CN116991117A - 一种面向个性化零件加工的快速编程方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向个性化零件数控加工的快速编程方法，包括：对零件表面进行数据点采样；根据零件的轮廓度带对欠切部位构建加工可行点集；提取刀位源文件中的理论刀触点集；以可行点集作为变形目标，对理论刀触点集做基于高斯概率分布的变形，并对变形后的离散点集依据刀具种类和加工方法反算刀位点；将反算后的刀位点重新写入，生成适应当前零件的加工工艺刀位源文件。本发明为薄壁零件的加工提供了快速编程方法，降低了薄壁零件因欠切和过切导致的高废品率，提高了薄壁零件的加工精度与效率。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工制造技术领域，具体涉及一种面向个性化零件加工的快速编程方法。
背景技术
为了实现航空零部件的高效高质量制造，热成形制造结合数控铣削的复合加工是目前薄壁零件的主要制造方式。传统薄壁零件从整体坯料到最终的零件成型，需要多次对毛坯进行数控减材加工，零件的生产周期长且材料去除率较高。航空领域结构件中，材料往往选择以钛合金为代表的难加工材料，价格昂贵，导致了航空领域结构件成本高。目前，薄壁零件往往采用近净成型，零件成形后仅留有少量加工余量，通过数控铣削、磨削等加工方法去除余量，以大幅减少薄壁零件的制造周期，减少材料成本。然而，在近净成型过程中由于温度的波动、模具的磨损和热形变等因素影响，热成形后的薄壁零件外形与理论形状存在偏差，使得加工余量分布不均甚至不足，导致铣削加工过程中出现部分区域欠切或轮廓度、厚度超差，直接影响航空零部件的制造精度甚至产生报废。目前主要是通过手工矫形、打磨等操作提高零件的加工精度，严重依赖工人的操作技能与经验，造成零件生产周期较长且质量一致性差。
现有技术通常采用镜像补偿等离散方法对轮廓误差进行预补偿。专利公开号为CN116107262A的发明中公开了一种基于数控加工路径全局解析重构的轮廓误差预补偿方法，旨在解析重构出零轮廓误差条件下的整体刀具路径，从而有效提升数控加工轮廓精度。该方法通过解析建立全局加工路径的轮廓误差预补偿模型，从而将复杂的轮廓误差预补偿问题转化为实际样条路径控制点的重构求解问题，实现对轮廓误差矢量的全局优化调整。该发明解决的是零件的随形加工问题，旨在保证零件加工表面的光顺，不涉及零件的轮廓度公差带，即在保证零件加工表面的光顺性的同时还保证型面轮廓符合公差要求的问题。专利公开号为CN115146405A的发明中公开了一种基于非刚性配准变形的薄壁零件模型重构方法，包括：1）对零件毛坯表面进行数据点采样，并对采样点进行去噪、排序等预处理操作；2）以采样点集作为匹配目标，对零件的理论CAD模型与预处理后的采样点进行刚性配准；3）采用等截面法和相交操作获取配准后理论CAD模型不同位置的截面线，并采用等参数法将截面线离散为点集。以采样点集作为变形目标，对理论截面线的离散点集做基于高斯概率分布的变形，并对变形后的离散点集采用NURBS曲线插值生成截面线；4）通过放样截面线的方法生成适应当前零件的加工工艺CAD模型。该发明解决了薄壁零件因热成形变形引起的实际毛坯几何外形无法包络理论CAD模型而造成的加工余量不足的问题，即该发明同样解决的是因加工余量不足而产生的欠切问题，保证零件加工表面的光顺性，并无考虑零件型面的轮廓公差要求；并且该专利还需根据重构模型再次在三维软件中导入模型、选择加工区域，生成加工路径及后处理等步骤。前述这些方法都不涉及对个性化零件加工的编程方法的优化。
发明内容
本发明提供了一种面向个性化零件加工的快速编程方法，针对易变形的薄壁零件，通过对理论刀触点采用非刚性配准的变形手段，使得变形后的刀触点可被实际毛坯外形包围，即具有均匀的加工余量，实现对薄壁零件理论刀位文件的个性化定制。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种面向个性化零件加工的快速编程方法，所述快速编程方法包括以下步骤：
S1，通过接触式探针或非接触式的点激光位移传感器对零件毛胚表面进行数据点采样，对采样点进行去噪和排序预处理，得到预处理后的采样点集；
S2，将零件公差带面离散成为与采样点数相同的离散点集，并与预处理后的采样点集进行配准以计算得到零件公差带面的可行点集；
S3，提取当前零件的加工工艺刀位源文件中的理论刀触点集；以可行点集作为变形目标，对理论刀触点集做基于高斯概率分布的变形，得到可行刀触点集；
S4，依据刀具种类和加工方法，基于变形后的离散点集求解得到反算刀位点，并将反算后的刀位点重新写入当前零件的加工工艺刀位源文件。
进一步地，步骤S1中，通过接触式探针或非接触式的点激光位移传感器对零件表面进行数据点采样的过程包括以下步骤：
采用弦高差法对零件CAD模型表面进行数据点采样规划，将所规划采样区域的点集拟合成曲线，并将其与零件CAD模型做偏差比较，选取零件线轮廓度加工要求精度为弦公差，作为采样点数优化约束条件，采样点在零件曲率突变处分布比平滑处多；
基于数据点采样规划，将采样点数据处理成为机床识别的数控测量程序，通过接触式探针或非接触式的点激光位移传感器对零件表面进行数据点采样。
进一步地，步骤S1中，对采样点进行去噪、排序预处理的过程包括以下步骤：
设定偏离阈值，从采样点中排除偏离值大于偏离阈值的曲面轮廓的噪点；
对去噪后的采样点进行排序，排序后的点集顺序与测量顺序相同，且在拟合时不会出现曲线的自相交。
进一步地，步骤S2中，将零件公差带面离散成为与采样点数相同的离散点集，并与采样点进行配准以计算得到零件公差带面的可行点集的过程包括以下步骤：
在三维建模软件中对零件理论公差带进行建模，采用等参数法将NURBS公差带曲面进行离散，依据NURBS公差带曲面上的每个点的坐标值获得离散点的坐标值：
；
其中，为控制顶点，/>为权重因子，/>和/>分别为u向k次和v向l次B样条基函数；参数u,v的取值范围均为[0,1]，被根据可行点个数均分为n份；为曲面型值点，u和v分别为曲面的两个参数方向，i和j分别为控制顶点在u和v方向的编号，m和n分别为控制顶点在u和v方向的总数，k和l分别为u和v方向B样条曲线次数；
基于权重将离散点与采样点进行配准，计算得到可行点集：
；
其中，为可行点，/>为实测点，/>为公差带离散点，/>为权重因子。
进一步地，步骤S3中，提取当前零件的加工工艺刀位源文件中的理论刀触点集的过程包括以下步骤：
S31，导入模板刀位点文件；
S32，逐行读取数据，判断当前行是否存在GOTO字符，如果有，转入步骤S33，否则，转入步骤S34；
S33,判断当前行是否存在字符，若读取到/>字符，记录下/>字符后的刀触点数据；
S34，判断模板刀位点文件是否读取结束，如果没有，当前行的行数加一，转入步骤S32，否则，输出记录的所有的刀触点数据作为理论刀触点集，结束流程。
进一步地，步骤S3中，以可行点集作为变形目标，对理论刀触点集做基于高斯概率分布的变形，得到可行刀触点集的过程包括以下步骤：
将可行点集和理论刀触点集作为输入，以可行点集作为变形目标，建立点对间的对应关系，计算可行点集和理论刀触点集之间的高斯概率密度：
求解的最大值所对应的变换矩阵并对理论刀触点集进行基于高斯概率分布的变形。
进一步地，步骤S4中，对于侧铣加工，反算刀位点的求解公式为：
；
式中，为刀具刀位点，/>为加工瞬时刀触点，/>为刀具半径，/>为理论轮廓单位法矢。
进一步地，步骤S4中，对于立铣加工，反算刀位点的求解公式为：
；
式中，为刀具刀位点，/>为加工瞬时刀触点，/>为刀具半径，/>为圆角半径，为理论轮廓单位法矢，/>为刀轴单位法矢；当使用圆角铣刀时，/>的取值根据刀具几何尺寸确定；当使用球头铣刀时，r=R；当使用平底铣刀时，r=0。
进一步地，步骤S4中，将反算后的刀位点重新写入当前零件的加工工艺刀位源文件的过程包括以下步骤：
S41，导入模板刀位点文件；
S42，逐行读取数据，判断当前行是否存在GOTO字符，如果有，转入步骤S43，否则，转入步骤S44；
S43,判断当前行是否存在字符，若读取到/>字符，将反算后的刀位点数据写入GOTO字符之后；
S44，判断模板刀位点文件是否读取结束，如果没有，当前行的行数加一，转入步骤S32，否则，输出复写完成的模板刀位点文件，结束流程。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的面向个性化零件加工的快速编程方法，解决了薄壁零件因近净成型热工艺引起的实际几何外形无法包围理论CAD模型的加工余量不足的问题，降低了薄壁零件因欠切和过切导致的高废品率，有效地提高了薄壁零件的加工精度与效率。
本发明的面向个性化零件加工的快速编程方法，在考虑零件型面轮廓度公差的同时，省去现有技术中的诸如根据重构模型再次在三维软件中导入模型、选择加工区域，生成加工路径及后处理等繁琐步骤，直接无人为干预地生成可加工的导轨文件，实现了对于个性化零件的快速定制化加工。
附图说明
图1为本发明的面向个性化零件加工的快速编程方法流程图；
图2为本发明的可行点获取示意图；
图3为本发明的非刚性配准示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明公开了一种面向个性化零件加工的快速编程方法，所述快速编程方法包括以下步骤：
S1，通过接触式探针或非接触式的点激光位移传感器对零件毛胚表面进行数据点采样，对采样点进行去噪和排序预处理，得到预处理后的采样点集；
S2，将零件公差带面离散成为与采样点数相同的离散点集，并与预处理后的采样点集进行配准以计算得到零件公差带面的可行点集；
S3，提取当前零件的加工工艺刀位源文件中的理论刀触点集；以可行点集作为变形目标，对理论刀触点集做基于高斯概率分布的变形，得到可行刀触点集；
S4，依据刀具种类和加工方法，基于变形后的离散点集求解得到反算刀位点，并将反算后的刀位点重新写入当前零件的加工工艺刀位源文件。
如图1所示，本发明涉及了快速编程技术、数字化测量技术、计算机图形学技术等。本发明的一种面向个性化零件加工的快速编程方法，基于基于高斯概率分布的变形的模型重构方法主要包括五个部分：数据准备、可行点获取、刀触点提取、基于高斯概率分布的变形、刀位点复写。
数据准备具体过程如下：首先采用弦高差法对零件CAD模型表面进行数据点采样规划，将所规划采样区域的点集拟合成曲线，并将其与零件CAD模型做偏差比较，选取零件线轮廓度加工要求精度为弦公差，作为采样点数优化约束条件，采样点在零件曲率突变处分布较多，平滑处较少，反应零件外形特征变化。之后将采样点数据经过配置好的后处理程序处理成为机床可识别的数控测量程序，开始对实际毛坯进行外形测量。测量结束后，对测量点数据进行检查，排除明显偏离曲面轮廓的噪点，点集表面光滑反应曲面特征。之后对去噪后的测量点进行排序，排序的原则是排序后的点集顺序应与测量顺序相同，且在后续拟合时不能出现曲线的自相交。由于金属表面的反光特性，以及零件表面清洁度均会对点激光位移传感器产生影响，使得采样的数据点中有时会掺杂噪点，即不合理的离群点。所以需要通过对采样点进行去噪操作，去除多余、异常点，从而精简采样点数据，提升运算速率；之后对采样数据点进行排序，防止在后续数据点拟合时出现曲线的自相交。
可行点获取具体过程如下：首先在三维建模软件中对零件理论公差带进行建模，之后采用等参数法将NURBS公差带曲面进行离散，其中NURBS曲面数学表述见式（1）：
（1）
其中，为控制顶点，/>为权重因子，/>和/>分别为u向k次和v向l次B样条基函数。
参数u,v的取值范围为[0,1]，等参数法即根据所需取可行点个数将参数u,v均分为n份，依据每点所对应的坐标值依据公式（1）获得对应点的坐标值。再将实测点集与可行点集间通过基于权重的方法计算得到可行点集（如图2所示），其数学表述见式（2）：
（2）
其中，为可行点，/>为实测点，/>为公差带离散点，/>为权重因子。
在进行模板刀触点提取时，首先识别出GOTO语句所在的行，其中包含刀具快进段以及实际切削段，区别就在于实际切削段中会以将数据点分隔，/>前为刀位点信息，后为刀触点信息。刀触点提取具体过程如下：将模板刀位点文件导入，读取第一行，若读取到GOTO字符，则继续读取；若没有，则跳转到下一行，直至读取到GOTO字符。当读取到GOTO字符后，再判断是否读取到/>字符，若读取到/>字符，则记录下/>字符后的刀触点数据，跳转至下一行；若没有，则跳转至下一行。当最后一行读取结束时刀触点提取完成。
非刚性变形具体过程如下：将计算所获数据点集（以下简称为可行点集）和理论刀位文件所取刀触点集（以下简称为刀触点集）作为输入，以可行点集作为变形目标，建立点对间的对应关系，依据公式（3）得到可行点集和理论刀触点集间的概率密度，接下来通过优化迭代，求解/>的最大值所对应的变换矩阵/>，以及变换后的刀触点集，从而实现对刀触点集与可行点集间的基于高斯概率分布的变形（如图3所示）。
接下来需要根据加工方式以及刀具类型来进行刀位点的求解，对于侧铣加工，其数学表述为：
；
式中，为刀具刀位点，/>为加工瞬时刀触点，/>为刀具半径，/>为理论轮廓单位法矢。
对于立铣加工，其数学表述为：
；
式中，为刀具刀位点，/>为加工瞬时刀触点，/>为刀具半径，/>为圆角半径，为理论轮廓单位法矢，/>为刀轴单位法矢；当使用圆角铣刀时，/>的取值根据刀具几何尺寸确定；当使用球头铣刀时，r=R；当使用平底铣刀时，r=0。
经过非刚性变形的刀触点反算得到的可行刀位点，对其进行后处理即可生成适应零件外形的个性化数控加工程序。刀位点复写具体过程如下：根据加工工艺和刀具几何参数，将变形后刀触点反算为刀位点。将模板刀位点文件导入，读取第一行，若读取到GOTO字符，则继续读取；若没有，则跳转到下一行，直至读取到GOTO字符。当读取到GOTO字符后，再判断是否读取到字符，若读取到/>字符，则将反算后的刀位点数据写入GOTO字符后，跳转至下一行；若没有，则跳转至下一行。当最后一行读取结束时刀位点复写完成。
本发明为薄壁零件的加工提供了快速编程方法，解决了薄壁零件因热成形变形引起的实际毛坯几何外形无法包络理论模型CAD模型，即加工余量不足的问题，降低了薄壁零件因欠切和过切导致的高废品率，提高了薄壁零件的加工精度与效率。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器运行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上运行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上运行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，所述快速编程方法包括以下步骤：
S1，通过接触式探针或非接触式的点激光位移传感器对零件毛胚表面进行数据点采样，对采样点进行去噪和排序预处理，得到预处理后的采样点集；
S2，将零件公差带面离散成为与采样点数相同的离散点集，并与预处理后的采样点集进行配准以计算得到零件公差带面的可行点集；
S3，提取当前零件的加工工艺刀位源文件中的理论刀触点集；以可行点集作为变形目标，对理论刀触点集做基于高斯概率分布的变形，得到可行刀触点集；
S4，依据刀具种类和加工方法，基于变形后的离散点集求解得到反算刀位点，并将反算后的刀位点重新写入当前零件的加工工艺刀位源文件。
2.根据权利要求1所述的面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，步骤S1中，通过接触式探针或非接触式的点激光位移传感器对零件表面进行数据点采样的过程包括以下步骤：
采用弦高差法对零件CAD模型表面进行数据点采样规划，将所规划采样区域的点集拟合成曲线，并将其与零件CAD模型做偏差比较，选取零件线轮廓度加工要求精度为弦公差，作为采样点数优化约束条件，采样点在零件曲率突变处分布比平滑处多；
基于数据点采样规划，将采样点数据处理成为机床识别的数控测量程序，通过接触式探针或非接触式的点激光位移传感器对零件表面进行数据点采样。
3.根据权利要求1所述的面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，步骤S1中，对采样点进行去噪、排序预处理的过程包括以下步骤：
设定偏离阈值，从采样点中排除偏离值大于偏离阈值的曲面轮廓的噪点；
对去噪后的采样点进行排序，排序后的点集顺序与测量顺序相同，且在拟合时不会出现曲线的自相交。
4.根据权利要求1所述的面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，步骤S2中，将零件公差带面离散成为与采样点数相同的离散点集，并与采样点进行配准以计算得到零件公差带面的可行点集的过程包括以下步骤：
在三维建模软件中对零件理论公差带进行建模，采用等参数法将NURBS公差带曲面进行离散，依据NURBS公差带曲面上的每个点的坐标值获得离散点的坐标值：
其中，为控制顶点，/>为权重因子，/>和/>分别为u向k次和v向l次B样条基函数；参数u,v的取值范围均为[0,1]，被根据可行点个数均分为n份；为曲面型值点，u和v分别为曲面的两个参数方向，i和j分别为控制顶点在u和v方向的编号，m和n分别为控制顶点在u和v方向的总数，k和l分别为u和v方向B样条曲线次数；
基于权重将离散点与采样点进行配准，计算得到可行点集：
其中，为可行点，/>为实测点，/>为公差带离散点，/>为权重因子。
5.根据权利要求1所述的面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，步骤S3中，提取当前零件的加工工艺刀位源文件中的理论刀触点集的过程包括以下步骤：
S31，导入模板刀位点文件；
S32，逐行读取数据，判断当前行是否存在GOTO字符，如果有，转入步骤S33，否则，转入步骤S34；
S33,判断当前行是否存在字符，若读取到/>字符，记录下/>字符后的刀触点数据；
S34，判断模板刀位点文件是否读取结束，如果没有，当前行的行数加一，转入步骤S32，否则，输出记录的所有的刀触点数据作为理论刀触点集，结束流程。
6.根据权利要求1所述的面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，步骤S3中，以可行点集作为变形目标，对理论刀触点集做基于高斯概率分布的变形，得到可行刀触点集的过程包括以下步骤：
将可行点集和理论刀触点集作为输入，以可行点集作为变形目标，建立点对间的对应关系，计算可行点集和理论刀触点集之间的高斯概率密度：
求解的最大值所对应的变换矩阵并对理论刀触点集进行基于高斯概率分布的变形。
7.根据权利要求1所述的面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，步骤S4中，对于侧铣加工，反算刀位点的求解公式为：
式中，为刀具刀位点，/>为加工瞬时刀触点，/>为刀具半径，/>为理论轮廓单位法矢。
8.根据权利要求1所述的面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，步骤S4中，对于立铣加工，反算刀位点的求解公式为：
式中，为刀具刀位点，/>为加工瞬时刀触点，/>为刀具半径，/>为圆角半径，/>为理论轮廓单位法矢，/>为刀轴单位法矢；当使用圆角铣刀时，/>的取值根据刀具几何尺寸确定；当使用球头铣刀时，r=R；当使用平底铣刀时，r=0。
9.根据权利要求1所述的面向个性化零件加工的快速编程方法，其特征在于，步骤S4中，将反算后的刀位点重新写入当前零件的加工工艺刀位源文件的过程包括以下步骤：
S41，导入模板刀位点文件；
S42，逐行读取数据，判断当前行是否存在GOTO字符，如果有，转入步骤S43，否则，转入步骤S44；
S43,判断当前行是否存在字符，若读取到/>字符，将反算后的刀位点数据写入GOTO字符之后；
S44，判断模板刀位点文件是否读取结束，如果没有，当前行的行数加一，转入步骤S32，否则，输出复写完成的模板刀位点文件，结束流程。
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