飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法

专利名称：飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法
技术领域：
本发明提出的飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法，用于飞机复杂构件快速数
控编程系统的自动编程模块中粗加工单元的构建，以期实现粗加工刀轨程序的自动生成， 进而完成飞机结构件的粗加工，属于飞机数字化智能加工技术领域。
背景技术：
当前飞机复杂构件的数控编程一般是利用商品化的CAD/CAM软件系统的"数控加 工"子系统，编程员自行分析零件模型，编制加工工艺方案(确定工序工步，加工刀具，走刀 路线等)，手动创建加工操作，并设置几何参数信息、刀具信息、加工参数、加工宏等信息，导 致数控编程交互量非常大，尤其是当前飞机结构件为了减轻重量及保证其他性能要求，结 构特征更趋于整体化，复杂化，使结构件具有特征数量大、特征种类多等特点，在这种情况 下，采用人工交互编程操作繁琐，工作量大，编程周期长，导致零件的程序编制效率低下。而 在飞机结构件整体加工编程中，交互编程工作量最大，交互操作最繁琐的属于分层粗加工 的加工操作创建与编制过程，并且编制出的数控加工程序分层层数过多，未能完全发挥刀 具的加工能力，导致加工效率低下，进而影响到整个飞机的制造周期。

发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法；该
方法在广义槽分层特征识别和刀具自动选取的基础上，对特征的粗加工进行优化分层，然 后自动生成分层粗加工的几何导引线，并对导引线进行相应的修正，最后将几何导引线与 刀具参数、加工参数、加工宏参数等信息相结合构建出粗加工加工单元，为粗加工程序的自 动生成提供了完整的信息输入。应用本发明开发的自动编程系统粗加工程序自动生成模块 将显著减少人机交互的工作量，提高数控程序编制和加工的效率，縮短飞机结构件的制造 周期。 本发明的目的是通过下述技术方案实现的一种飞机复杂构件粗加工单元自动构 建方法，该方法主要步骤是1)获取特征基本信息；2)粗加工特征分层优化；3)粗加工初 始几何导引线生成；4)粗加工几何导引线修正；5)粗加工单元模型定义及构建。
所述获取特征基本信息，即获取以飞机复杂构件为根结点的广义槽特征树状模 型，然后遍历广义槽特征结构树获取每个广义槽对象，并提取以下信息(l)槽特征顶面高 度Zt、底面高度Zb、底R、侧R、侧壁面类型以及侧壁面结合体；(2)加工该特征选用的粗加工
刀具和精加工腹板刀具；其中广义槽模型定义为
<广义槽>::=(<顶面>，<底面>，<轮廓>，[凸台]。"，<父槽特征>，[子槽特征]P;
<轮廓>::=(<顶面>， <底面>，[侧壁面]r， <内陷>， <闭角>);<凸台>::=(<顶面>， <底面>，[侧壁面]r， <内陷>， <闭角>);
〈内陷》-"顶面〉， <底面>， <顶部圆角>， <底部圆角>，[侧壁面];1);
<闭角>::=(<顶面>， <底面>， <底部圆角>，[侧壁面]〖， <起始限制面
>， <终止限制面>)。
所述粗加工特征分层优化的具体流程如下 步骤(1):由1)获取的Zt和Zb，计算当前槽特征的高度H二Zt-Zb，设定特征粗加 工理论余量为Mt，父槽特征粗加工实际余量为M,，切深最大浮动差值为S ;
步骤(2):获取粗加工刀具切深Ap。和精加工腹板刀具切深Apj，如果刀具的切深小 于等于切宽，则直接取刀具的切深即可；否则用等体积方法修正刀具粗加工分层采用的切 深，具体方法为〈1>获取当前刀具切深Ap和切宽Ae，计算出体积V = ApXAeXVt，Vt为刀具 加工速度；〈2〉设定刀具粗加工切宽为A/ = D力(l-a)，其中D刀为刀具直径，a为刀具重 叠比例；〈3〉更新刀具粗加工切深Ap二Ap' =V/(A/ XVt);然后获取父特征经过粗加工后 的底面高度Haup = Hbt+Maup， Hbt为父特征底面高度；再获取当前槽特征粗加工理论余量偏置 面的高度H。^ = Hb。Ur+Mt， Hbeur为当前特征底面高度，最后计算出当前特征理论需要加工深 度Dt — Haup Hocur ; 步骤(3) :〈1>如果Dt小于等于S ，计算出该特征不经过粗加工的最大残留余量 Dt+Mt，再考虑切深浮动差值S ;如果Apj小于Dt+Mt-S ，此时需要增加一层，即粗加工分层数 为1，并将当前特征的粗加工实际余量Ma^设置为精加工腹板刀具切深Apj ;否则，粗加工不 进行分层，即粗加工分层数为0，取当前特征粗加工实际余量Ma_为Dt+Mt ;〈2>如果Dt大于 S ，则进入步骤(4); 步骤(4):判断Dt与粗加工刀具切深Ap。的关系，如果Dt小于等于Ap。，则进入步骤
(5);否则进入步骤(6); 步骤(5):再次判断Apj与Dt+Mt的关系，如果Apj大于等于Dt+Mt则不增加分层，即 粗加工分层数为0，Ma。m取Dt+Mt ;否则增加一层，即粗加工分层数为1，当前特征粗加工实际 余量Maaff取粗加工理论余量Mt ; 步骤(6):对Dt按照平均分层，获取理论分层层面个数Nt二Dt/Ap。，然后再对Nt进 行取整，获取取整后的层数Nz，计算出按照Ap。进行切削，分层层数为Nz的情况下特征的粗 加工加工余量Mlast，判断该余量Mlast与Apj的关系。如果Mlast小于等于Apj则按照Ap。进行分 层，取粗加工分层数为Nz层，M譜取M^t;否则判断Nt与Nz的关系，如果满足|Nt-Nz| < e ， e为精度值，e = 1.0e-5，则粗加工分层数取N,，粗加工分层实际采用的切深为Dt/X;否 则粗加工分层数取Nz+1 ，实际切深为Dt/ (Nz+1)，两种情况下的粗加工实际余量Ma。m都取粗 加工理论余量Mt ; 步骤(7):由上述步骤获取了当前槽特征的粗加工分层层面高度，以及粗加工实
际余量M,r。 所述的粗加工初始几何导引线生成流程如下(1)创建求交平面与特征节点侧壁 面结合体求交；(2)去除求交结果的非可用域；(3)对剩余域进行组环获取粗加工初始几何导引线环； 其中步骤(1)创建求交平面与特征节点侧壁面结合体求交特征节点分为轮廓和 凸台节点。参考当前加工坐标系，以坐标系XY平面为基准，并且以粗加工分层层面高度值 为偏移值创建分层平面，然后将这些平面与特征节点侧壁面结合体进行求交；判断求交结 果更新是否正确，如果更新错误表示求交错误，直接结束；否则获取求交结果中的所有域， 求交结果中的域由若干互相连接的线段组成，可分为开环域与封闭环域〈1>开环域为除 域端点外，域中其它点都在求交结果的所有边线中只能找到两条边的某一端点与其重合； 〈2〉封闭环域为由若干边线组成的封闭环，其中每个内部点都只能在求交结果的所有边线 中正好找到两条边的某一端点与其重合；进入步骤(2); 步骤(2)去除求交结果的非可用域求交结果中的非可用域包含以下四种〈1〉独 立域当前域的两端点都未与求交结果中的其他任意域端点重合；〈2>单开域当前域只有 一端点未与求交结果中的其他任意域端点重合，另一端点在求交结果的其他域中存在域端 点与其重合；〈3>重复域a.重复域1 :求交结果的其他域中存在某域与当前域完全重合或 部分重合；b.重复域2 :由于求交精度问题产生的距离很小的重复域，即为侧壁面中包含有 底R并且求交平面高度与特征底面高度相等时，求交平面与底R面求交产生域，并且求交平 面与底R下边线也产生求交域，这两个域距离非常小，属于重复域；〈4〉外边界域当前粗加 工层面高度与零件腹板面高度相同，并且当前求交采用的结合体依赖的特征节点为零件外 形凸台时，结合体中存在一些较大的面片，在局部与其他面片组成一个封闭区域，所以求交 结果在这个局部区域会产生一个封闭的小环，这个小环由内边界域和外边界域组成，实际 加工凸台是按照内边界域走刀的，所以如果外边界域不去除，后续构建最大环将会删除内 边界域，这样腹板就未进行加工； 上述四种非可用域的去除方法如下〈1>独立域、单开域以及部分重合域的去除 提取出域的端点，如果存在至少一个域端点与其他所有域端点都未产生重合，则删除这种 域；〈2〉重复域1的去除a.完全重合域的去除，实际情况只存在仅含有一条边线的重复 域，去除方法为边线个数为l，对应端点匹配；b.部分重合域的去除见〈1> ;〈3〉重复域2的 去除判断求交结果中是否存在边线依赖源面相同的两个域，如果存在则去除其中依赖于 底R面的域；〈4〉外边界域的去除获取所有边线依赖的源，如果依赖源全为凸边，则删除这 种域； 步骤(3)对剩余域进行组环获取粗加工初始几何导引线环步骤(2)执行完后对 剩余域进行组环，采用扩展删除法对剩余域进行最大环的提取，具体实现流程为〈1>在剩 余域中随机获取起始域，利用端点重合匹配原则构建初始封闭环，将初始封闭环设定为当 前封闭环，去除剩余域中包含在初始封闭环中的域，并在剩余域中删除在平面位置关系上 属于当前封闭环内部的域；〈2〉获取当前封闭环含有的所有域的端点，再从这些域端点中 提取出当前封闭环中的有效端点，其中有效端点为当前封闭环所有域端点中与剩余域端点 存在重合的点，以任意两有效端点为起始和终止点，在剩余域中查找一条路径实现两点相 连接，如果找到则更新当前封闭环，并在剩余域中删除刚查找到的新路径中包含的域，而且 在剩余域中删除在平面位置关系上属于当前封闭环内部的域；直到当前封闭环的任意两有 效域端点都扩展完；〈3〉再以新封闭环按照〈2〉进行扩展，直到剩余域个数为0，最后的封闭 环即为最大环，这个环就构成了粗加工初始几何导弓I线环。
所述粗加工几何加工导引线修正的具体实现流程为 步骤(1):获取当前槽特征的凸台和轮廓节点，并分别获取两节点中含有的内陷 结构和闭角结构；由3)生成的粗加工初始几何导引线，投影到当前分层平面上得到当前草 图Cur_Sketch ; 步骤(2):获取特征节点中所有内陷及闭角结构的修正草图，构成链表 ListO预odSketch，大小为CimCT。 〈1>获取内陷修正线草图方法找到内陷上部最外边界拓 扑边线，将其投影到当前层面即生成内陷修正线草图；〈2>获取闭角修正线草图方法获取 当前特征轮廓节点和凸台节点的闭角结构，闭角结构由若干相邻的闭角面组成，并包含起 始限制面和终止限制面，获取这些闭角面的上部边线，将这些边线投影到分层平面上即获 取闭角结构的修正线； 步骤(3):从步骤(2)中获取ListO预odSketch链表中的所有修正草图，设其中 第i个修正草图为ModSketchj，判断其与Cur_Sketch的关系；如果Cur_Sketch依赖的节 点为轮廓节点，且满足下列关系的一种〈l〉ModSketchj部分在Cur_Sketch的边界上，部 分在Cur_Sketch环内；〈2>两者交叉；〈3〉ModSketch」完全在Cur_Sketch边界上，则转到 a进行轮廓修正；如果为凸台节点，则直接进入到b凸台修正；直到所有修正草图都修正完 毕，生成最终的粗加工几何导引线； a.进行轮廓节点几何导引环的修正，即获取当前特征轮廓的最内边界为修正后的 几何导引线环。首先对Cur—Sketch进行蒙面，然后用ModSketchj切割蒙面结果，获取切 割结果后作以下判断如果切割后的面片内部点不在闭角或内陷刀具轴向投影范围内，即 取切割后的面片边界环为轮廓修正后的几何导引环；否则取切割的另一侧，并取另一侧切 割结果包含的面片边界环为轮廓修正后的几何导引环；最后将修正后的几何导引线环投影 到当前分层层面即生成修正后的草图，将Cur—Sketch更新为修正后的草图；
b.进行凸台节点几何导引环的修正，即获取当前特征凸台的最外边界为修正后的 几何导引线环。首先对当前Cur_Sketch和ModSketch」进行裁剪操作，然后循环对不同的 裁剪结果进行面积计算，并找到面积最大的裁剪结果作为最终需要的裁剪结果，最后取其 边界环为凸台修正后的几何导引环。最后将修正后的几何导引线环投影到当前分层层面即 生成修正后的草图，将Cur—Sketch更新为修正后的草图。 所述的粗加工单元模型定义及构建根据获取的当前槽特征的几何参数，刀具参 数，粗加工分层层面高度，各层面的加工几何导引线环，加工参数以及加工策略参数，再依 赖粗加工单元的定义模型构建出当前槽特征的分层粗加工单元；其中粗加工单元的模型定 义为〈粗加工单元 >::=(〈几何参数 >，〈加工策略参数 >，〈加工参数 >，〈刀具参数 〈速度参数 >，〈加工宏参数>);
<几何参数>::=(<顶面>， <底面>， <轮廓导引线>，凸台导引线S);〈加工策略参数 >::=(〈走刀样式 >，〈行切方向>，...)；〈加工参数 >::=(〈底面余量 >，〈顶面余量 >，〈步距 >，〈切深>，...)；〈刀具参数 >::=(〈直径 >，〈底R>，〈下刀深 >，〈刃长 >，〈总长度>， )；'，〈退刀速度 >，〈精加工速度 >，〈加工速度>)
:退刀 >，〈连接进刀 >，〈连接退刀 >，〈层内 层内连接退刀 >，〈层间连接进刀 >，〈层 ，〈精加工连接进刀 >，〈精加工连接退刀〈速度参数 >::=(〈进刀速度
〈加工宏参数 >::=(〈进刀>，
连接进刀>，' 间连接退刀)
>， )。 本发明的有益效果在飞机复杂构件快速数控加工编程中，通过本发明中的分层 粗加工单元的自动构建方法有效解决了交互编程下分层层数过多、划分不明确以及程序编 制的交互量巨大且非常繁琐的问题。可以实现粗加工分层层面的优化，自动获取加工操作 需要的加工导引线并进行自动修正；获取加工操作所需的其他参数(如刀具参数，加工参 数，加工策略参数，速度参数等)并进行自动设置，从而明显地减少了用户交互的工作量， 大大简化了数控程序的编制过程，显著地提高了数控程序编制的效率及加工的效率，縮短 了飞机制造周期。


图1粗加工单元构建总体流程图；图2粗加工分层优化示意图；图3粗加工分层优化算法流程图；图4求交结果中的环域类型说明；图5求交结果中的内/外边界域区分说明；图6求交结果域在进行非可用域的去除后生成的结果图7求交结果域进行最大环组环后的结果；图8粗加工初始几何导引线生成流程图；图9求交域最大环组环流程图；图10闭角导引线修正示意图；图11内陷导引线修正示意图；图12轮廓几何导引线修正结果说明图；图13(a)凸台几何导引线修正结果说明图；图13(b)封闭环裁剪结果L1 ;图13(c)封闭环裁剪结果L2;图13(d)封闭环裁剪结果L3;图14粗加工几何导引线修正流程图。
具体实施例方式
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。 图1为飞机复杂构件分层粗加工单元的自动构建方法总流程，该方法主要由以下 步骤实现，具体为1)获取特征基本信息(Ml) ;2)粗加工特征分层优化(M2) ;3)粗加工初
始几何导引线生成(M3) ;4)粗加工几何导引线修正(M4) ;5)粗加工单元模型定义及构建(M5)。其中: 所述获取特征基本信息(Ml)，即获取到以飞机结构件为根结点的广义槽特征树状 模型，然后遍历广义槽特征结构树获取每个广义槽对象，并获取以下信息(l)特槽征顶面 高度、底面高度、底R、侧R、侧壁面类型以及侧壁面结合体；(2)加工该特征选用的粗加工刀
具和精加工腹板刀具。其中广义槽模型定义为
<广义槽>::=(<顶面>， <底面>， <轮廓>
<轮廓>::=(<顶面>， <底面>
<凸台>::=(<顶面>， <底面>，
<内陷>::=(<顶面>, <底面>， <顶部圆角>, <底部圆角>，[侧壁面]:);
<闭角>::=(<顶面>， <底面>， <底部圆角>，[侧壁面]:， <起始限制面>，
<终止限制面>)。 所述粗加工特征分层优化(M2)，即对飞机结构件进行分层粗加工时，当前槽特征
在一定的刀具切深下粗加工分层层面的优化获取。分层的层数将直接影响到粗加工的编程
效率和加工效率，所以本发明提出粗加工分层层面优化算法，以尽量减少结构件特征粗加
工的分层层数，尽量发挥刀具的加工能力。粗加工特征分层优化的具体流程如下(图2是
粗加工分层优化示意图，图3是粗加工分层优化算法流程图) 图2中Ptup :父槽特征的顶面； P。aup :父槽特征的实际余量偏置面； Pbup :父槽特征的底面； Maup :父槽特征的粗加工实际余量； H:当前槽特征高度； Ptem :当前槽特征的顶面； P。teur :当前槽特征的理论余量偏置面； Pb,:当前槽特征的底面； Mt :粗加工底面理论余量；
Dt :当前特征粗加工理论加工深度，H+Maup_Mt ; 图3中H:同图2中H; Tc :粗加工刀具； Tj :精加工腹板刀具； S :刀具切削深度最大允许浮动差值； Apj :精加工腹板刀具切深； Aej :精加工腹板刀具切宽；
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，[凸台]S ， <父槽特征>，[子槽特征]S ); ，[侧壁面]〖， <内陷>， <闭角>); [侧壁面]〖， <内陷>， <闭角>);
Ap。粗加工刀具切深；
Aec :粗加工刀具切宽；
Apa :粗加工分层的实际切深；
Maup:同图2中M卿； Ma。OT :当前槽特征的粗加工实际余量；
Mt :同图2中Mt ;
Dt :同图2中Dt ; Nt :当前槽特征粗加工理论分层数； Nz :Nt整型化后的分层数； Na :当前槽特征粗加工实际分层数； Mlast :当前槽特征粗加工按照切深Aps并分Nz层加工后的残留余量，Mlast = Dt—NZ*APC+Mt。 步骤(1):获取当前特征采用的刀具信息(粗加工刀具T。，精加工腹板刀具Tj)，以 及几何参数信息(包含参数H， Mt， Maup，以及S )。 步骤(2):获取精加工腹板刀具切深Apj (Nl)，如果Apj大于Aej，则用等体积方法计 算出对应刀具的切深Ap/ =Apj.Aej.Vt/[D". (1-a) 'Vj，并且更新Apj = Ap/。同理，获 取粗加工刀具切深Apc(N2)，如果Apc大于Aec，有Apc' =Apc*Aec*Vt/[D"* (l-a) Vt]，并 且更新Apc二Apc'。其中D力为所属刀具直径，a为所属刀具加工过程中的重叠比例。计算 Dt = H+Maup-Mt(N3)。 步骤(3):如果Dt <= S (N4)，计算出该特征不经过粗加工过程的最大残留余量 Dt+Mt，再考虑切深最大浮动差值S问题。如果Apj小于Dt+Mt-S (N5)，此时需要增加一层，当 前槽特征的粗加工实际余量Ma。OT设置为Apj (N6)，层数Na取为1 ;否则，不进行分层，取Maaff 为最大残留余量Dt+Mt (N7)，即层数Na取0 ;如果Dt大于S ，则进入步骤(4)。
步骤(4):判断Dt与Ap。的关系(N8)，如果Dt小于等于Ap。，则进入步骤(5);否则 进入步骤(6)。 步骤(5):再次判断Apj与Dt+Mt的关系(N9)，如果Apj大于等于Dt+Mt则不增加分 层，Na取0， Macur取Dt+Mt(Nll);否则增加一层，即Na取为1， Macur取Mt(N10)。
步骤(6):对Dt按照平均分层的原则，获取理论分层层面个数Nt = Dt/Ap。，取Nz = (int)Nt (N12)，按照粗加工切深Ap。进行切削，分层层数为Nz的情况下，当前槽特征粗加工 余量Mlast = Dt-NZ*AP。+Mt (N13)，如果Mlast小于等于Apj (N14)则按照Ap。进行分层加工，Na取 Nz，M^取M^t(N19);否则判断Nt与Nj勺关系(N15)，如果满足|Nt_Nz| < e ， e为精度值， 取1. 0e-5，则Na取NZ(N16)，实际切深为Apa = Dt/Na(N17);否则Na取Nz+1 (N20)，实际切深 Apa为Dt/Na，两种情况下Maeur都取默认的粗加工理论余量Mt (N18)。 步骤(7):由上述步骤获取到粗加工分层层数Na，分层层面的高度"，&，。。。 ，Zn， n = Na)，以及采用这种方式分层后的粗加工实际余量M,r。 所述粗加工初始几何导引线生成(M3)，主要步骤包含(l)创建求交平面与特征 节点侧壁面结合体求交；(2)去除求交结果中的非可用域；(3)对剩余域进行组环获取粗加 工初始几何导引线环。图8为粗加工初始几何导引线生成的流程图，具体为
步骤(1):创建求交平面与特征节点侧壁面结合体求交特征节点分为轮廓和凸台节点。获取给定的加工坐标系以及粗加工分层高度值(Sl)，首先参考给定的加工坐标系， 以坐标系XY平面为基准，坐标系Z轴正向为偏移方向，以分层层面高度值为偏移值创建分 层平面(S2)，然后用这些平面与特征侧壁面结合体进行求交(S3)。判断求交结果更新是否 正确(S4)，如果更新错误表示求交错误，报错(S9)并结束；否则获取求交结果(S5)并提取 其中包含的域。求交结果中的域由若干互相连接的线段组成，可分为开环域与封闭环域 〈1〉开环域为除域端点外，域中其它点都在求交结果的所有边线中只能找到两条边的某一 端点与其重合；〈2〉封闭环域为由若干边线组成的封闭环，其中每个内部点都只能在求交 结果的所有边线中找到两条边的某一端点与其重合。 步骤(2):去除求交结果中的非可用域(S6)，这些非可用域是求交结果中产生的 多余域，生成最后的加工导引线需要删除这些域，最后获得剩余域(S7)。求交结果中的非可 用域包含以下4种〈1>独立域图4中Dp,，两端点都未与其他任意域产生关联，即在求交 结果的其他域端点中，当前域端点找不到重合的端点；〈2>单开域图4中Dgh，只有一端点 关联其他域，另一端点未关联其他域；〈3>重复域有两种，a.重复域1 :与其他域完全重合 (图4中DJ或部分重合(图4中Db。) ；b.重复域2 :如图4中Dam，由于求交精度问题产生 的重复域，即为侧壁面中包含有底R并且求交平面高度与特征底面高度相等时，求交平面 与底R面求交产生域，并且求交平面与底R下边线也产生求交域，这两个域距离非常小，属 于重复域；〈4>外边界域即图4中Dij，图5中的D^，其为求交平面高度与零件腹板面高度 相同，并且特征节点为凸台节点时，侧壁面(Psl， Ps2， Ps3， Ps4， Ps5， Ps6， Ps7)中存在跨度较大的 侧面Pa与其他侧面(Ps2，Ps3，Ps4)组成局部封闭区域，导致求交产生的求交结果中有外边界 域Dext和内边界域DimCT，实际对零件的腹板加工需要去除外边界域(图5中的Dext)，保留内 边界域Dji(或图5中的D^r)。 上述四种非可用域的去除方法如下〈1〉独立域与单开域以及部分重合域的去 除提取出域的端点，如果存在至少一个域端点与其他所有域端点都未产生重合，则删除这 种域；〈2>重复域1的去除a.完全重合域的去除，实际情况只存在仅含有一条边线的重复 域，去除方法为边线个数为l，对应端点匹配；b.部分重合域的去除见〈1> ;〈3〉重复域2的 去除判断求交结果中是否存在边线依赖源面相同的两个域，如果存在则去除其中依赖于 底R面的域；〈4〉外边界域的去除获取域中所有边线依赖的源，如果依赖源全为凸边，则删 除这种域。
步骤(3):步骤(2)执行完后对剩余域(图6为图4删除非可用域后的结果)进 行组环(S8)，本发明采用扩展删除法对剩余域进行最大环提取。
图9为采用扩展删除进行最大环组环的具体实现流程 〈1〉获取给定的剩余域(S10)，在剩余域中随机获取起始域，利用端点重合匹配原 则构建初始封闭环L。(S11)，将初始封闭环设定为当前封闭环，在剩余域链表中去除初始 封闭环已提取的域(S12)，并且在剩余域中删除在平面位置关系(域之间关系有包含，相 交，分离)上包含在初始封闭环内的域(S13) ;〈2〉保存当前封闭环的初始所有域端点(Pml， Pm2， ... ， PJ，并获取当前封闭环中的所有两有效端点组合(S14)，其中有效端点为当前封 闭环初始所有域端点中与剩余域端点存在重合的点；〈3>获取一组两有效端点组合(S15)， 分别以这两点为起始和终止点在剩余域中查找一条路径实现两点相连接及扩展局部环 (S16)，如果找到则更新当前封闭环，并在剩余域删除刚查找到的新路径中包含的域(S17)，而且删除剩余域中在平面位置关系上属于当前封闭环内部的域(S18);判断是否还存在未 扩展的两有效端点组合(S19)，如果是则继续〈3〉，否则获取更新后的封闭环，并设为当前 封闭环(S20) ;〈4〉判断剩余域个数(S21)，如果剩余域个数大于0，则继续〈2〉；否则取最后 的封闭环为最大环(S22)，结束。图7所示为图6中剩余域组成的环结果，这个环就构成了 粗加工初始几何导引线。 所述粗加工几何导引线修正(M4)，即为对上述生成的分层粗加工初始几何导引线 进行修正，因为实际飞机结构件中含有闭角、内陷等特征，采用上述特征加工几何导引线的 获取方式，如果不进行相应的导引线修正，将几何加工原始加工导引线作为槽加工的轮廓 导引环，在特征含有闭角和内陷结构时必然会产生过切现象损坏零件。图10为闭角导引线修正示意图。其中Bd:初始几何导引线环；Bin:最内边界；B&:修正后几何导引线环；Bp :特征轮廓节点侧壁面；PA :分层平面。图11为内陷导引线修正示意图，其中B，p:内陷顶部最外侧边界投影；B，内陷顶部最外侧边界；Bd:初始几何导引线环；Ssp:内陷结构。图14所示为几何导引线修正的实现流程，具体为步骤(1):根据M3生成的粗加工初始几何导引线，将其投影到分层层面生成粗加
工初始几何导引线草图设为当前草图CUr_SketCh(S23);再获取当前特征含有的内陷结构 和闭角结构。 步骤(2):获取内陷和闭角结构修正线草图(S24)，将所有的修正线草图添加到链 表ListO预odSketch中，链表大小为CimCT。 〈1>获取内陷修正线方法找到内陷上部最外侧 边界拓扑边线(如图11中所示最外侧边界B，)，将其提取出来然后投影到当前层面即为修 正线草图；〈2>获取闭角修正线方法获取当前特征轮廓节点和凸台节点的闭角结构，闭角
结构由若干相邻的闭角面组成，并包含起始限制面和终止限制面，获取这些闭角面的上部
边线(图lO所示轮廓取最内边界Bin，凸台为最外边界)，将这些边线投影到分层平面上即 获取闭角结构的修正线。 步骤(3):判断Ci，是否大于0(S25);如果不是，则结束；否则设定NimCT等于 1(S26)，继续步骤(4); 步骤(4):取链表ListO预odSketch中的第Nimer个草图ModSketch (S27);
步骤(5):获取ModSketch所在的节点类型，如果为轮廓节点(S28)，则判断修正线 草图ModSketch与Cur—Sketch的关系(S29)，满足下列关系的一种(S30) : (1)ModSketch部 分在Cur_Sketch的边界上，部分在Cur_Sketch环内；(2)两者交叉；(3)ModSketch完全在 Cur—Sketch边界上，则转到步骤(6)进行修正；如果为凸台节点，则直接进入到步骤(7)。
步骤(6):进行轮廓几何导引环的修正(S31)，即获取当前特征轮廓的最内边界为修正后的几何导引线环。 图12为轮廓修正结果说明图，其中Bd为初始几何导引线环，B，p为修正线。轮廓 几何导引环修正具体方法如下首先对Cur_Sketch进行蒙面，然后用ModSketch切割蒙面 结果，即用图12中B，p切割蒙面结果，获取切割结果后作以下判断如果切割后的面片内 部点不在闭角或内陷刀具轴向投影范围内，即切割结果为图12的面F2，此时取面F2的边界 环为轮廓修正后的几何导引环；否则取切割的另一侧，即图12的面F1，并取面F1的边界环 为轮廓修正后的几何导引线环。最后将修正后的几何导弓I线环投影到当前分层层面即生成 修正后的草图，将Cur—Sketch更新为修正后的草图(S32); 步骤(7):进行凸台几何导引环的修正(S35)，即获取当前特征凸台的最外边界为 修正后的几何导引线环。 图13(a)为凸台修正结果说明图，其中Bd为初始几何导引线环，Bm为修正线。凸 台几何导引环修正具体方法如下首先对当前Cur_Sketch和ModSketch进行裁剪操作，图 13(b)的L1、图13(c)的L2以及图13(d)的L3为凸台初始几何导引线环Bd经过Bm裁剪后 形成的三个封闭环裁剪结果，计算所有封闭环裁剪结果所包围的面积，取面积最大的封闭 环裁剪结果为凸台修正后的几何导引线环，即图13(d)的L3。最后将修正后的几何导引线 环投影到当前分层层面即生成修正后的草图，将Cur—Sketch更新为修正后的草图(S32);
步骤(8):序号Ni^加1(S33);判断NimCT是否小于等于CimCT (S34)，如果是转到 步骤(4)继续执行修正，否则结束。 所述粗加工单元模型定义及构建(M5)，根据Ml至M4获取了当前槽特征的几何参 数，刀具参数，粗加工分层层面高度，各层面的加工几何导引线环，加工参数以及加工策略 参数，再依赖粗加工单元的定义模型构建出当前槽特征的分层粗加工单元。其中粗加工单 元的模型定义为〈粗加工单元 >::=(〈几何参数 >，〈加工策略参数 >，〈加工参数 >，〈刀具参数




进刀>
〈速度参数〉，〈加工宏参数〉)；
:几何参数>::=(<顶面>， <底面>， <轮廓导引线>，[凸台寻引线S);
〈加工策略参数 >::=(〈走刀样式 >，〈行切方向>，...)；
〈加工参数 〈刀具参数
〈加工宏参数〉 :层内连接退刀
(〈底面余量 >，〈顶面余量 >，〈步距 >，〈切深>，...)；
(〈直径 >，〈底R>，〈下刀深 >，〈刃长 >，〈总长度>， )；
(〈进刀速度 >，〈退刀速度 >，〈精加工速度 >，〈加工速度>); =(〈进刀 >，〈退刀 >，〈连接进刀 >，〈连接退刀 >，〈层内连接 :层间连接进刀 >，〈层间连接退刀 >，〈精加工连接进刀 >，〈精
加工连接退刀)。
权利要求
一种飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法，其特征在于该方法主要由以下步骤实现的1)获取特征基本信息；2)粗加工特征分层优化；3)粗加工初始几何导引线生成；4)粗加工几何导引线修正；5)粗加工单元模型定义及构建。
2. 根据权利要求1所述的飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法，其特征在于所述 获取特征基本信息，即获取以飞机复杂构件为根结点的广义槽特征树状模型，然后遍历广 义槽特征结构树获取每个广义槽对象，并提取以下信息(l)槽特征顶面高度Zt、底面高度 Zb、底R、侧R、侧壁面类型以及侧壁面结合体；(2)加工该特征选用的粗加工刀具和精加工 腹板刀具；其中广义槽模型定义为<广义槽>::=(<顶面>，<底面>，<轮廓>，[凸台]〖，<父槽特征>，[子槽特征]P;<轮廓>::=(<顶面>， <底面>，[侧壁面r， <内陷>， <闭角>);<凸台>::=(<顶面>， <底面>,[侧壁面]〖， <内陷>， <闭角>); <内陷>::=(<顶面>， <底面>， <顶部圆角>， <底部圆角>，[侧壁面];o ;<闭角>::=(<顶面>， <底面>， <底部圆角>，[侧壁面]:， <起始限制面>， <终止限制面>)。
3. 根据权利要求1所述的飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法，其特征在于所述 粗加工特征分层优化的具体流程如下步骤(1):由1)获取的Zt和Zb，计算当前槽特征的高度H二 Zt-Zb，设定特征粗加工理 论余量为Mt，父槽特征粗加工实际余量为M,，切深最大浮动差值为S ;步骤(2):获取粗加工刀具切深Ap。和精加工腹板刀具切深Apj，如果刀具的切深小于等 于切宽，则直接取刀具的切深即可；否则用等体积方法修正刀具粗加工分层采用的切深，具 体方法为〈1>获取当前刀具切深Ap和切宽Ae，计算出体积V = ApXAeXVt， Vt为刀具加工 速度；〈2〉设定刀具粗加工切宽为A/ = D力(l-a)，其中D力为刀具直径，a为刀具重叠比 例；〈3>更新刀具粗加工切深Ap = Ap' = V/(A/ XVt);然后获取父特征经过粗加工后的底 面高度Haup = Hbt+Maup， Hbt为父特征底面高度；再获取当前槽特征粗加工理论余量偏置面的 高度H。eur = Hb。Ur+Mt， Hbeur为当前特征底面高度，最后计算出当前特征理论需要加工深度Dtnaup n0Cur ;步骤(3) :〈l〉如果Dt小于等于S，计算出该特征不经过粗加工的最大残留余量Dt+Mt， 再考虑切深浮动差值S ;如果Apj小于Dt+Mt- S ，此时需要增加一层，即粗加工分层数为1， 并将当前特征的粗加工实际余量Ma。ur设置为精加工腹板刀具切深Apj;否则，粗加工不进行 分层，即粗加工分层数为0，取当前特征粗加工实际余量Ma^为Dt+Mt ;〈2>如果Dt大于S ， 则进入步骤(4);步骤(4):判断Dt与粗加工刀具切深Ap。的关系，如果Dt小于等于Ap。，则进入步骤(5);否则进入步骤(6);步骤(5):再次判断Apj与Dt+Mt的关系，如果大于等于则不增加分层，即粗加工分层数 为0，Ma,取Dt+Mt ;否则增加一层，即粗加工分层数为1，当前特征粗加工实际余量Ma^取粗加工理论余量Mt ;步骤(6):对Dt按照平均分层，获取理论分层层面个数Nt = Dt/Ap。，然后再对Nt进行取整，获取取整后的层数N,，计算出按照Ap。进行切削，分层层数为Nz的情况下特征的粗加工加工余量Mlast，判断该余量Mlast与Apj的关系。如果Mlast小于等于Apj则按照Ap。进行分层，取粗加工分层数为Nz层，M碟取M^;否则判断Nt与Nz的关系，如果满足|Nt-Nz| < e， e为精度值，e 二1.0e-5，则粗加工分层数取N,，粗加工分层实际采用的切深为Dt/N"否则粗加工分层数取Nz+1，实际切深为Dt/ (Nz+1)，两种情况下的粗加工实际余量Ma。OT都取粗加工理论余量Mt ;步骤(7):由上述步骤获取了当前槽特征的粗加工分层层面高度，以及粗加工实际余暈M 。
4.根据权利要求1所述的飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法，其特征在于所述的粗加工初始几何导引线生成流程如下(l)创建求交平面与特征节点侧壁面结合体求交；(2)去除求交结果的非可用域；(3)对剩余域进行组环获取粗加工初始几何导引线环；其中步骤(1)创建求交平面与特征节点侧壁面结合体求交特征节点分为轮廓和凸台节点；参考当前加工坐标系，以坐标系XY平面为基准，并且以粗加工分层层面高度值为偏移值创建分层平面，然后将这些平面与特征节点侧壁面结合体进行求交；判断求交结果更新是否正确，如果更新错误表示求交错误，直接结束；否则获取求交结果中的所有域，求交结果中的域由若干互相连接的线段组成，可分为开环域与封闭环域〈1>开环域为除域端点外，域中其它点都在求交结果的所有边线中只能找到两条边的某一端点与其重合；〈2〉封闭环域为由若干边线组成的封闭环，其中每个内部点都只能在求交结果的所有边线中正好找到两条边的某一端点与其重合；进入步骤(2);步骤(2)去除求交结果的非可用域求交结果中的非可用域包含以下四种〈1〉独立域当前域的两端点都未与求交结果中的其他任意域端点重合；〈2>单开域当前域只有一端点未与求交结果中的其他任意域端点重合，另一端点在求交结果的其他域中存在域端点与其重合；〈3>重复域a.重复域1 :求交结果的其他域中存在某域与当前域完全重合或部分重合；b.重复域2 :由于求交精度问题产生的距离很小的重复域，即为侧壁面中包含有底R并且求交平面高度与特征底面高度相等时，求交平面与底R面求交产生域，并且求交平面与底R下边线也产生求交域，这两个域距离非常小，属于重复域；〈4〉外边界域当前粗加工层面高度与零件腹板面高度相同，并且当前求交采用的结合体依赖的特征节点为零件外形凸台时，结合体中存在一些较大的面片，在局部与其他面片组成一个封闭区域，所以求交结果在这个局部区域会产生一个封闭的小环，这个小环由内边界域和外边界域组成，实际加工凸台是按照内边界域走刀的，所以如果外边界域不去除，后续构建最大环将会删除内边界域，这样腹板就未进行加工；上述四种非可用域的去除方法如下〈1>独立域、单开域以及部分重合域的去除提取出域的端点，如果存在至少一个域端点与其他所有域端点都未产生重合，则删除这种域；〈2>重复域1的去除a.完全重合域的去除，实际情况只存在仅含有一条边线的重复域，去除方法为边线个数为l，对应端点匹配；b.部分重合域的去除见〈1> ;〈3〉重复域2的去除判断求交结果中是否存在边线依赖源面相同的两个域，如果存在则去除其中依赖于底R面的域；〈4>外边界域的去除获取所有边线依赖的源，如果依赖源全为凸边，则删除这种域；步骤(3)对剩余域进行组环获取粗加工初始几何导引线环步骤(2)执行完后对剩余域进行组环，采用扩展删除法对剩余域进行最大环的提取，具体实现流程为〈1>在剩余域中随机获取起始域，利用端点重合匹配原则构建初始封闭环，将初始封闭环设定为当前封 闭环，去除剩余域中包含在初始封闭环中的域，并在剩余域中删除在平面位置关系上属于 当前封闭环内部的域；〈2〉获取当前封闭环含有的所有域的端点，再从这些域端点中提取 出当前封闭环中的有效端点，其中有效端点为当前封闭环所有域端点中与剩余域端点存在 重合的点，以任意两有效端点为起始和终止点，在剩余域中查找一条路径实现两点相连接， 如果找到则更新当前封闭环，并在剩余域中删除刚查找到的新路径中包含的域，而且在剩 余域中删除在平面位置关系上属于当前封闭环内部的域；直到当前封闭环的任意两有效域 端点都扩展完；〈3>再以新封闭环按照〈2>进行扩展，直到剩余域个数为0，最后的封闭环即 为最大环，这个环就构成了粗加工初始几何导弓I线环。
5. 根据权利要求1所述的飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法，其特征在于所述 粗加工几何加工导引线修正的具体实现流程为步骤(1):获取当前槽特征的凸台和轮廓节点，并分别获取两节点中含有的内陷结构 和闭角结构；由3)生成的粗加工初始几何导引线，投影到当前分层平面上得到当前草图 Cur—Sketch ^步骤(2):获取特征节点中所有内陷及闭角结构的修正草图，构成链表 ListO预odSketch，大小为CimCT :〈1>获取内陷修正线草图方法找到内陷上部最外边界拓 扑边线，将其投影到当前层面即生成内陷修正线草图；〈2>获取闭角修正线草图方法获取 当前特征轮廓节点和凸台节点的闭角结构，闭角结构由若干相邻的闭角面组成，并包含起 始限制面和终止限制面，获取这些闭角面的上部边线，将这些边线投影到分层平面上即获 取闭角结构的修正线；步骤(3):从步骤(2)中获取ListO预odSketch链表中的所有修正草图，设其中第i个 修正草图为ModSketchj，判断其与Cur_Sketch的关系；如果Cur_Sketch依赖的节点为 轮廓节点，且满足下列关系的一种〈l〉ModSketchj部分在Cur_Sketch的边界上，部分在 Cur_Sketch环内；〈2>两者交叉；〈3〉ModSketch」完全在Cur_Sketch边界上，则转到a进 行轮廓修正；如果为凸台节点，则直接进入到b凸台修正；直到所有修正草图都修正完毕， 生成.最终的粗加工几何导引线；a. 进行轮廓节点几何导引环的修正，即获取当前特征轮廓的最内边界为修正后的几何 导引线环。首先对Cur—Sketch进行蒙面，然后用ModSketchj切割蒙面结果，获取切割结 果后作以下判断如果切割后的面片内部点不在闭角或内陷刀具轴向投影范围内，即取切 割后的面片边界环为轮廓修正后的几何导引环；否则取切割的另一侧，并取另一侧切割结 果包含的面片边界环为轮廓修正后的几何导引环；最后将修正后的几何导引线环投影到当 前分层层面即生成修正后的草图，将Cur—Sketch更新为修正后的草图；b. 进行凸台节点几何导引环的修正，即获取当前特征凸台的最外边界为修正后的几何 导引线环。首先对当前Cur—Sketch和ModSketchj进行裁剪操作，然后循环对不同的裁剪 结果进行面积计算，并找到面积最大的裁剪结果作为最终需要的裁剪结果，最后取其边界 环为凸台修正后的几何导引环。最后将修正后的几何导引线环投影到当前分层层面即生成 修正后的草图，将Cur—Sketch更新为修正后的草图。
6. 根据权利要求1所述的飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法，其特征在于所述 的粗加工单元模型定义及构建根据获取的当前槽特征的几何参数，刀具参数，粗加工分层层面高度，各层面的加工几何导引线环，加工参数以及加工策略参数，再依赖粗加工单元的定义模型构建出当前槽特征的分层粗加工单元；其中粗加工单元的模型定义为〈粗加工单元 >::=(〈几何参数 >，〈加工策略参数 >，〈加工参数 >，〈刀具参数〈速度参数〉，〈加工宏参数〉)；<几何参数>::=(<顶面>， <底面>， <轮廓导引线>，〖凸台导引线S);〈加工策略参数 >::=(〈走刀样式 >，〈行切方向>，...)；〈加工参数 >::=(〈底面余量 >，〈顶面余量 >，〈步距 >，〈切深>，...)；〈刀具参数〉=(〈直径〉，〈底R〉，〈下刀深〉，〈刃长〉，〈总长度>， )；〈速度参数 >::=(〈进刀速度 >，〈退刀速度 >，〈精加工速度 >，〈加工速度>);〈加工宏参数 >::=(〈进刀 >，〈退刀 >，〈连接进刀 >，〈连接退刀 >，〈层内连接进刀 >，〈层内连接退刀 >，〈层间连接进刀 >，〈层间连接退刀 >，〈精加工连接进刀 >，〈精加工连接退刀
全文摘要
飞机复杂构件粗加工单元自动构建方法，该方法的主要实现过程为1)获取特征基本信息；2)粗加工特征分层优化；3)粗加工初始几何导引线生成；4)粗加工几何导引线修正；5)粗加工单元模型定义及构建，集成各种参数信息，便于加工操作的创建与参数设置。本发明主要用于特征在经过特征识别及刀具选取后，自动进行分层粗加工单元的构建，以期实现粗加工加工操作的自动生成以及所需几何参数、加工参数、刀具参数、过渡宏参数的自动化获取及设置，进而大量减少人机交互编程的工作量，显著缩短编程周期，提高数控编程的效率以及加工效率。
文档编号G05B19/19GK101738982SQ20091022063
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者初宏震, 杜宝瑞, 郑国磊, 陈树林, 饶有福 申请人:沈阳飞机工业(集团)有限公司;北京航空航天大学