CN103984289B - 复杂结构件群峰特征自适应环绕轮廓铣削刀轨确定方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂结构件群峰特征自适应环绕轮廓铣削刀轨确定方法，其特征是先建立零件的加工坐标系，获取零件中的群峰特征，并按层对群峰特征进行划分，获取每一层的加工区域；然后通过截面法获取每一层的驱动线，通过偏置法得到加工的刀位线，添加需要的进退刀方式，生成完整的加工刀具轨迹。本发明生成的铣削加工刀轨准确，能够减少加工过程中的空走刀行程，提高零件的加工效率，同时能够提高零件的加工质量。

Description

复杂结构件群峰特征自适应环绕轮廓铣削刀轨确定方法

技术领域

本发明涉及一种零件数控加工方法，尤其涉及飞机复杂结构件群峰特征的轮廓铣自适应环绕铣削刀轨计算方法，主要是一种利用数控机床对飞机复杂结构件中的群峰特征环绕其实体模型外轮廓形状进行铣削的刀轨计算方法，属于CAD/CAPP/CAM技术领域。

背景技术

随着我国航空制造技术的飞速发展，在现代飞机的制造中，数控机床加工飞机复杂结构件的应用越来越广泛。飞机复杂结构件是飞机机体骨架和气动外形的重要组成部分。它具有形状复杂、尺寸大、加工精度要求高、刚度小、加工技术难度大等特点，飞机复杂结构件加工的效率和质量将直接影响飞机的质量和制造周期。

鉴于飞机复杂结构件的特点，据统计在90％以上的飞机大型整体框类零件中，槽特征所占的比例大约是98％。由于飞机框类零件的特点，常常在槽特征内型面中存在很多复杂结构，导致部分内型加工时工艺要求高，加工难度增大，加工效率低，加工质量不能保证，而且在编写该部分数控加工程序时，编程人员劳动量大。尤其是在比较长的内型面上，设计时一方面为了减轻重量，一方面为了保证零件的强度和刚度要求，在长的内型面建模时往往会出现连续的锯齿状结构，这样在一个内型面上的多个连续的锯齿状结构称为群峰特征。

对于这种群峰特征，传统的加工方法是：将群峰特征作为一个整体结构，找到其底部最大的驱动线，利用一个操作完成群峰特征的加工，顶面和过渡面作为筋部分处理。由于槽内型薄壁的原因，传统的加工方法不仅编程工作量特别大，出现弹刀、拉刀现象，而且会存在大量空走刀行程，特别是群峰特征顶面和底面的过度比较平缓的情况下，实际走刀的空走刀行程更大，造成加工效率低，从而使飞机的制造周期延长。

本发明所针对的复杂结构件群峰特征环绕其轮廓铣削的刀轨计算方法，生成的刀轨是根据切深环绕群峰特征外轮廓进行加工，具有以下优点：

1)生成的铣削加工刀轨准确，能够进行批量处理，减少工艺人员的编程工作量。

2)能够减少加工过程中的空走刀行程，提高零件的加工效率。

3)能够减少零件的加工变形，提高零件的加工质量。

群峰特征环绕其轮廓铣削的刀轨计算方法及生成的刀轨主要适用于飞机复杂结构件群峰特征。到目前为止，尚未发现有公开的复杂结构件群峰特征环绕其轮廓铣削的刀轨计算方法。

发明内容

本发明的目的主要是针对复杂结构件的群峰特征在数控加工过程中存在的加工效率低，加工质量不好等问题，发明一种复杂结构件群峰特征自适应环绕轮廓铣削刀轨确定方法，以提高加工效率和加工质量。

本发明的技术方案如下：

一种复杂结构件群峰特征自适应环绕轮廓铣削刀轨确定方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤1：输入零件实体模型，设定加工坐标系；

步骤2：获取群峰特征，并将群峰特征按层进行划分；

步骤3：通过群峰特征划分的层结构，确定加工区域；

步骤4：自动生成所需的参照面；

步骤5：获取群峰特征加工的驱动线；

步骤6：获取群峰特征加工的每一层刀位线；

步骤7：使生成的每一层的刀位线封闭；

步骤8：设置进刀点和退刀点；

步骤9：设置每一层加工操作的进退刀；

步骤10：将每层的刀位线连接，生成完整的加工刀轨；

在铣削群峰特征的侧面时，刀具环绕着群峰特征进行铣削，同时刀具始终位于群峰特征当前铣削区域固定距离的位置，不存在空走刀行程；

所述的群峰特征是指复杂结构件中的连续锯齿状实体模型，它的几何构成主要包括：侧面S，顶面T，底面B，水平分层面L，过渡面F以及限制面R，各几何构成之间具有确定的连接关系。

所述的所述获取群峰特征是采用人工交互和自动识别结合的方法进行，通过在零件实体模型中点选侧面来确定需要加工的群峰特征，根据所选侧面和群峰特征几何元素之间的连接关系自动识别该群峰特征包含的其他几何元素。

所述的群峰特征按层进行划分是以群峰特征中的顶面、分层面和底面作为层划分的基础，获取各个面与群峰特征相交的环，从顶面开始查找当前面所在环的距离最近且在同一水平面能够包含当前面所在环的环以及其产生的平面，从而得到群峰特征的一个层。

所述的通过群峰特征划分的层结构，确定加工区域是在所得到的层的基础上，将层的几何元素之间所包含的区域定义为该层所对应的加工区域。

所述的自动生成所需的参照面是指依据获取的群峰特征每一层的底面和人工设置的偏置值，沿底面的法向且向外的方向自动生成所需的参照面。

所述的获取群峰特征加工的驱动线是依据群峰特征每一层的顶面和参照面的高度差h，结合加工的切深参数M_α，采用截面法得到群峰特征每一层的驱动线。

所述的获取群峰特征加工的每一层刀位线是以获取的驱动线为基础，按照加工刀具的直径和人工设置的余量值自动将驱动线沿其所在平面向外偏置得到对应的刀位线。

所述的使生成的每一层的刀位线封闭是以两条相邻的刀位线的相邻端点和加工刀具的半径为基础，通过两点和一个半径唯一确定一条圆弧，使生成的刀位线封闭。

本发明涉及的群峰特征定义如下：群峰特征用于描述复杂结构件中经常出现一种连续锯齿状实体模型，如图2所示。群峰特征的几何构成主要包括：侧面S，顶面T，底面B，水平分层面L，过渡面F以及限制面R。侧面S是群峰特征的基础，与顶面、底面及所有的水平分层面相连并呈凸连接关系；将群峰特征中所包含的所有水平面按照Z向的高度来划分，取高度最高点的水平面为顶面T，最小的为底面B，其余水平面则为水平分层面L；水平面之间除侧面之外的连接面称为过渡面F，过渡面一般为圆弧面或斜面构成；限制面用于限定群峰特征的范围，如图2中的面R₁和R₂，根据限制面的连接情况可将限制面分为开敞和封闭两种类型，开敞限制面是指限制面处没有封闭性约束，此时限制面与过渡面呈凸连接关系，如图2中面R₂所示，封闭限制面是指限制面处存在封闭性约束，此时限制面与过渡面呈凹连接，如图2中面R₁所示，不同的限制面类型将对应着不同的走刀策略。

群峰特征的表示：

在群峰特征中，层面记为第i层侧面即为群峰特征的公共侧面，记为第i层顶面，记为第i层过渡面，记为第i层限制面，记为若无限制面，则记为层可以表示为这几个面类型的合集，记为：从而将群峰特征的几何拓扑分为一系列层来表示，记为：P＝∪L^t，t＝1，2…。

本发明的有益效果是：

本发明生成复杂结构件群峰特征铣削加工刀轨的速度快、准确性非常高，能够进行批量处理；能够减少加工过程中的空走刀行程；能够增加加工过程的稳定性，减少零件的加工变形；提高零件的加工质量和加工效率，同时该方法所特有的环绕群峰特征外轮廓铣削的特点是很多商业化CAM软件无法实现的一种刀轨方式。

本发明生成的铣削加工刀轨准确，能够减少加工过程中的空走刀行程，提高零件的加工效率，同时能够提高零件的加工质量。

附图说明

图1是本发明的复杂结构件群峰特征环绕其轮廓铣削的刀轨确定方法流程图。

图2是本发明的群峰特征示意图。

图3是本发明的群峰结构环和加工区域结构示意图。

图4是本发明的群峰特征分层算法流程图。

图5是本发明的采用截面法在群峰特征每一层侧面生成驱动线的示意图。

图6是本发明的每一层刀位线生成和封闭方法示意图。

图7是本发明的进刀点和退刀点设置示意图。

图8是本发明的实例中采用的群峰特征。

图9是采用传统的铣削加工方法和本发明方法得到的刀轨比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1‐9所示。

一种复杂结构件群峰特征环绕其轮廓进行铣削的刀轨确定方法，整个步骤如图1所示，它包括以下十个步骤：

步骤1、零件实体模型的输入，设定加工坐标系。

步骤2、获取群峰特征，并将群峰特征按层进行划分。

本实施例的群峰特征如图8所示，群峰特征的获取采用人工交互和自动识别结合的方法：首先在零件实体模型中点选侧面来确定需要加工的群峰特征，根据所选侧面自动识别该群峰特征包含的其他几何元素，并判断限制面类型：提取与该侧面呈凸连接的所有水平面，计算Z向高度，取Z向高度最大的面为顶面T，Z向高度最小的面为底面B，其余面为L；提取与T、B及L相连的面，除去侧面S，记为过渡面F；提取各个过渡面的连接面，若该过渡面的连接面中存在除了S、T、B及L之外的面，则该面为限制面，若该限制面与过渡面呈凹连接，则属于封闭限制面，若与过渡面呈凸连接则属于开敞限制面。

得到群峰特征的几何信息之后，需要求解包含T、B及L在内的每一个水平面所确定的加工区域，生成各个加工层次间的合理加工顺序，从而生成优化的刀具轨迹，具体方法如下：1)对于一个水平面P_i，剔除群峰特征中的封闭限制面及P_i，剩余面列表记作FL_i，求P_i与FL_i的交线列EL_i，根据连接性，将EL_i划分为多个连接段，包括封闭环和非封闭环，判断各个连接段与P_i的连接关系，若与P_i相交于P_i的边界，则存入环列表P_i_EL和环列表P_EL；2)对于顶面T和分层面L按高度进行排序；3)从顶面开始，每一个水平面P_i投影至底面B所在平面得到封闭环F_EL，在环列表P_EL中查找得到能够包含且距离当前面所投影的环F_EL最近的环P_i_EL以及其产生的面P_i；4)水平面P_i和环P_i_EL[j]之间所包含的群峰部分即为该层的加工区域。群峰结构环和加工区域结构示意图如图3所示。

群峰特征层划分的方法：①在零件实体模型输入的基础上，选择群峰特征的公共侧面，得到群峰特征；②通过公共侧面，得到与其连接的所有水平面，并将所有水平面按高度进行排序，存入面列FaceList中；③从面列FaceList中的第i个开始，得到当前水平面所在的平面与群峰特征的交线；④得到所有交线组成的环列；⑤从第一个环开始，判断该环是否包含当前水平面的边，如果包含当前水平面的边，则将该环存入环列表LoopList，如果不包含，继续判断，跳到步骤⑤；⑥判断i是否小于面列FaceList的数量，如果小于，跳到步骤③；⑦从水平面列表FaceList中第j个开始，得到该水平面的边界组成的环Loop[j]循环查找距离当前环最短，且包含当前环的环LoopList[k]；⑧环Loop[j]所在平面FaceList[j]和LoopList[k]所在平面所包围的区域组成了群峰特征的一个层，存入层列表；⑨判断j是否小于FaceList的数量，如果小于，跳到步骤⑦。遍历完所有的环，得到群峰特征完整的层的划分。群峰特征层划分的算法流程图如图4所示。

步骤3、通过群峰特征划分的层结构，确定加工区域。

群峰特征每一层的几何元素组成了该层的加工区域，即该层的底面、顶面、侧面和过渡面组成了群峰特征该层的加工区域，从而所有的层共同组成了群峰特征完整的加工区域。

步骤4、依据选择的底面和所设置的偏置值，沿底面的法向向外的方向自动生成所需的参照面；

步骤5、获取群峰特征加工的驱动线，如图5所示。

依据每一个群峰顶面和参照面的高度差h，结合加工的切深参数M_α，得到驱动面的层数n。所述驱动面层数n的计算方法是：

$n=\left[\frac{h}{M_{\mathrm{\α}}}\right]+1$

式中h为顶面和参照面之间的距离，M_α为加工的刀具切深参数，[]为取整符号。

每层驱动面离顶面的距离为：

L_t＝i×M_α，0≤i≤n

当L_n＞h，L_n＝h

采用截面法，将每层驱动面和群峰特征的加工区域求交，得到群峰特征每一个顶面对应的加工区域内每一层的驱动线。

步骤6、依据刀具半径，将生成的驱动线沿其所在的驱动面向外偏置得到离散的刀位线。

步骤7、依据相邻两条分散的刀位线的端点a₁、b₁和驱动线的顶点o₁三个点构造一段圆弧使这两条刀位线封闭，同理在其他分散的刀位线之间构造圆弧，从而使整个刀位线封闭，如图6所示。

步骤8、选择每个加工区域同一侧一层中最长的刀位线，找到中间点，设置进刀点和退刀点，如图7所示。

步骤9、以每一层设置一个加工操作，设置圆弧进刀和圆弧退刀，并在最后一层的圆弧进刀之前添加轴向进刀。

步骤10、将每层的刀位线连接，生成完整的加工刀轨，如图9所示。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种复杂结构件群峰特征自适应环绕轮廓铣削刀轨确定方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤1：输入零件实体模型，设定加工坐标系；

步骤2：获取群峰特征，并将群峰特征按层进行划分；

步骤3：通过群峰特征划分的层结构，确定加工区域；

步骤4：自动生成所需的参照面；

步骤5：获取群峰特征加工的驱动线；

步骤6：获取群峰特征加工的每一层刀位线；

步骤7：使生成的每一层的刀位线封闭；

步骤8：设置进刀点和退刀点；

步骤9：设置每一层加工操作的进退刀；

步骤10：将每层的刀位线连接，生成完整的加工刀轨；

在铣削群峰特征的侧面时，刀具环绕着群峰特征进行铣削，同时刀具始终位于群峰特征当前铣削区域固定距离的位置，不存在空走刀行程；

所述的群峰特征是指复杂结构件中的连续锯齿状实体模型，它的几何构成主要包括：侧面S，顶面T，底面B，水平分层面L，过渡面F以及限制面A，各几何构成之间具有确定的连接关系。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的获取群峰特征是采用人工交互和自动识别结合的方法进行，通过在零件实体模型中点选侧面来确定需要加工的群峰特征，根据所选侧面和群峰特征几何元素之间的连接关系自动识别该群峰特征包含的其他几何元素。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的群峰特征按层进行划分是以群峰特征中的顶面、水平分层面和底面作为层划分的基础，获取各个面与群峰特征相交的环，从顶面开始查找当前面所在环的距离最近且在同一水平面能够包含当前面所在环的环以及其产生的平面，从而得到群峰特征的一个层。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的通过群峰特征划分的层结构，确定加工区域是在所得到的层的基础上，将层的几何元素之间所包含的区域定义为该层所对应的加工区域。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的自动生成所需的参照面是指依据获取的群峰特征每一层的底面和人工设置的偏置值，沿底面的法向且向外的方向自动生成所需的参照面。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的获取群峰特征加工的驱动线是依据群峰特征每一层的顶面和参照面的高度差h，结合加工的切深参数，采用截面法得到群峰特征每一层的驱动线。

7.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的获取群峰特征加工的每一层刀位线是以获取的驱动线为基础，按照加工刀具的直径和人工设置的余量值自动将驱动线沿其所在平面向外偏置得到对应的刀位线。

8.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的使生成的每一层的刀位线封闭是以两条相邻的刀位线的相邻端点和加工刀具的半径为基础，通过两点和一个半径唯一确定一条圆弧，使生成的刀位线封闭。