专利名称：平行筋条壁板数控加工刀轨计算及优化算法的制作方法
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系统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
I.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η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Δ进行偏置，得到理论偏置面；
F-
(2)将两个理论偏置面F掏分别偏置Rrs,得到该区域最外侧的两刀轨线边界线 T P；
(3)判断这两条边界线的距离L，若Z/4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￡/(β+Ι)，其中4为刀轨进行余量调整后的径向进给量，η为L/Ap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A改为(A+UM/2),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，其中为两筋条之间的最短距离，lb 为刀具半径；
(5)将筋条侧壁偏置实际加工余R(A+5)，得到修正后的实际偏置面&，再分别偏置,得到修改后的刀轨线边界线TPatI^d㈣，然后进行排刀和刀轨计算，得到所有修正的实际刀轨线P—。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
(I)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。
图I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η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。
具体实施例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系统平台上，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I)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I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I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I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
W. —两筋条之间的最短距离；
—筋条侧壁偏置理论加工余量Δ后得到的理论偏置面；
-筋条侧壁偏置实际加工余量Δ + δ后得到的实际偏置面；
Fj*-
—按照理论加工余量得到的刀具轨迹线；
TPrthafeCi-T—刀轨线边界线；
TPrfw——按照实际加工余量得到的刀具轨迹线；
TPd9ui|nt_Cananr-修正刀轨线边界线；
L-两刀轨边界线TPath-sii|_Car.eui之间的距尚；
—刀具半径；
4——刀轨不进行余量调整时的径向进给量；
Λ——刀轨进行余量调整后的径向进给量；
Δ——理论加工余量；
S 实际加工余量与理论加工余量的偏差，S =；
加工余量计算的详细流程如下(I)将两条筋条侧壁按照理论加工余量Δ进行偏置，得到理论偏置面Fnis ；
(2)将两个理论偏置面Fri|分别偏置Rj7jS,得到该区域最外侧的两刀轨线边界线 TPalii χ, ζ'·^ ；
(3)判断这两条边界线的距离；L，若￡/名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￡/(β+Ι).
(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A改为(A+Uirf/2),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，ifei二-η*名-2·Α ;
(5)将筋条侧壁偏置实际加工余量(Δ+句，得到修正后的实际偏置面J^sr,再分别偏置Ess ,得到修改后的刀轨线边界线，然后进行排刀和刀轨计算，得到实际刀轨线Tp* ；
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；
(I)端面处理原则。如图7 (a)所示，X方向刀轨线边界为刀轨I和刀轨2，两刀轨线
之间的距离为厶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力為端面处
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A小于等于2倍步距，KL1大于2倍步距，BP^ <2*^且￡: I 2*4 ,则按照图7 (c)方式安排刀轨，采用X方向进给切削；
b)若4大于2倍步距，且小于等于2倍步距，即It>2*為且Z3 2*名’则按照图7
O方式安排刀轨，采用Y方向进给切削；
c)若/1 Z2,则采用Y方向进给切削；
d)若I1=’则采用X方向进给切削；
e)若4与L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
JLm
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5_)”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O ;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
A——理论加工余量；
Pc——面C偏置加工余量A ,得到的C偏置面；
——面H偏置加工余量A，得到的H偏置面；
A——&与&之间的距离；FjE与之间的距尚；
T——与面C之间的距离；
JLf*
h——1J 4之间的距离；
凹凸筋条在X方向的排刀原则为
a)若A-A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的刀具轨迹线在与J^r之间进行排列。其刀具轨迹如图8 (c)所示；
b)设1^与％之间已经计算的刀轨数为n+1，即+，则^与尽可以
通过η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。
权利要求
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I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I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A进行偏置，得到理论偏置面； E(2)将两个理论偏置面Fms分别偏置R;^,得到该区域最外侧的两刀轨线边界线 TPEttl；(3)判断这两条边界线的距离L，若Z/4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，其中为刀轨进行余量调整后的径向进给量，n为L/Ap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A改为(A+itet/2),此时再进行排刀计算，只需n+l条刀轨即可加工完毕，比正常余量刀轨少一刀，其中，=-2*A，为两筋条之间的最短距离Rjm为刀具半径；(5)将筋条侧壁偏置实际加工余量(A#句，得到修正后的实际偏置面,再分别偏置,得到修改后的刀轨线边界线TPaAddss，然后进行排刀和刀轨计算，得到所有修正的实际刀轨线1。
4.如权利要求I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I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。
全文摘要
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加工区域获取；加工余量计算；长刀轨计算；筋条端面刀轨计算；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。
文档编号G05B19/19GK102591252SQ20121005895
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者初宏震, 张辉, 杜宝瑞, 王勃, 王碧玲, 许璟琳, 郑国磊 申请人:北京航空航天大学, 沈阳飞机工业(集团)有限公司