CN115587441B - 一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法及系统，涉及增减材工艺规划领域，包括以优化后弯曲流道的三维模型为本方法的输入对象，将流道特征分类为直线流道和曲线流道；基于流道特征的不同，将三维模型划分为若干流道粗分段，将各粗分段的截面图像定义为其对应的二维表征图像；依次获取各二维表征图像中对应的水平集函数，并基于各加工位置所匹配的刀具建立刀具的水平集函数；确定加工流道粗分段刀具的起始位置，获得下一工序的铣削起始位置，循环求解获得各粗分段中满足无碰撞条件下的流道再划分结果；确定加工区域划分结果，确定各工序的工艺类型与刀具种类，输出弯曲流道结构增减材复合制造的工艺规划结果。

Description

一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法及系统

技术领域

本发明属于增减材工艺规划领域，尤其涉及一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成现有技术。

流道结构指液压元件中用于传输流体介质的管路，为提高液压元件输送流体介质的性能，可将流道结构优化为圆弧过渡形式的弯曲管路，其外壁可伴随内壁形状变化，即壁厚与内壁截面形状均能够随轴线而变化，从而尽可能提高流道在能量与材料方面的利用率。

增材制造得到的表面粗糙度较差，无法满足流道内壁的工作要求。优化后的流道结构可通过增减材复合制造技术成型，该技术集成了增材制造和机械加工的主要硬件与功能，通过增材制造与减材加工的交替进行，既可以成型复杂形状的零件，又可以获得高精度的零件壁面，只需对工件进行一次装夹即可实现后续一系列的加工任务，适用于复杂流道结构的成型。

目前利用增减材复合制造技术加工流道内壁仍存在刀具与已成型区域发生碰撞的可能性，需要进行工艺规划以避免机床损坏；但目前增减材复合制造加工编程软件仍不具备增减材加工区域自动划分的功能，需要人为进行加工区域划分与工艺方案确定，但人为手段难以获得无碰撞、高加工效率的工艺规划结果。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明面向基于定向能量沉积增材技术的摇篮式五轴增减材复合制造技术，提供了一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法及系统，自动进行弯曲流道结构的增减材复合制造加工区域划分与工艺方案确定，实现无碰撞、高效率的增减材复合制造。

为了实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，包括：

步骤1，以优化后弯曲流道的三维模型为本方法的输入对象，将流道特征分类为直线流道和曲线流道；基于流道特征的不同，将三维模型初步划分为若干流道粗分段。

步骤2，根据流道的加工要求，将各粗分段的截面图像定义为其对应的二维表征图像，后续的加工区域划分与工艺制定皆以二维表征图像为基础；

步骤3，通过图像边界拟合手段依次获取各二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁。以流道尺寸为依据匹配各加工位置合适的刀具种类与尺寸；基于各加工位置所匹配的刀具，设每一加工位置匹配刀具的刀尖坐标为(x₀,y₀)，刀具直径为d，刀具长度为l，刀具倾角为α，建立刀具的水平集函数Ω₂：

步骤4，确定加工流道粗分段刀具的起始位置，根据增减材复合制造工艺约束计算粗分段二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁与刀具水平集函数Ω₂的交集，并获得下一工序的铣削起始位置，循环求解获得各粗分段中满足无碰撞条件下的流道再划分结果；

步骤5，将各再划分结果整理为增减材复合制造加工区域划分结果，规划各加工区域所需的加工序列，确定各工序的工艺类型与刀具种类，最终输出弯曲流道结构增减材复合制造的工艺规划结果。

第二方面，公开了一种弯曲流道结构五轴增减材复合制造工艺规划系统，包括：

流道分段模块，用于根据弯曲流道的三维模型，将流道特征分类为直线流道和曲线流道；基于流道特征的不同，将三维模型初步划分为若干流道粗分段；

二维图像转化模块，根据流道的加工要求，将各粗分段的截面图像定义为其对应的二维表征图像；

水平集函数确立模块，用于求得各二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁，并基于各加工位置所匹配的刀具，建立刀具的水平集函数Ω₂；

流道再划分求解模块，根据增减材复合制造工艺约束计算粗分段与刀具水平集函数Ω₂的交集，循环求解获得各粗分段中满足无碰撞条件下的流道再划分结果；

加工区域划分模块，将各再划分结果整理为增减材复合制造加工区域划分结果，规划各加工区域所需的加工序列，确定各工序的工艺类型与刀具种类，输出弯曲流道结构增减材复合制造的工艺规划结果。

发明的有益效果

1、本发明基于流道特征的分类，将直线流道与曲线流道分开考虑，在求解加工区域划分结果的同时匹配该区域各工序的工艺类型与刀具型号，输出流道工序划分结果及各工序的工艺方案，实现流道增减材工艺规划，进而通过增减材工序交替执行的方式实现弯曲流道结构复杂形状的成型与内壁的高精度加工，即实现了常规增减材复合制造技术所不具备的增减材加工区域自动划分功能；

2、本发明通过水平集方法将弯曲流道结构中具有形状复杂、深度较大的内腔结构用函数形式表达，通过数值求解方式划分增减材加工区域，提高了工序划分的可靠性；通过二维表征图像代替流道粗分段的三维模型大幅减少了计算量，最终获得在无碰撞情况下交替次数最少的加工序列；相较于人为手段进行工艺规划，本发明所采用工艺规划方法有效提高了加工效率，并保证加工过程中无碰撞。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1的面向弯曲流道结构的增减材复合制造工艺规划方法的流程图；

图2为本发明实施例1的面向弯曲流道结构的增减材复合制造工艺规划方法的流道特征分类依据与初步划分原理流程图；

图3为本发明实施例1的面向弯曲流道结构的增减材复合制造工艺规划方法的直线流道和曲线流道的二维表征图像示意图；其中，(a)为直线流道，(b)为曲线流道；

图4为本发明实施例1的面向弯曲流道结构的增减材复合制造工艺规划方法的直线流道和曲线流道在流道内壁铣削时的工艺约束；其中，(a)为直线流道内壁铣削情况，(b)为曲线流道内壁铣削情况。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本发明的一种典型实施方式，如图1-图4所示，提供了一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法。

参考图1-图4，本实施例提出一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，具体如下：

步骤1，以优化后弯曲流道的三维模型为本方法的输入对象，将流道特征分类为直线流道和曲线流道；基于流道特征的不同，将三维模型初步划分为若干流道粗分段。

具体的，由于流道内壁不同的特征对应不同的加工手段，为匹配合适的加工工艺与参数，需要将输入的流道三维模型根据特征划分为若干直线流道粗分段与曲线流道粗分段。本实施例中，以流道内壁的形心轴线与垂直于形心轴线的横截面形状为判断流道特征的依据，若流道的横截面形状恒定且轴线始终为直线，则该流道为直线流道，否则将在横截面形状或轴线方向产生变化的位置进行初步划分，并定义新生成的流道粗分段为曲线流道，将输入的流道三维模型根据特征划分为若干直线流道粗分段与曲线流道粗分段。

步骤2，根据流道的加工要求，将各粗分段的截面图像定义为其对应的二维表征图像，后续的加工区域划分与工艺制定皆以二维表征图像为基础；

为减少加工区域划分时的计算量，定义二维表征图像，用于描述刀具伸入流道内部程度最小时的加工位置，从而将三维模型转化为二维图形。如图3所示，对于直线流道而言，其内壁形状是轴对称的，因此过轴线任意截面的内壁形状完全一致，如图3(a)中粗实线所示的两条平行于轴线的线段，因此以该图像为直线流道可加工性的二维表征图像，用于后续的工艺约束分析；对于曲线流道而言，其形心轴线理论上为一条二维曲线，过此曲线仅能确定一个平面，以图3中的粗实曲线表示该平面上的流道内壁形状。在任意一个曲线流道段的加工中，若刀具倾角恒定，由于流道外拐角最高点为整个流道段的最高点，导致在加工流道内拐角时刀具受到最大干涉，内拐角的最低点即为该流道段刀具伸入程度最小的位置，如图3(b)所示的流道内壁截面为曲线流道可加工性的二维表征图像。

步骤3，通过图像边界拟合手段依次获取各二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁。以流道尺寸为依据匹配各加工位置合适的刀具种类与尺寸；基于各加工位置所匹配的刀具，设每一加工位置匹配刀具的刀尖坐标为(x₀,y₀)，刀具直径为d，刀具长度为l，刀具倾角为α，建立刀具的水平集函数Ω₂：

步骤4，确定该流道粗分段刀具的起始位置，根据增减材复合制造工艺约束计算粗分段二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁与刀具水平集函数Ω₂的交集，并获得下一工序的铣削起始位置，循环求解获得各粗分段中满足无碰撞条件下的流道再划分结果；

对于加工单条流道而言，增材始终沿流道轴线方向，因此增材喷头始终保持在流道已成型区域的上方，无需考虑增材喷头与已加工区域之间的干涉问题；减材过程即流道内壁的铣削过程中存在工艺约束问题，其本质上是为了保证在刀具与已成型区域无碰撞的情况下流道内壁能够完全铣削。

在二维表征图像的基础上分析减材工艺约束，存在不同特征的流道段内壁铣削干涉问题。参考图4，每个内壁减材工序都需要在内壁靠近上端面的位置留下一定深度的区域不进行铣削，即平面B至平面C这一区域。定义该区域为增减交替工艺中的加工余量，其可作为下一个增材工序中零件内壁边缘的支撑结构，降低边缘的坍塌程度，保持流道整体工艺的一致性。为在减材工序中保留这一加工余量，应选用球头铣刀加工内壁。定义刀具倾角α恒定，由于当前内壁减材工序中保留的加工余量需要在下一个减材工序中去除，为了确保球头铣刀在下一次减材时可以铣削到加工余量的最下端即平面C所处位置，下一个减材工序开始前的已成型区域最高位置不应超过点d所在的流道截面。加工余量的厚度δ可由以下公式计算获得：δ＝h_m+h_s。其中，由于d点处为刀具与流道干涉的极限位置，因此设置安全高度h_s来保证实际加工中刀具不会与流道发生碰撞。由于刀具相对于流道轴线倾斜加工，在当前减材过程中刀具铣削至平面C时，存在刀具侧刃铣削到端面处的可能性，导致下一次增材过程中边缘支撑不完全，因此设置最小高度h_m来保证端面处内壁不被铣削。直线流道的增材方向总是沿直线方向，而曲线流道的加工会沿弯曲轴线转动，因此每次加工区域划分后都需要改变球头铣刀在二维图像中的倾斜角度以模拟实际加工过程中平台的旋转。

具体来说，基于可加工性的流道再划分算法依托于编程软件实现，以符号Ω表示各物体的水平集函数，处理各流道粗分段的具体流程如下:

(1)基于水平集方法进行图像演化以获取粗分段的水平集函数Ω₁，将二维图像转换成数值矩阵形式并保存至数据区，通过绘图功能将数值矩阵对应的二维图像复现于坐标系中，进而在后续步骤中更直观地查看流道的再划分过程。

(2)以该流道粗分段的底面为第一个增材和内壁减材工序的刀具起始位置，以每个加工余量的最下端为下一个内壁减材工序的刀具起始位置，进而通过几何表达式建立刀具的水平集函数Ω₂。

(3)求解流道粗分段水平集函数Ω₁和刀具水平集函数Ω₂的交集Δ。若Δ≠0，则表示两个水平集函数之间存在交集，以交集最低点所在截面进行再划分，此截面为下一个内壁减材工序的起始位置，随后依据步骤(2)中刀具水平集函数Ω₂的建立方法进行下一工序的求解，直至Δ＝0，则认为两水平集的交集为空集，此时该流道粗分段的再划分算法完成。当所有流道粗分段的再划分工作全部完成后，通过编程软件输出流道加工区域划分结果示意图与具体位置。

步骤5，将各再划分结果整理为增减材复合制造加工区域划分结果，规划各加工区域所需的加工序列，确定各工序的工艺类型与刀具种类，最终输出弯曲流道结构增减材复合制造的工艺规划结果。

根据加工区域划分结果制定加工工序，单次增减材交替周期的工序构成为增材-端面铣削-内壁铣削。其中，增材制造编程时通常会在模型端面位置添加偏置，使得每次增材工序后都需要对流道端面位置进行平面铣削，从而为下一次增材提供高精度的增材平面。

根据表1匹配各工序的工艺类型，对于增材工序而言，直线流道仅需使用三轴增材即可成型，而曲线流道由于其形心轴线并非直线，因此需使用五轴增材；对于内壁铣削工序而言，由于曲线流道内壁非圆柱形，因此必须使用球头铣刀进行五轴铣削，整条流道最后一道内壁铣削工序无需设置加工余量，若该区域为直线流道，则应采用立铣刀完成内壁铣削，除此之外的直线流道内壁均使用球头铣刀进行五轴联动加工。随后根据流道尺寸确定各工序对应的刀具类型与尺寸。最终，该方法可输出无碰撞的流道交替工序方案与对应的加工工艺共同构成的流道增减材工艺规划结果。

表1工序与工艺类型对照表

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供一种弯曲流道结构五轴增减材复合制造工艺规划系统，包括：

流道分段模块，用于根据弯曲流道的三维模型，将流道特征分类为直线流道和曲线流道；基于流道特征的不同，将三维模型初步划分为若干流道粗分段；

二维图像转化模块，根据流道的加工要求，将各粗分段的截面图像定义为其对应的二维表征图像；

水平集函数确立模块，用于求得各二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁，并基于各加工位置所匹配的刀具，建立刀具的水平集函数Ω₂；

流道再划分求解模块，根据增减材复合制造工艺约束计算粗分段与刀具水平集函数Ω₂的交集，循环求解获得各粗分段中满足无碰撞条件下的流道再划分结果；

加工区域划分模块，将各再划分结果整理为增减材复合制造加工区域划分结果，规划各加工区域所需的加工序列，确定各工序的工艺类型与刀具种类，输出弯曲流道结构增减材复合制造的工艺规划结果。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，以优化后弯曲流道的三维模型为本方法的输入对象，将流道特征分类为直线流道和曲线流道；基于流道特征的不同，将三维模型初步划分为若干流道粗分段；

步骤2，根据流道的加工要求，将各粗分段的截面图像定义为其对应的二维表征图像，后续的加工区域划分与工艺制定皆以二维表征图像为基础；

步骤3，通过图像边界拟合手段依次获取各二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁；以流道尺寸为依据匹配各加工位置合适的刀具种类与尺寸；基于各加工位置所匹配的刀具，建立刀具的水平集函数Ω₂；

步骤4，确定加工流道粗分段刀具的起始位置，根据增减材复合制造工艺约束计算粗分段二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁与刀具水平集函数Ω₂的交集，并获得下一工序的铣削起始位置，循环求解获得各粗分段中满足无碰撞条件下的流道再划分结果；

步骤5，将各再划分结果整理为增减材复合制造加工区域划分结果，规划各加工区域所需的加工序列，确定各工序的工艺类型与刀具种类，最终输出弯曲流道结构增减材复合制造的工艺规划结果；

其中，所述水平集函数Ω₂的获取方法为：在坐标系中将每一加工位置刀具的刀尖坐标表示为(x₀,y₀)，结合刀具直径d、刀具长度l和刀具倾角α，建立刀具的水平集函数Ω₂：

2.如权利要求1所述的一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，其特征是，所述流道特征的分类以流道内壁的形心轴线与垂直于形心轴线的横截面形状为判断流道特征的依据，若流道的横截面形状恒定且轴线始终为直线，则该流道为直线流道，否则将在横截面形状或轴线方向产生变化的位置进行划分，并定义新生成的流道粗分段为曲线流道。

3.如权利要求1所述的一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，其特征是，所述二维表征图像的定义方法为：

对于直线流道，其轴线任意截面的内壁形状完全一致，以两条平行于轴线的线段作为直线流道可加工性的二维表征图像；

对于曲线流道，其形心轴线仅能确定一个平面，以曲线流道内拐角的最低点处的内壁截面作为曲线流道可加工性的二维表征图像。

4.如权利要求1所述的一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，其特征是，所述水平集函数Ω₁的获取方法为：将二维表征图像转换成数值矩阵形式并保存至数据区，通过绘图功能将数值矩阵对应的二维表征图像复现于坐标系中，二维表征图像在坐标系中所对应的坐标集即为水平集函数Ω₁。

5.如权利要求1所述的一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，其特征是，所述加工流道粗分段刀具的起始位置为该流道粗分段的底面为第一个增材和内壁减材工序的刀具起始位置；

若当前流道粗分段位于其他已加工流道粗分段之后时，以每个加工余量的最下端为下一个内壁减材工序的刀具起始位置。

6.如权利要求5所述的一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，其特征是，所述流道再划分的方法为：

求解流道粗分段水平集函数Ω₁和刀具水平集函数Ω₂的交集Δ，若Δ≠0，则表示两个水平集函数之间存在交集，以交集最低点所在截面进行再划分，此截面为下一个内壁减材工序的起始位置，随后重新建立刀具水平集函数Ω₂进行下一工序的求解，直至Δ＝0，则认为两水平集的交集为空集，此时该流道粗分段的再划分完成。

7.如权利要求1所述的一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，其特征是，所述工艺类型的确定过程为：对于直线流道，使用三轴增材成型工艺；对于曲线流道，使用五轴增材成型工艺。

8.如权利要求1所述的一种流道结构增减材复合制造工艺规划方法，其特征是，所述刀具种类的确定过程为：对于直线流道，若为整条流道最后一段使用立铣刀进行内壁铣削，若非整条流道最后一段，使用球头铣刀进行内壁铣削；对于曲线流道，使用球头铣刀进行内壁铣削。

9.一种流道结构增减材复合制造工艺规划系统，包括：

流道分段模块，用于根据弯曲流道的三维模型，将流道特征分类为直线流道和曲线流道；基于流道特征的不同，将三维模型初步划分为若干流道粗分段；

二维图像转化模块，根据流道的加工要求，将各粗分段的截面图像定义为其对应的二维表征图像；

水平集函数确立模块，用于求得各二维表征图像中对应的水平集函数Ω₁，并基于各加工位置所匹配的刀具，建立刀具的水平集函数Ω₂；

流道再划分求解模块，根据增减材复合制造工艺约束计算粗分段与刀具水平集函数Ω₂的交集，循环求解获得各粗分段中满足无碰撞条件下的流道再划分结果；

加工区域划分模块，将各再划分结果整理为增减材复合制造加工区域划分结果，规划各加工区域所需的加工序列，确定各工序的工艺类型与刀具种类，输出弯曲流道结构增减材复合制造的工艺规划结果；

其中，所述水平集函数Ω₂的获取方法为：在坐标系中将每一加工位置刀具的刀尖坐标表示为(x₀,y₀)，结合刀具直径d、刀具长度l和刀具倾角α，建立刀具的水平集函数Ω₂：