CN113704840B - 曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法及系统，包括以下步骤：步骤S1：识别待加工零件上的加工特征，加工特征包括槽特征以及槽特征的特征面；步骤S2：构建刀具和槽特征基于几何关系的刀位模型；步骤S3：计算刀具临界状态的加工余量；步骤S4：根据步骤S3中计算的加工余量对刀具进行过切判断，根据过切判断引导余量的自动计算。本发明有效地解决曲底槽腔特征底面与侧面因几何形状复杂而导致的三轴粗加工余量设置值不合理的问题，能够规避工艺风险，显著改善数控加工质量。

Description

曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法及系统
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体地，涉及曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法，该方法属于基于特征的数控加工三轴数控粗加工余量自动计算方式，为结构件数控加工工艺自动规划提供技术支持，属于数字化制造与智能制造。
背景技术
大型复杂贮箱网格壁板是运载火箭箭体的主要受力构件，且其上分布有大小不均、形状各异的腔槽。粗加工是网格壁板数控加工工艺的一项重要内容，去除80％以上的毛坯材料，为了提高加工效率、降低产品研制成本，针对简单曲底槽腔通常采用三轴加工方式取代四轴联动、五轴联动方式。为了避免粗加工过程曲底槽腔底面与侧面的过切问题，工艺技术人员通常基于CAD/CAM系统平台反复试错验证，经过多次迭代获取最终的底面与侧面许可余量值，存在效率低下、余量计算结果不可靠等问题，从而影响产品的最终质量甚至导致零件的报废。
在公开号为CN112817271A的中国专利文献中，公开了一种基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，包括工件的初步装夹、特征配准的自由度选择、特征的在机测量、特征位置误差矩阵计算、余量分配结果校验和刀路补偿。利用特征的在机测量结果进行位置最佳拟合计算和加工余量分配，然后将计算得到的位置刚体变换作用到加工刀路上，使得零件毛坯的余量更加均匀化。但是该专利文献未能解决曲底槽腔特征底面与侧面因几何形状复杂而导致的三轴粗加工余量设置值不合理的问题。
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曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法及系统。
根据本发明提供的一种曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法，包括以下步骤：
步骤S1：识别待加工零件上的加工特征，加工特征包括槽特征以及槽特征的特征面；
步骤S2：构建刀具和槽特征基于几何关系的刀位模型；
步骤S3：计算刀具临界状态的加工余量；
步骤S4：根据步骤S3中计算的加工余量对刀具进行过切判断，根据过切判断引导余量的自动计算。
优选的，所述步骤S1中，采用基于属性邻接图的特征识别方法进行待加工零件上的槽特征进行自动检索，以及对槽特征的各特征面进行识别分类。
优选的，对特征面的识别过程包括首先识别顶面，然后识别底R面，其次进行底面识别，最后根据识别的顶面，底R面和底面对侧面进行识别。
优选的，所述识别过程的识别规则包括：
所述顶面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面内环边皆为凸边则为顶面；
所述底R面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面上任意三点的曲率相同且曲率半径大于0则为底R面；
所述底面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面外环边皆为凹边，其相邻面皆为底R面则为底面；
所述侧面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面是顶面内环相邻面且与底R面相邻则为侧面。
优选的，所述步骤S2中的刀位模型为刀具相对于槽特征槽腔几何切削材料域的空间位置关系模型，所述刀位模型基于槽腔的底面形状和侧面开闭角特性构建。
优选的，所述步骤S3中的余量计算，以刀位模型和加工工艺为约束，按临界状态进行实际余量计算，所述加工工艺包括刀轴策略。
优选的，所述步骤S4中，根据步骤S3中的余量计算结果，对刀具在槽腔内的加工进行过切判断，并由过切判断引导余量的自动计算。
根据本发明提供的一种曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算系统，包括以下模块：
模块M1：识别待加工零件上的加工特征，加工特征包括槽特征以及槽特征的特征面；
模块M2：构建刀具和槽特征基于几何关系的刀位模型；
模块M3：计算刀具临界状态的加工余量；
模块M4：根据模块M3中计算的加工余量对刀具进行过切判断，根据过切判断引导余量的自动计算。
优选的，所述模块M1中，采用基于属性邻接图的特征识别方法进行待加工零件上的槽特征进行自动检索，以及对槽特征的各特征面进行识别分类。
优选的，对特征面的识别过程包括首先识别顶面，然后识别底R面，其次进行底面识别，最后根据识别的顶面，底R面和底面对侧面进行识别；
所述识别过程的识别规则包括：
所述顶面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面内环边皆为凸边则为顶面；
所述底R面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面上任意三点的曲率相同且曲率半径大于0则为底R面；
所述底面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面外环边皆为凹边，其相邻面皆为底R面则为底面；
所述侧面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面是顶面内环相邻面且与底R面相邻则为侧面；
所述模块M2中的刀位模型为刀具相对于槽特征槽腔几何切削材料域的空间位置关系模型，所述刀位模型基于槽腔的底面形状和侧面开闭角特性构建；
所述模块M3中的余量计算，以刀位模型和加工工艺为约束，按临界状态进行实际余量计算，所述加工工艺包括刀轴策略；
所述模块M4中，根据模块M3中的余量计算结果，对刀具在槽腔内的加工进行过切判断，并由过切判断引导余量的自动计算。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出了刀位模型，为余量判断过程数字化表达提供依据；
2、本发明根据特征识别结果，根据自定义识别规则区分特征面类型；
3、本发明在特征的基础上，提出了面向刀位模型的三轴粗加工余量自动计算方法，将余量自动计算过程进行算法流程固化，实现了由槽特征体面元素驱动余量自动自动计算的目的，提高程序编制效率。
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为本发明实施例中曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法整体流程图；
图2为本发明实施例中的属性邻接图；
图3为本发明实施例中槽特征示意图；
图4为本发明实施例中刀具截面与槽腔侧面的几何模型图；
图5为本发明实施例中刀具截面与槽腔底面的几何模型图；
图6为本发明实施例中刀轴方向与侧壁面的夹角示意图；
图7为本发明实施例中s点与c点的距离模型图；
图8为本发明实施例中刀具与特征面的距离模型图。
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。
本发明介绍了一种曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法，整体流程图1所示，具体的包括以下步骤：
步骤S1：识别待加工零件上的加工特征，加工特征包括槽特征以及槽特征的特征面，特征识别采用基于属性邻接图的特征识别方法进行待加工零件上的槽特征进行自动检索，以及对槽特征的各特征面进行识别分类，包括槽底面和侧面。基于属性邻接图的特征识别，其原理在此将不一一赘述。槽特征G及其简略属性邻接图如图2所示，属性邻接图中边属性：凸边记为1，凹边记为0。
对特征面的识别过程为首先识别顶面，然后识别底R面，其次进行底面识别，最后根据识别的顶面，底R面和底面对侧面进行识别，具体各特征面如图3所示。识别过程通过遍历模型上的面根据识别规则进行筛选，识别规则如下：
顶面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面内环边皆为凸边则为顶面；
底R面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面上任意三点的曲率相同且曲率半径大于0则为底R面；
底面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面外环边皆为凹边，其相邻面皆为底R面则为底面；
侧面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面是顶面内环相邻面且与底R面相邻则为侧面。
步骤S2：构建刀具和槽特征基于几何关系的刀位模型；刀位模型为刀具相对于槽特征槽腔几何切削材料域的空间位置关系模型，一般来说，根据几何关系可以用刀位模型定义过切，刀位模型基于槽腔的底面形状和侧面开闭角特性构建。
如图4所示的刀具截面与槽腔侧面的几何模型，将槽腔内壁分为上界(侧壁截面线)、界间(底圆面截面线)，下界(底面截面线)。其中，or为底圆面截面中心，oc为刀具圆角中心，oroc连线与底圆面截面交点c称为检查点，oroc连线与刀具的交点s称为可疑点。pu/pd分别为底圆面截面与上界/下界的过渡点。当oroc连线分别经过pu/pd时，oroc与刀具的交点为su/sd，此时的oc分别记为
当刀头在界间恰好不产生过切时，s点与c点重合；刀头在上界恰好不产生过切时，s与上界重合；刀头在下界恰好不产生过切时，s与下界重合。因设置余量不足，刀具切入零件，将造成过切。其中将刀头部位切入零件产生的过切称为刀头过切，将刀体部位切入零件产生的过切称为刀体过切。故刀头过切的计算过程为：建立s点与上界的距离模型检查上界过切；建立s点与c点的距离模型检查界间过切；建立s点与下界的距离模型检查下界过切。同理，刀体过切的计算方法为建立刀体余量距离模型。
步骤S3：计算刀具临界状态的加工余量；加工部余量计算以刀位模型和加工工艺为约束，按临界状态进行实际余量计算，其中加工工艺主要考虑刀轴策略，刀轴策略为三轴定轴。为了便于说明，记刀轴策略标志为CF。若刀具为定轴加工，则将刀轴策略表示为CF＝FA。
当定轴(CF＝FA)时，设零件底面的近似曲率半径为rs，某个槽腔的跨度为ls，令如图5所示，余量计算有以下规则：
规则1：定轴底面余量规则，若刀轴策略为定轴(CF＝FA)时，槽腔底面设置余量为ab，则对于凸底面槽腔，底面余量增大为yb＝ab+ε，对于凹底面槽腔，底面余量减小为yb＝ab-ε。
以上规则的定义理由是当凸底面槽腔为“中间高两边低”时，底面余量值以最高点为基准，当凹底面槽腔为“中间低两边高”时，底面余量值以最底点为基准。由规则1知当rs很大且ls很小时，则ε≈0，可以忽略ε，即yb≈ab。
设刀轴方向由刀头指向刀柄，记为侧壁面法向指向体外，记为/>则图6中刀轴方向与侧壁面的夹角，记为/>
规则2：定轴侧面余量规则，若刀轴策略为定轴(CF＝FA)时，侧面设置余量为as。若侧面为闭角面则侧面实际余量为ys，刀体余量为ys′＝as-(h-yb)tanα；若侧面为开角面/>则侧面实际余量为ys＝as-(h-R-yb)tanα；若当侧面为竖直面则侧面实际余量为as。
步骤S4：根据步骤S3中计算的余量计算结果，进行上界、界间、下界过切判断，由过切判断引导进行余量自动计算。对刀具在槽腔内的加工进行过切判断，并由过切判断引导余量的自动计算。
首先进行上界过切判断，由图6中，s点与上界的距离，可得以下判断规则：
规则3：刀具定轴加工闭角面若ys′＜0，则刀体过切上界，否则刀体不过切上界。
规则4：刀具定轴加工开角面若ys＜0，则刀体过切上界，否则刀体不过切上界。
其次界间过切判断，如图7所示，由s点与c点的距离模型，s相对坐标c相对坐标/>则过切判断规则如下：
规则5：刀具定轴加工开角面时，若zs≤r-R∧，zb≤r-R∧，则表示刀头界间过切；否则，刀头界间不过切。
其中定位角计算，由图8中几何关系，得
式中，当刀具定轴(CF＝FA)加工时，底面余量zb≈ab，侧面余量分类讨论：侧壁为闭角面时，侧面余量zs≈ys′+(h-r)tanα；侧壁为开角面时，zs≈as-(h-r)tanα；侧壁为竖直面时，zs＝as。
最后，进行下界过切判断，由于ab≥0，保证了sb≥0，故不会产生过切。实际中下界过切的主要原因选刀形状不合适，而调节控制余量并不能解决过切问题，故不考虑。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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 (5)

1.一种曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：识别待加工零件上的加工特征，加工特征包括槽特征以及槽特征的特征面；
步骤S2：构建刀具和槽特征基于几何关系的刀位模型；
步骤S3：计算刀具临界状态的加工余量；
步骤S4：根据步骤S3中计算的加工余量对刀具进行过切判断，根据过切判断引导余量的自动计算；
所述步骤S1中，采用基于属性邻接图的特征识别方法进行待加工零件上的槽特征进行自动检索，以及对槽特征的各特征面进行识别分类；
对特征面的识别过程包括首先识别顶面，然后识别底R面，其次进行底面识别，最后根据识别的顶面，底R面和底面对侧面进行识别；
所述识别过程的识别规则包括：
所述顶面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面内环边皆为凸边则为顶面；
所述底R面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面上任意三点的曲率相同且曲率半径大于0则为底R面；
所述底面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面外环边皆为凹边，其相邻面皆为底R面则为底面；
所述侧面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面是顶面内环相邻面且与底R面相邻则为侧面；
所述步骤S2中的刀位模型为刀具相对于槽特征槽腔几何切削材料域的空间位置关系模型，所述刀位模型基于槽腔的底面形状和侧面开闭角特性构建。
2.根据权利要求1所述的曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法，其特征在于：所述步骤S3中的余量计算，以刀位模型和加工工艺为约束，按临界状态进行实际余量计算，所述加工工艺包括刀轴策略。
3.根据权利要求1所述的曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据步骤S3中的余量计算结果，对刀具在槽腔内的加工进行过切判断，并由过切判断引导余量的自动计算。
4.一种曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算系统，其特征在于，包括以下模块：
模块M1：识别待加工零件上的加工特征，加工特征包括槽特征以及槽特征的特征面；
模块M2：构建刀具和槽特征基于几何关系的刀位模型；
模块M3：计算刀具临界状态的加工余量；
模块M4：根据模块M3中计算的加工余量对刀具进行过切判断，根据过切判断引导余量的自动计算；
所述模块M1中，采用基于属性邻接图的特征识别方法进行待加工零件上的槽特征进行自动检索，以及对槽特征的各特征面进行识别分类；
对特征面的识别过程包括首先识别顶面，然后识别底R面，其次进行底面识别，最后根据识别的顶面，底R面和底面对侧面进行识别；
所述识别过程的识别规则包括：
所述顶面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面内环边皆为凸边则为顶面；
所述底R面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面上任意三点的曲率相同且曲率半径大于0则为底R面；
所述底面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面外环边皆为凹边，其相邻面皆为底R面则为底面；
所述侧面的识别规则为遍历模型的所有面，若该面是顶面内环相邻面且与底R面相邻则为侧面；
所述模块M2中的刀位模型为刀具相对于槽特征槽腔几何切削材料域的空间位置关系模型，所述刀位模型基于槽腔的底面形状和侧面开闭角特性构建。
5.根据权利要求4所述的曲底槽腔数控加工三轴粗加工余量自动计算系统，其特征在于：
所述模块M3中的余量计算，以刀位模型和加工工艺为约束，按临界状态进行实际余量计算，所述加工工艺包括刀轴策略；
所述模块M4中，根据模块M3中的余量计算结果，对刀具在槽腔内的加工进行过切判断，并由过切判断引导余量的自动计算。
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