CN102591252A - 平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法 - Google Patents

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CN102591252A CN2012100589568A CN201210058956A CN102591252A CN 102591252 A CN102591252 A CN 102591252A CN 2012100589568 A CN2012100589568 A CN 2012100589568A CN 201210058956 A CN201210058956 A CN 201210058956A CN 102591252 A CN102591252 A CN 102591252A
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杜宝瑞
郑国磊
初宏震
许璟琳
王勃
张辉
王碧玲
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Beihang University
Shenyang Aircraft Industry Group Co Ltd
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Beihang University
Shenyang Aircraft Industry Group Co Ltd
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Abstract

本发明涉及平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，该算法实现的主要步骤有：
Figure 2012100589568100004DEST_PATH_IMAGE002
加工区域获取；
Figure 2012100589568100004DEST_PATH_IMAGE004
加工余量计算；
Figure 2012100589568100004DEST_PATH_IMAGE006
长刀轨计算；筋条端面刀轨计算；
Figure 2012100589568100004DEST_PATH_IMAGE010
凹凸筋条刀轨计算；刀轨路径长度计算。该算法可完成平行壁板数控加工最短刀具轨迹的计算及输出，从而提高壁板加工效率，提高壁板加工的质量。

Description

平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法
技术领域
本发明涉及平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，用于飞机复杂壁板数控编程中刀具轨迹的生成，属于飞机数字化数控编程技术领域。
背景技术
计算机、编程以及高速切削加工等数控相关技术的快速发展与广泛应用推动了飞机结构件制造技术的发展，现代飞机普遍采用性能优越的整体薄壁结构件。但是，由于整体结构件具有结构复杂、制造精度要求高且加工难度大等特点，现有的工艺准备和数控编程方式已成为进一步提高飞机整体结构件制造质量和效率的最主要制约因素。例如，采用CATIA***自动生成平行筋条壁板数控加工的刀具轨迹，只能获取产品的底层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息，而且生成的刀具轨迹质量较差，难以满足工程需求。因此，研究平行筋条壁板数控加工刀轨的计算及优化算法，提高数控加工效率及质量已成为高效数控加工技术急需解决的问题。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种平行筋条壁板数控加工刀轨的计算及优化算法，该算法可完成平行筋条壁板数控加工最短刀具轨迹的计算及输出，从而提高平行筋条壁板的加工效率，提高壁板数控加工的质量。
本发明的具体技术方案如下：
1. 平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，其特征在于该方法实现的主要步骤有：
1）加工区域获取，通过获取加工壁板的外形轮廓，识别壁板上筋条，对加工面元进行初始分割后，在分割的结果上重新调整、吸纳和合并加工面元，最终形成最优的加工域元；
2）加工余量计算，是在加工区域的基础上，在两筋条侧壁之间进行导轨计算，使各刀轨尽量减少排刀；
3）长刀轨计算，刀轨的计算分别从X方向和Y方向进行，以提高加工速度；
4）筋条端面刀轨计算，包括端面处理原则和端面局部层面Z向划分处理原则；
5）凹凸筋条刀轨计算，筋侧壁面不在同一面上的为凹凸筋，对凹凸筋条的凹区域不加工和加工n次确定不同的排刀刀轨；
6）刀轨路径长度计算，考虑加工刀轨与刀轨间的连接过渡线的长度，不考虑进退刀刀轨长度，同时尽量减少空刀轨及抬刀进刀，尽量避免刀具不切削而贴着零件表面移动；
7）最短路径刀轨数据输出。
所述加工区域获取的步骤如下：
a）加工面域计算：外轮廓草图向内偏置后得到外轮廓偏置草图，用填充将外轮廓偏置草图封闭成面FACE，偏置距离为加工余量与刀具半径之和；
b）筋条识别：识别加工面上的筋条，并计算筋条域，各筋条域向外偏置生成筋条外偏置草图，采用裁剪功能，在面FACE上减去筋条偏置后所得的区域，生成用于划分刀轨的代加工区域；
c）加工面域初始分割：将筋条的边界作为分割线，对待加工区域进行初始分割；
d）域元构造及优化：根据刀轨最短原则，在上述分割结果的基础上重新调整、吸纳和合并加工面元，最终形成最优的加工域元。
所述加工余量计算的步骤如下：
（1）将两条筋条侧壁按照理论加工余量                                                
Figure 529678DEST_PATH_IMAGE001
进行偏置，得到理论偏置面
Figure 514951DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）将两个理论偏置面
Figure 887027DEST_PATH_IMAGE003
分别偏置
Figure 255954DEST_PATH_IMAGE004
，得到该区域最外侧的两刀轨线边界线
Figure 371677DEST_PATH_IMAGE005
；
（3）判断这两条边界线的距离，若L/A p 所得的余数小于加工余量最大偏移量的两倍，转（4），若余数大于加工余量最大偏移量的两倍，则在该处排n+2条刀轨，此时的刀轨距离为
Figure 816751DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 938553DEST_PATH_IMAGE008
为刀轨进行余量调整后的径向进给量，n为L/A p 的商；
（4）对局部侧壁加工余量进行调整从而减少刀轨数量，将两筋条侧壁的加工余量由理论加工余量
Figure 592388DEST_PATH_IMAGE009
改为
Figure 614571DEST_PATH_IMAGE010
，此时再进行排刀计算，只需n+1条刀轨即可加工完毕，比正常余量刀轨少一刀，其中，
Figure 328449DEST_PATH_IMAGE011
，为两筋条之间的最短距离，为刀具半径；
（5）将筋条侧壁偏置实际加工余量
Figure 943866DEST_PATH_IMAGE014
，得到修正后的实际偏置面，再分别偏置
Figure 95679DEST_PATH_IMAGE004
，得到修改后的刀轨线边界线
Figure 294579DEST_PATH_IMAGE005
，然后进行排刀和刀轨计算，得到所有修正的实际刀轨线。
所述的长刀轨计算方法为先纵向即沿Y方向加工，后横向即沿X方向加工筋条侧壁之间包围的区域。
所述的筋条端面刀轨计算方法包含端面处理原则与端面局部层面Z向划分处理原则，
（1）端面处理原则：比较局部区域的长度，取较长者作为加工方向；
（2）端面局部层面Z向划分处理原则：当输入的“当前层的纵向切深”大于输入的“局部筋条端面区域分层高度”时，若加工区域的端面加工在其所涉及的筋侧壁加工完成后再进行加工时，需要对该部分区域进行分层。
 应用本发明提出的平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法的效果如下：（1）对刀轨计算原则进行了定义，创造性地将实际的加工原则信息化，将显著提高加工的效率；（2）刀具轨迹最短思想贯穿整个方法过程中，将极大地提高壁板数控加工的速度和质量。总而言之，采用本发明提出的平行壁板数控加工刀轨计算及优化算法将极大提高数控加工的质量，缩短制造乃至整个飞机生产周期。
附图说明
图1为输入面及加工区域划分，其中：实线椭圆区域由两筋条端面组成，虚线椭圆区域由单筋条与零件、毛坯、刀轨或筋条的边界线组成，点画线椭圆区域由凹凸筋条组成，箭头指引方向为筋条。
图2为加工面域初步分割结果的七种情况。
图3（a、b和c）为加工域元构造过程。
图4为余量调整前后的刀轨分布。
图5 a为长刀轨X轴加工示意图。
图5 b为长刀轨Y轴加工示意图。
图6为筋条端面示意图，其中，区域IV由两筋条端面组成，区域V由单个筋条端面与零件或毛坯边界组成，区域VI由单筋条的端面与区域II的边界线组成。
图7 a为图6区域IV的Y方向刀轨。
图7 b为图6区域VI的Y方向刀轨。
图7 c为图6区域IV的X方向刀轨。
图7 d为图6区域VI的X方向刀轨。
图8 a为凹凸筋条刀轨计算示意图。
图8 b为图8a的C区域局部放大示意图。
图8 c为凹凸筋条凹区域不加工刀轨示意图。
图8 d为凹凸筋条凹区域加工n次排刀刀轨示意图。
图8 e为凹凸筋条凹区域加工n+1次排刀刀轨示意图。
具体实施方式
平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，是建立在CAD/CAM***平台上，实现平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化的一种方法。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明，本实施例是在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的实现过程，但是本发明的保护范围不限于下述实施实例。
平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，该方法实现的主要步骤有：
步骤1）加工区域获取。加工区域获取的主要内容有：加工面域计算；筋条识别及域计算；加工面域初始分割；域元构造及优化。图1所示为输入面信息及待加工区域的划分，待加工区域用于划分加工刀轨，加工区域的获取过程如下： 
a）加工面域计算。如图1所示，外轮廓草图向内偏置后得到外轮廓偏置草图，用填充将外轮廓偏置草图封闭成面FACE，偏置距离为加工余量与刀具半径之和；
b）筋条识别。识别加工面上的筋条，并计算筋条域，各筋条域向外偏置生成筋条外偏置草图，采用裁剪功能，在面FACE上减去筋条偏置后所得的区域，生成用于划分刀轨的代加工区域，如图1所示；
c）加工面域初始分割。以图2a）所示的面元为例，将筋条的边界作为分割线，对待加工区域进行划分，加工面域初始分割结果示例如图2（b、c、d、e、f、g）所示；
d）域元构造及优化。以图3a）所示的面元为例，经过加工面域初始分割得到图3b）所示的加工面元，根据刀轨最短原则，在上述分割结果的基础上重新调整、吸纳和合并加工面元，最终形成最优的加工域元如图3c）所示；
步骤2）加工余量计算。实际加工中为了使各刀轨尽量减少排刀，需要进行加工余量的计算。图4所示为余量调整前后的刀轨分布示意图，图中信息说明如下：
Figure 577061DEST_PATH_IMAGE012
——两筋条之间的最短距离；
Figure 393707DEST_PATH_IMAGE017
——筋条侧壁偏置理论加工余量
Figure 396298DEST_PATH_IMAGE001
后得到的理论偏置面；
Figure 982000DEST_PATH_IMAGE018
——筋条侧壁偏置实际加工余量
Figure 146265DEST_PATH_IMAGE019
后得到的实际偏置面；
Figure 450208DEST_PATH_IMAGE020
——按照理论加工余量得到的刀具轨迹线；
Figure 990911DEST_PATH_IMAGE021
——刀轨线边界线；
Figure 932584DEST_PATH_IMAGE022
——按照实际加工余量得到的刀具轨迹线；
Figure 533330DEST_PATH_IMAGE023
——修正刀轨线边界线；
——两刀轨边界线
Figure 403383DEST_PATH_IMAGE005
之间的距离；
Figure 698098DEST_PATH_IMAGE013
——刀具半径；
Figure 469745DEST_PATH_IMAGE025
——刀轨不进行余量调整时的径向进给量；
Figure 482700DEST_PATH_IMAGE008
——刀轨进行余量调整后的径向进给量；
——理论加工余量；
Figure 281471DEST_PATH_IMAGE026
——实际加工余量与理论加工余量的偏差，
Figure 224019DEST_PATH_IMAGE027
；
加工余量计算的详细流程如下：（1）将两条筋条侧壁按照理论加工余量
Figure 661954DEST_PATH_IMAGE001
进行偏置，得到理论偏置面
Figure 410467DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）将两个理论偏置面分别偏置
Figure 793224DEST_PATH_IMAGE004
，得到该区域最外侧的两刀轨线边界线
Figure 718454DEST_PATH_IMAGE005
；
（3）判断这两条边界线的距离
Figure 5079DEST_PATH_IMAGE006
，若
Figure 332155DEST_PATH_IMAGE028
所得的余数小于加工余量最大偏移量的两倍，转（4），若余数大于加工余量最大偏移量的两倍，则在该处排n+2条刀轨，此时的刀轨距离为
Figure 914709DEST_PATH_IMAGE007
；
（4）对局部侧壁加工余量进行调整从而减少刀轨数量。将两筋条侧壁的加工余量由理论加工余量
Figure 327236DEST_PATH_IMAGE009
改为
Figure 417551DEST_PATH_IMAGE010
，此时再进行排刀计算，只需n+1条刀轨即可加工完毕，比正常余量刀轨少一刀。其中，
Figure 599134DEST_PATH_IMAGE011
；
（5）将筋条侧壁偏置实际加工余量
Figure 116703DEST_PATH_IMAGE014
，得到修正后的实际偏置面
Figure 750947DEST_PATH_IMAGE015
，再分别偏置
Figure 379374DEST_PATH_IMAGE004
，得到修改后的刀轨线边界线
Figure 681042DEST_PATH_IMAGE005
，然后进行排刀和刀轨计算，得到实际刀轨线
Figure 865118DEST_PATH_IMAGE029
；
步骤3）长刀轨计算。加工时，一般优先考虑从X方向和Y方向进行长刀轨计算。X方向刀轨平行于筋条侧壁方向，Y方向刀轨平行于筋条断面方向，这两个方向的刀轨一般要按照图5所示的形式排列和计算；
步骤4）筋条端面刀轨计算。如图6所示，椭圆线包含的区域包括不同的端面类型。由两筋条端面组成的；由单个筋条的端面与零件边界（或毛坯边界）组成的；由单筋条的端面与Y方向的刀轨边界组成的，是由单根筋条与区域的边界线组成的；
（1）端面处理原则。如图7（a）所示，X方向刀轨线边界为刀轨1和刀轨2，两刀轨线之间的距离为
Figure 986658DEST_PATH_IMAGE030
；Y方向刀轨线边界为刀轨3和刀轨4，两刀轨线之间的距离为
Figure 418776DEST_PATH_IMAGE031
。端面处理的总原则是取局部区域较长的方向作为加工方向，具体细述如下：
a）若小于等于2倍步距，且
Figure 434323DEST_PATH_IMAGE033
大于2倍步距，即
Figure 43159DEST_PATH_IMAGE034
且
Figure 13389DEST_PATH_IMAGE035
，则按照图7（c）方式安排刀轨，采用X方向进给切削；
b）若
Figure 24070DEST_PATH_IMAGE032
大于2倍步距，且
Figure 555808DEST_PATH_IMAGE033
小于等于2倍步距，即
Figure 651940DEST_PATH_IMAGE036
且
Figure 425861DEST_PATH_IMAGE037
，则按照图7（a）方式安排刀轨，采用Y方向进给切削；
c）若
Figure 291048DEST_PATH_IMAGE038
，则采用Y方向进给切削；
d）若
Figure 429906DEST_PATH_IMAGE039
，则采用X方向进给切削；
e）若与
Figure 590946DEST_PATH_IMAGE031
的关系不满足上述四个条件，则分别计算X方向与Y方向两类刀轨的总长度，最后按照较短刀轨线方向进行排刀。图7（b）和（d）分别为区域类型的端面刀轨按照Y方向和X方向的规划实例；
（2）端面局部层面Z向划分处理原则。当输入的“当前层的纵向切深”大于输入的“局部筋条端面区域分层高度（一般为5mm）”时，若区域类型的端面加工在其所涉及的筋侧壁加工完成后再进行加工时，考虑到加工变形的影响不能直接按照当前的切深进行加工，需要对该部分区域进行分层，刀具路径仍按前述原则进行排列，只是在该区域内按照该路径分成多层进行加工，分层高度采用平均值；
步骤5）凹凸筋条刀轨计算。筋侧壁面不在同一面上的为凹凸筋，在整个壁板如图8（a）的区域所示。区域由凹凸筋与普通筋的侧壁组合而成，其中凹凸筋具有两加强面A和B，此处筋条比较厚，该两面为平行面，之间距离为0；另外凹凸筋有三个普通面，分别为C、D和E，面H在普通筋上，面C处的局部放大示意图如图8(b)所示。图中信息说明如下：
Figure 372957DEST_PATH_IMAGE009
——理论加工余量；
——面C偏置加工余量
Figure 317221DEST_PATH_IMAGE009
，得到的C偏置面；
Figure 370628DEST_PATH_IMAGE041
——面H偏置加工余量
Figure 272725DEST_PATH_IMAGE009
，得到的H偏置面；
Figure 753385DEST_PATH_IMAGE030
——
Figure 373722DEST_PATH_IMAGE042
与
Figure 965240DEST_PATH_IMAGE041
之间的距离；
Figure 721844DEST_PATH_IMAGE031
——
Figure 638984DEST_PATH_IMAGE043
与
Figure 982503DEST_PATH_IMAGE040
之间的距离；
Figure 377712DEST_PATH_IMAGE044
——
Figure 254402DEST_PATH_IMAGE043
与面C之间的距离；
Figure 76864DEST_PATH_IMAGE045
——
Figure 406214DEST_PATH_IMAGE040
与之间的距离；
凹凸筋条在X方向的排刀原则为：
a）若
Figure 336310DEST_PATH_IMAGE046
小于等于输入的“加工余量最大偏移量”，即在下一阶段能一刀直接加工完，那么区域VII的刀具轨迹线在
Figure 329674DEST_PATH_IMAGE042
与
Figure 641926DEST_PATH_IMAGE041
之间进行排列。其刀具轨迹如图8（c）所示；
b）设
Figure 378937DEST_PATH_IMAGE042
与
Figure 964640DEST_PATH_IMAGE041
之间已经计算的刀轨数为n+1，即
Figure 394484DEST_PATH_IMAGE047
，则
Figure 698426DEST_PATH_IMAGE042
与
Figure 973550DEST_PATH_IMAGE041
可以通过n次走刀完成加工，其刀轨示意图如图8（d）所示。否则需要通过n+1次走刀完成加工，此时刀轨示意图如图8（e）所示；
步骤6）刀轨路径长度计算。在计算刀轨路径长度时至少需要考虑加工刀轨与刀轨间的连接过渡线的长度，不考虑进退刀刀轨长度，同时尽量减少空刀轨及抬刀进刀，尽量避免刀具不切削而贴着零件表面移动；
步骤7）最短路径刀轨数据输出。

Claims (5)

1.平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，其特征在于该方法实现的主要步骤有：
1）加工区域获取，通过获取加工壁板的外形轮廓，识别壁板上筋条，对加工面元进行初始分割后，在分割的结果上重新调整、吸纳和合并加工面元，最终形成最优的加工域元；
2）加工余量计算，是在加工区域的基础上，在两筋条侧壁之间进行导轨计算，使各刀轨尽量减少排刀；
3）长刀轨计算，刀轨的计算分别从X方向和Y方向进行，以提高加工速度；
4）筋条端面刀轨计算，包括端面处理原则和端面局部层面Z向划分处理原则；
5）凹凸筋条刀轨计算，筋侧壁面不在同一面上的为凹凸筋，对凹凸筋条的凹区域不加工和加工n次确定不同的排刀刀轨；
6）刀轨路径长度计算，考虑加工刀轨与刀轨间的连接过渡线的长度，不考虑进退刀刀轨长度，同时尽量减少空刀轨及抬刀进刀，尽量避免刀具不切削而贴着零件表面移动；
7）最短路径刀轨数据输出。
2.如权利要求1所述的平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，其特征在于所述加工区域获取的步骤如下：
a）加工面域计算：外轮廓草图向内偏置后得到外轮廓偏置草图，用填充将外轮廓偏置草图封闭成面FACE，偏置距离为加工余量与刀具半径之和；
b）筋条识别：识别加工面上的筋条，并计算筋条域，各筋条域向外偏置生成筋条外偏置草图，采用裁剪功能，在面FACE上减去筋条偏置后所得的区域，生成用于划分刀轨的代加工区域；
c）加工面域初始分割：将筋条的边界作为分割线，对待加工区域进行初始分割；
d）域元构造及优化：根据刀轨最短原则，在上述分割结果的基础上重新调整、吸纳和合并加工面元，最终形成最优的加工域元。
3.如权利要求1所述的平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，其特征在于所述加工余量计算的步骤如下：
（1）将两条筋条侧壁按照理论加工余量                                                进行偏置，得到理论偏置面
Figure 15541DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）将两个理论偏置面
Figure 960363DEST_PATH_IMAGE003
分别偏置
Figure 873699DEST_PATH_IMAGE004
，得到该区域最外侧的两刀轨线边界线；
（3）判断这两条边界线的距离，若L/A p 所得的余数小于加工余量最大偏移量的两倍，转（4），若余数大于加工余量最大偏移量的两倍，则在该处排n+2条刀轨，此时的刀轨距离为
Figure 737116DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 272002DEST_PATH_IMAGE008
为刀轨进行余量调整后的径向进给量，n为L/A p 的商；
（4）对局部侧壁加工余量进行调整从而减少刀轨数量，将两筋条侧壁的加工余量由理论加工余量
Figure 385452DEST_PATH_IMAGE009
改为，此时再进行排刀计算，只需n+1条刀轨即可加工完毕，比正常余量刀轨少一刀，其中，
Figure 597307DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 658804DEST_PATH_IMAGE012
为两筋条之间的最短距离，
Figure 506937DEST_PATH_IMAGE013
为刀具半径；
（5）将筋条侧壁偏置实际加工余量
Figure 919463DEST_PATH_IMAGE014
，得到修正后的实际偏置面
Figure 9779DEST_PATH_IMAGE015
，再分别偏置
Figure 191362DEST_PATH_IMAGE004
，得到修改后的刀轨线边界线
Figure 443352DEST_PATH_IMAGE005
，然后进行排刀和刀轨计算，得到所有修正的实际刀轨线
Figure 343175DEST_PATH_IMAGE016
。
4.如权利要求1所述的平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，其特征在于：所述的长刀轨计算方法为先纵向即沿Y方向加工，后横向即沿X方向加工筋条侧壁之间包围的区域。
5.如权利要求1所述的平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法，其特征在于：所述的筋条端面刀轨计算方法包含端面处理原则与端面局部层面Z向划分处理原则，
（1）端面处理原则：比较局部区域的长度，取较长者作为加工方向；
（2）端面局部层面Z向划分处理原则：当输入的“当前层的纵向切深”大于输入的“局部筋条端面区域分层高度”时，若加工区域的端面加工在其所涉及的筋侧壁加工完成后再进行加工时，需要对该部分区域进行分层。
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