类型；mdim用于描述刀具的主尺寸，属于一个数字组成的集合，不同类型的刀具所拥有的主尺寸集合容量不同。
步骤S3：构建描述孔集加工顺序与所用刀具的特征矩阵；所用刀具的特征矩阵包括特征矩阵的行和特征矩阵的列，所述特征矩阵的列用于描述不同的孔集，所述特征矩阵的行用于描述孔集的加工步骤。所用刀具的特征矩阵的每一个单元用于描述加工方法以及所采用的刀具，其中，孔集中每一个孔的类型和几何参数均相同。
具体地，该特征矩阵用于描述不同孔集的加工方案，其中列用于描述不同的孔集，行用于描述孔集的加工步骤。矩阵的每一个单元用于描述特定加工步骤所采用的加工方法以及所采用的刀具。
对于n个孔集hg，特征矩阵的行数m由p_hg决定，m满足m≥p_hgi(1≤i≤n)，将该特征矩阵H表示为：
若则/>
步骤S4：基于贪心算法建立优化策略，完成不同孔集之间的加工顺序优化；具体地包括如下步骤：
步骤S4.1：确定刀具可执行域，利用加工步骤与刀具之间的关联性建立刀具的可执行域模型，所述可执行域描述每次换刀后所用刀具可完成的加工步骤。
步骤S4.2：确定评价函数，基于刀具集中利用原则，利用换刀次数构建评价函数，确定优化目标。
步骤S4.3：结合工艺实际需求来确定贪心策略，明确优化过程中的约束。
步骤S4.4：基于上述模型进行不同孔集之间加工顺序的优化计算。
尤其是在步骤S4.1中，通过换刀次数来描述刀具集中利用情况，换刀次数越少，刀具越集中利用。用于描述换刀次数的评价模型G(H)定义如下：
将相邻两次换刀之间，通过当前刀具Tk可完成的加工步骤所构成的可执行域视作为一个m×n的矩阵，记作P(Tk)，将其表示为：
此时对于特征矩阵H，G(H)需满足以下方程：
根据上述模型，以最少化换刀次数为目标建立的加工顺序优化模型为：
min(G(H))。
基于贪心策略确定优化约束，在步骤S4.3中，刀具可执行域模型基础上给出优化过程中的约束：
Tcount用于描述当前状态下刀具T可完成的加工步骤个数。
步骤S5：对孔加工顺序进行排序。由步骤S4所得优化后的结果确定多个孔集加工时各个加工步骤的加工顺序。
根据本发明提供的一种基于刀具集中利用的孔加工排序系统，包括：
模块M1：基于模块化孔特征对加工区域进行分解，建立加工步骤与区域之间的映射关系；
模块M2：对刀具进行唯一编码；
模块M3：构建描述孔集加工顺序与所用刀具的特征矩阵；
模块M4：基于贪心算法建立优化策略，完成不同孔集之间的加工顺序优化；
模块M5：对孔加工顺序进行排序。
实施例：
针对不同孔集进行统一特征表示，根据孔特征的几何拓扑信息对孔特征的不同几何区域进行划分，如图2所示为典型埋头孔与典型沉头孔的子区域划分示意图。
在确定每一个孔集所采用的工艺方案后，结合步骤S1中的特征表示模型，将工艺方案的具体加工操作关联到相应的子区域中，如图3、图4所示。结合实际工艺要求，加工步骤不可调换顺序。
结合步骤S2针对所有的加工步骤收集所用刀具的信息，并对所用所有刀具按照下属形式进行编码：
T＝type_mdim
其中，type由一个四位数字组成，用于描述刀具的类型；mdim用于描述刀具的主尺寸，属于一个数字组成的集合，不同类型的刀具所拥有的主尺寸集合容量不同。
针对任意一把刀，其type具备唯一性，同时每一个加工步骤有且只有一个T与之关联。
结合步骤S3基于已有的刀具和加工步骤，建立m×n的特征矩阵H，其中n由孔集hg的个数决定，m则由hg中的最大p_hg决定。
对于n个孔集hg，特征矩阵的行数m由p_hg决定，m满足m≥p_hgi(1≤i≤n)，将该特征矩阵H表示为：
其中若则/>
基于步骤S4中每一次换刀可完成的加工步骤所构成的可执行域，构建用于描述换刀次数的评价模型G(H)：
步骤S4.1：构建用于描述刀具可执行域的模型：
将当前刀具T可完成的加工步骤所构成的可执行域视作为一个m×n的矩阵，记作P(T)，将其表示为：
步骤S4.2：构建评价模型：
对于特征矩阵H，在已知每一次换刀后所用刀具T及其对应的可执行域P(T)后，G(H)需满足以下方程：
根据上述模型，以最少化换刀次数为目标建立的加工顺序优化模型为：
min(G(H))
步骤S4.3：结合贪心策略，结合步骤S4.1所给出的刀具可执行域模型确定贪心算法的约束：
步骤S4.3.1：对于任意一把刀具T，根据本发明的一个实施例，基于贪心策略要求其在安装状态下满足：
其中Tcount用于描述当前状态下刀具T可完成的加工步骤个数。
步骤S4.3.2：根据本发明的一个实施例，对于任意两个可执行域P(T)a、P(T′)b，其矩阵元素应当满足：
已知P(T)a与P(T′)b均属于m×n的矩阵。
步骤S4.3.3：对于任意可执行域的m×n矩阵P(T)，其内部元素满足：
基于步骤S5：基于特征矩阵H进行加工顺序优化，步骤如下：
步骤S5.1：初始化特征矩阵H；
步骤S5.2：检查m×n的特征矩阵H是否为零矩阵。在不满足的情况下执行步骤S5.3，否则执行步骤S5.7；
步骤S5.3：对于第k次加工，提取每一列矩阵中首个不为0的元素，构建1×n的矩阵PC，并将其中出现次数最多的Tk作为当前所用刀具，构建m×n的零矩阵P(T)k。若存在多个次数最多的刀具，则选加工顺序最靠前的刀具；
步骤S5.4：根据PC中值为Tk的单元在H中的位置，将P(T)k中相同位置的单元值设置为1。更新PC，将元素为Tk的单元替换为所在列中的下一个加工步骤；
步骤S5.5：判断PC中是否仍然存在Tk。如果仍然存在，则执行Step4，否则执行Step6；
步骤S5.6：更新特征矩阵H＝H-Tk·P(Tk)，跳转Step2。
步骤S5.7：输出所有的P(T)，确定加工顺序。
如图5所示，为实施例测试零件，其一共存在四类孔集，每个孔集由数量不同的同类孔特征组成。
通过对特征进行分析，在确定加工方案后，可以得到表1所示的特征矩阵。
表1特征矩阵
hg1 hg2 hg3 hg4
1 T1 T1 T1 T3
2 T2 T4 T2 T2
3 0 T2 T4 0
其中：
T1表示中心钻刀，直径为2mm；
T2表示普通钻头，直径为4mm；
T3表示平底铣刀，直径为4mm；
T4表示埋头钻刀，直径为10mm。
在不考虑优化的情况下，按照一个孔集完成加工后再进行下一个孔集加工的逻辑，要完成表1所示的四个孔集的加工一共需要10次换刀。
在完成优化后，优化后的加工顺序及所用刀具如表2所示。
表2加工顺序
在优化后，表2所呈现的加工顺序一共需要5次换刀。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于刀具集中利用的孔加工排序方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：基于模块化孔特征对加工区域进行分解，建立加工步骤与区域之间的映射关系；
步骤S2：对刀具进行唯一编码；
步骤S3：构建描述孔集加工顺序与所用刀具的特征矩阵；
步骤S4：基于贪心算法建立优化策略，完成不同孔集之间的加工顺序优化；
步骤S5：对孔加工顺序进行排序；
所述步骤S4包括如下步骤：
步骤S4.1：确定刀具可执行域，利用加工步骤与刀具之间的关联性建立刀具的可执行域模型，所述可执行域描述每次换刀后所用刀具可完成的加工步骤；
步骤S4.2：确定评价函数，基于刀具集中利用原则，利用换刀次数构建评价函数，确定优化目标。
2.根据权利要求1所述的基于刀具集中利用的孔加工排序方法，其特征在于，所述步骤S1通过分析不同类孔特征的几何拓扑信息对孔特征的模块化进行拆分，构建不同特征子区域的统一表示模型，并结合工艺方案完成加工步骤与子区域之间的映射。
3.根据权利要求1所述的基于刀具集中利用的孔加工排序方法，其特征在于，所述步骤S2中的刀具属于不同类孔所使用的刀具组成的集合。
4.根据权利要求1所述的基于刀具集中利用的孔加工排序方法，其特征在于，所述步骤S2中的唯一编码用于描述刀具的类型和刀具尺寸以确定刀具的几何信息。
5.根据权利要求1所述的基于刀具集中利用的孔加工排序方法，其特征在于，所述步骤S3中所用刀具的特征矩阵包括特征矩阵的行和特征矩阵的列，所述特征矩阵的列用于描述不同的孔集，所述特征矩阵的行用于描述孔集的加工步骤。
6.根据权利要求1所述的基于刀具集中利用的孔加工排序方法，其特征在于，所述步骤S3中所用刀具的特征矩阵的每一个单元用于描述加工方法以及所采用的刀具，其中，孔集中每一个孔的类型和几何参数均相同。
7.根据权利要求1所述的基于刀具集中利用的孔加工排序方法，其特征在于，所述步骤S4还包括如下步骤：
步骤S4.3：结合工艺实际需求来确定贪心策略，明确优化过程中的约束；
步骤S4.4：基于上述模型进行不同孔集之间加工顺序的优化计算。
8.根据权利要求1所述的基于刀具集中利用的孔加工排序方法，其特征在于，所述步骤S5由所述步骤S4所得优化后的结果确定多个孔集加工时各个加工步骤的加工顺序。
9.一种实现权利要求1所述的基于刀具集中利用的孔加工排序方法的系统，其特征在于，包括：
模块M1：基于模块化孔特征对加工区域进行分解，建立加工步骤与区域之间的映射关系；
模块M2：对刀具进行唯一编码；
模块M3：构建描述孔集加工顺序与所用刀具的特征矩阵；
模块M4：基于贪心算法建立优化策略，完成不同孔集之间的加工顺序优化；
模块M5：对孔加工顺序进行排序。
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Title
A review of cutting path algorithms for laser cutters;Reginald Dewil等;《The International Journal of Advanced Manufactring Technology》;第1865-1884页 *
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