基于动态可视化的数控加工进退刀轨迹干涉检查方法
【专利摘要】一种基于动态可视化的数控加工进退刀轨迹干涉检查方法，其特征是首先在CAM系统中通过点选工程人员创建的加工操作，自动读取零件工艺模型并计算出操作的加工轨迹，并获取该操作所包含的进刀、退刀的参数信息，可以人工输入参数信息以修改操作的加工轨迹。点选零件模型中的任意面，对加工轨迹的某段宏元素进行针对点选面的干涉检查，并即时将检查情况向工程人员进行反馈。本发明可视性好，灵活性好，准确性高，交互性好，可以提高工程人员的工作效率，避免了工程人员的重复劳动，使得工程人员可以直观的检查加工轨迹与零件的干涉情况，并对其进行即时的修改。
【专利说明】基于动态可视化的数控加工进退刀轨迹干涉检查方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数控加工技术，尤其是一种飞机结构件动态数控加工进退刀轨迹干涉检查方法，具体地说是一种基于动态可视化的数控加工进退刀轨迹干涉检查方法。
【背景技术】
[0002]飞机结构件尺寸大，结构复杂，包含大量自由曲面、相交特征和特殊加工区域，加工难度较大，加工周期较长。对于大型飞机整体结构件，其数控编程时间与机床加工时间的比例达到了 7:1，数控编程的效率低下，造成了机床能力的浪费。
[0003]对于一些自由曲面、难加工区域，工程人员在编程的时候，常常会出现加工轨迹与零件模型产生干涉的问题，这在编制进刀、退刀的加工轨迹的时候显得尤为突出。由于当前商业的CAD/CAM软件并没有提供这项功能，工程人员需花大量的时间来查找干涉部位、修改参数，往往还需要借助相关的专业仿真软件，重复工作量大，工作强度高，效率低下。
[0004]动态进退刀干涉检查方法能很大的提高工程人员的编程效率，尤其对于某些大型复杂飞机结构件，由于结构复杂，包含很多自由曲面，工艺员往往需要滚动屏幕同时仔细观察刀轨的变化来检查是否有所干涉，重复工作量大，效率低，严重影响了零件的整个加工生产周期，进而影响了企业的生产效率和经济效益。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对工程人员在数控编程时，难以直观的观察进退刀加工轨迹，容易引起刀轨与零件的干涉、碰撞的情况，发明的一种可视性好、动态性好，可以直观的检查进退刀加工轨迹与零件模型是否会产生干涉的干涉检查方法。
[0006]本发明的技术方案包含以下步骤:
步骤1:读取零件工艺模型。在CAM环境下导入零件工艺模型，工艺模型中包含零件的三维实体模型，加工操作程序，加工操作的几何驱动信息，加工操作所包含的余量信息，进退刀加工轨迹参数，进退刀所包含的宏元素，加工轨迹的刀位点信息、所使用的刀具信息
坐寸ο
[0007]步骤2:读取零件特征识别结果列表。特征识别结果列表是特征识别的结果，记录了零件所包含的特征信息，包括零件的槽特征、孔特征、筋特征、转角特征和轮廓特征。
[0008]步骤3:选取进退刀干涉检查的加工操作并获取相关的参数信息。点选需要进行进退刀轨迹干涉检查的加工操作，支持批量选取。对每个选取的操作在内部创建对应的类存储相应的操作参数信息，操作参数包含操作序号、操作类型、操作的几何驱动元素、操作的余量信息、进退刀宏元素、以及宏元素包含的详细的进退刀刀轨信息，如圆弧进退刀宏的圆弧角度、圆弧定位高度、圆弧半径，螺旋进退刀宏的水平安全距离、垂直安全距离、螺旋角等。最后在内部以列表的方式存储记录下获取的所有加工操作类。
[0009]步骤4:快速生成加工操作的加工轨迹。调用CAM软件的内部接口，获取加工操作的刀轨信息，快速计算出相应的刀具轨迹并展示在工程人员面前。[0010]步骤5:根据工程人员交互修改的参数即时生成修改后的刀轨。工程人员根据步骤4快速生成的加工轨迹可以对相应的进退刀宏参数进行替换、插入、删除，如将圆弧进退刀宏替换成折线进退刀宏，或在圆弧进退刀宏插入一段轴向进退刀宏等，也可以对宏元素包含的参数信息如圆弧进退刀宏的圆弧角度、螺旋进退刀宏的水平安全距离等进行修改。系统感应到相应的参数变化，调用内部的接口，即时对加工操作进行修改，重新计算操作进退刀的刀位点，生成新的进退刀轨迹，并即时反馈展示给工艺员，方便工艺员进行下一步的判断。
[0011]步骤6:提取刀具模型信息。找到操作所在的工步，并记录下该工步下的刀具模型信息，刀具信息包括刀具刃长，刀具刀杆长，刀具总长，刀具刀杆直径，刀具装夹部分直径，刀具底脚半径等。最后将得到的刀具模型信息一并存入到步骤3所创建的对应的操作的类存储空间内。
[0012]步骤7:自动判断所需检查的进退刀宏元素。获取操作所包含的的进退刀宏元素，以及宏元素所属的宏类型，宏类型包括进刀宏和退刀宏。自动查找与加工轨迹段最后一个刀位点相连的宏兀素，即为需要检查的宏兀素。如某操作退刀宏依次包含圆弧退刀宏、轴向退刀宏、返回安全平面退刀宏，则与加工轨迹段最后一个刀位点相连的宏元素就为圆弧退刀宏。
[0013]步骤8:自动获取进退刀刀位点信息。根据步骤7找到的宏元素，标记该段宏元素所对应的加工轨迹，并找到该段加工轨迹上所有的刀位点，并提取所有刀位点处刀具的加工状态信息以及刀位点处的刀轴矢量方向。
[0014]步骤9:根据存储的信息自动创建干涉检查面。根据步骤3存储的操作的几何信息找到操作对应的特征对象，如某操作类型为铣腹板操作，则提取操作的底面驱动几何，获取该底面的Tag值，“Tag值”为零件几何信息所对应的唯一标识。遍历特征识别结果列表找到该面所属的槽特征，则这个槽特征即为该操作所对应的特征对象。获取特征对象后，根据特征对象自动创建干涉检查面，如操作类型为铣腹板操作，则将该槽特征的侧面根据侧面余量信息偏置后设置为干涉检查面；如操作类型为铣内型操作，则将该槽特征的底面根据底面余量信息偏置后设置为干涉检查面。
[0015]步骤10:自动创建刀具模型几何体。以步骤8获取的所有刀位点为刀具中心点循环构造刀具几何体模型，刀具具体信息为步骤6所记录下的刀具模型信息。构造步骤如下:
(O获取该刀位点在该工艺模型下的坐标；
(2)获取该刀位点的刀轴矢量方向，记为V轴；
(3)以该刀位点为圆心，刀轴方向为法向，任意半径创建数学圆，在圆上任选一点，该点与刀位点构成的向量记为H轴，即保证所构建的H轴与刀轴矢量方向(V轴)绝对垂直；
(4)以该刀位点、V轴、H轴构成的平面创建刀具模型几何体的一个截面；
(5)在该截平面上，根据已知的刀具信息，绘制刀具模型草图，包括绘制刀具底面轮廓线、刀刃部分刀具外轮廓线、刀杆部分刀具外轮廓线等；
(6)根据绘制成的刀具模型草图，以刀轴矢量方向为回转轴，刀具模型截面为回转面创建回转体。
[0016]步骤11:进行干涉检查判断。根据步骤10，用每个刀位点上创建得到的刀具几何体模型与步骤9自动创建的干涉检查面创建相交，并检测它们的相交性，即是否干涉，若创建相交失败，即两者并没有相交，则说明在该刀位点处，刀轨是安全的，未与检查面产生干涉，返回步骤10，继续进行下个刀位点刀具几何体模型的创建，若创建相交成功，则说明该刀位点处刀具几何体模型与检查面产生了干涉，这时候停止循环，将创建相交所得到的几何元素如面、线、点等显示，标记产生干涉的零件表面，并提示工程人员产生干涉。直到所有刀位点循环结束，则表示所有干涉排除成功。
[0017]本发明的有益效果是:
(1)可视性好，选取需要进行干涉检查的加工操作，生成刀轨，工程人员能够清晰的看到加工轨迹，修改相应的进退刀参数后，也能即时生成新的刀轨，使工程人员能直观的看到修改后的效果；
(2)灵活性好，如(I)所述，根据工程人员修改后的参数，能够即时地修改相应的刀轨，这使得该段加工轨迹具有一种动态特性，使得刀轨能够根据工程人员设置的进退刀参数而灵活变化，这种对参数改动的灵活适应性，可以节省工程人员相当大的工作量；
(3)准确性高，对于进退刀的某段宏元素，找到它包含的每个刀位点，对每个刀位点都自动生成刀具几何体，该几何体是通过该工步下包含的刀具信息而创建的，真实性较好，创建后与零件模型进行干涉判断，因为刀位点较密集，有较好的代表性，减小了出错的概率；
(4)交互性好，良好的交互性使得工程人员能够随时监测修改后的参数，参数修改后的效果也能对工程人员进行反馈，使工程人员对加工轨迹一目了然，同时，干涉检查结果的实时反馈，也能够方便工程人员的下一步判断。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的流程图。
[0019]图2为某航天框类结构件精加工槽腔的加工操作加工轨迹。
[0020]图3为修改加工操作参数后即时更新刀轨的对比图，其中左图为圆弧角度为90度，圆弧半径为IOmm时的退刀刀轨，LI为圆弧退刀宏，L2为轴向退刀宏，P1-P8为圆弧退刀宏包含的8个刀位点。相应的右图为圆弧角度修改为100度，圆弧半径修改为20mm后即时显示的刀轨。
[0021]图4为本发明的刀具模型的一个截面图，Cutting length为刀具刃长，Length为刀具刀杆长，Overall length为刀具总长,Norminal radius为刀具刀杆直径,Body radius为刀具装夹部分直径，Re为刀具底脚半径。
[0022]图5为获取的圆弧退刀段刀位点信息，其中P1-P8为圆弧退刀段的8个刀位点，V1-V8为8个刀位点处的刀轴矢量方向。
[0023]图6为自动创建干涉检查面的示意图，其中Plane R为操作的底面驱动几何，Tag值为11632，右图为特征识别列表比对的结果，A、B、C、D为获取的侧面信息，分别对应特征列表中的Tag值10844、10865、11480、11641，Offset为获取的侧面余量信息。U1、U2、U3和U4分别为侧面A、B、C和D的法矢方向，每个侧面的干涉检查面由该面沿其法矢方向偏置offset值得到。
[0024]图7为在刀位点P处创建的刀具几何模型示意图，V为刀轴矢量方向。
[0025]图8为P点处创建的刀具与侧面C的偏置检查面发生干涉的示意图，L1、L2为干涉相交线，同时提示用户“C平面发生干涉”。【具体实施方式】
[0026]下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0027]如图1-8所示。
[0028]一种基于动态可视化的数控加工进退刀轨迹干涉检查方法可概括为以下11个步骤:
步骤1:读取零件工艺模型。
[0029]步骤2:读取零件特征识别结果列表。
[0030]步骤3:选取进退刀干涉检查的加工操作并获取相关的参数信息。
[0031]步骤4:快速生成加工操作的加工轨迹。
[0032]步骤5:根据工程人员交互修改的参数即时生成修改后的刀轨。
[0033]步骤6:提取刀具模型信息。
[0034]步骤7:自动判断所需检查的进退刀宏元素。
[0035]步骤8:自动获取进退刀刀位点信息。
[0036]步骤9:根据存储的信息自动创建干涉检查面。
[0037]步骤10:自动创建刀具模型几何体。
[0038]步骤11:进行干涉检查判断。
[0039]详述如下:
本发明的流程图如图1所示，各步骤的内容和重点如下:
步骤1:读取零件工艺模型。在CAM环境下导入零件工艺模型，工艺模型中包含零件的三维实体模型，加工操作程序，加工操作的几何驱动信息，加工操作所包含的余量信息，进退刀加工轨迹参数，进退刀所包含的宏元素，加工轨迹的刀位点信息、所使用的刀具信息
坐寸ο
[0040]步骤2:读取零件特征识别结果列表。特征识别结果列表是特征识别的结果，记录了零件所包含的特征信息，包括零件的槽特征、孔特征、筋特征、转角特征和轮廓特征。
[0041]步骤3:选取进退刀干涉检查的加工操作并获取相关的参数信息。点选需要进行进退刀轨迹干涉检查的加工操作，支持批量选取。对每个选取的操作在内部创建对应的类OperationClass存储相应的操作参数信息,操作参数包含操作序号Number、操作类型Type、操作的几何驱动元素列表GeometryList、操作的余量信息列表OffsetList、进退刀宏元素MacroPrameter、以及宏元素包含的详细的进退刀刀轨信息，如圆弧进退刀宏的圆弧角度Angle、圆弧定位高度Orientation、圆弧半径Radius,螺旋进退刀宏的水平安全距离Horizontal Distance、垂直安全距离 Vertical Distance、螺旋角 Ramping Angle 等。最后将获取的所有加工操作类存储于内部列表OperationList。
[0042]步骤4:快速生成加工操作的加工轨迹。调用CAM软件的内部接口，获取加工操作的刀轨信息，快速计算出相应的刀具轨迹并展示在工程人员面前。如图2，为某航天框类结构件精加工槽腔的加工操作。
[0043]步骤5:根据工程人员交互修改的参数即时生成修改后的刀轨。工程人员根据步骤4快速生成的加工轨迹可以对相应的进退刀宏参数进行替换、插入、删除，如将圆弧进退刀宏替换成折线进退刀宏，或在圆弧进退刀宏插入一段轴向进退刀宏等，也可以对宏元素包含的参数信息如圆弧进退刀宏的圆弧角度、螺旋进退刀宏的水平安全距离等进行修改。系统感应到相应的参数变化，调用内部的接口，即时对加工操作进行修改，重新计算操作进退刀的刀位点，生成新的进退刀轨迹，并即时反馈展示给工艺员，方便工艺员进行下一步的判断。如图3所示，左图为圆弧角度为90度，圆弧半径为IOmm时的退刀刀轨，LI为圆弧退刀宏，L2为轴向退刀宏，P1-P8为圆弧退刀宏包含的8个刀位点。相应的右图为圆弧角度修改为100度，圆弧半径修改为20mm后即时显示的刀轨，因为圆弧退刀宏长度加长，刀位点增加到11个，分别为Pl-PlI。
[0044]步骤6:提取刀具模型信息。找到操作所在的工步，并记录下该工步下的刀具模型信息，刀具信息包括刀具刃长Cutting length,刀具刀杆长Length，刀具总长Overalllength,刀具刀杆直径Norminal radius,刀具装夹部分直径Body radius,刀具底脚半径Re等。最后将得到的刀具模型信息一并存入到步骤3所创建的对应的操作的类存储空间内。如图4所不,为刀具模型的一个截面图。
[0045]步骤7:自动判断所需检查的进退刀宏元素。获取操作所包含的的进退刀宏元素，以及宏元素所属的宏类型，宏类型包括进刀宏和退刀宏。自动查找与加工轨迹段最后一个刀位点相连的宏兀素，即为需要检查的宏兀素。如某操作退刀宏依次包含圆弧退刀宏、轴向退刀宏、返回安全平面退刀宏，则与加工轨迹段最后一个刀位点相连的宏元素就为圆弧退刀宏。如图3所示，L2是与加工轨迹段最后一个刀位点相连的圆弧退刀段，即为所需干涉检查的宏元素。
[0046]步骤8:自动获取进退刀刀位点信息。根据步骤7找到的宏元素，标记该段宏元素所对应的加工轨迹，找到该段加工轨迹上所有的刀位点，并提取所有刀位点处刀具的加工状态信息以及刀位点处的刀轴矢量方向。如图5所示，P1-P8为圆弧退刀段的8个刀位点，V1-V8为8个刀位点处的刀轴矢量方向。
[0047]步骤9:根据存储的信息自动创建干涉检查面。根据步骤3存储的操作的几何信息找到操作对应的特征对象，如某操作类型为铣腹板操作，则提取操作的底面驱动几何，获取该底面的Tag值，“Tag值”为零件几何信息所对应的唯一标识。遍历特征识别结果列表找到该面所属的槽特征，则这个槽特征即为该操作所对应的特征对象。获取特征对象后，根据特征对象自动创建干涉检查面，如操作类型为铣腹板操作，则将该槽特征的侧面根据侧面余量信息偏置后设置为干涉检查面；如操作类型为铣内型操作，则将该槽特征的底面根据底面余量信息偏置后设置为干涉检查面。如图6所示,统腹板加工的底面为平面R,它的Tag值为11632，遍历特征识别列表后找到操作对应的槽特征，得到它的四个侧面Tag值分别是10844、10865、11480、11641，对应到零件上的A、B、C、D面，根据内部存储信息，得到操作的侧面余量信息记为offset，分别将A、B、C、D面向法向Ul、U2、U3、U4方向偏置offset的距离，即得到四个干涉检查面。
[0048]步骤10:自动创建刀具模型几何体。以步骤8获取的所有刀位点为刀具中心点循环构造刀具几何体模型，刀具具体信息为步骤6所记录下的刀具模型信息。构造步骤如下:
(O获取该刀位点在该工艺模型下的坐标；
(2)获取该刀位点的刀轴矢量方向，记为V轴；
(3)以该刀位点为圆心，刀轴方向为法向，任意半径创建数学圆，在圆上任选一点，该点与刀位点构成的向量记为H轴，即保证所构建的H轴与刀轴矢量方向(V轴)绝对垂直； (4)以该刀位点、V轴、H轴构成的平面创建刀具模型几何体的一个截面；
(5)在该截平面上，根据已知的刀具信息，绘制刀具模型草图，包括绘制刀具底面轮廓线、刀刃部分刀具外轮廓线、刀杆部分刀具外轮廓线等；
(6)根据绘制成的刀具模型草图，以刀轴矢量方向为回转轴，刀具模型截面为回转面创建回转体。如图7，为上述圆弧退刀宏第一个刀位点处的刀具几何体。
[0049]步骤11:进行干涉检查判断。根据步骤10，用每个刀位点上创建得到的刀具几何体模型与步骤9自动创建的干涉检查面创建相交，并检测它们的相交性，即是否干涉，若创建相交失败，即两者并没有相交，则说明在该刀位点处，刀轨是安全的，未与检查面产生干涉，返回步骤10，继续进行下个刀位点刀具几何体模型的创建，若创建相交成功，则说明该刀位点处刀具几何体模型与检查面产生了干涉，这时候停止循环，将创建相交所得到的几何元素如面、线、点等显示，将产生干涉的零件表面标记为不安全，并提示工程人员产生干涉，如图8，为产生干涉的情况，P点为刀位点，V轴为该点处的刀轴矢量，L1、L2为产生的相交线，则提示用户“C平面产生干涉”。所有刀位点循环结束，若都没有产生干涉、则表示所有干涉排除成功。
[0050]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。
【权利要求】
1.一种基于动态可视化的数控加工进退刀轨迹干涉检查方法，其特征是在于它包括以下步骤: 步骤1:读取零件工艺模型；在CAM环境下导入零件工艺模型，工艺模型中包含零件的三维实体模型，加工操作程序，加工操作的几何驱动信息，加工操作所包含的余量信息，进退刀加工轨迹参数，进退刀所包含的宏元素，加工轨迹的刀位点信息和所使用的刀具信息； 步骤2:读取零件特征识别结果列表；特征识别结果列表是特征识别的结果，记录了零件所包含的特征信息，包括零 件的槽特征、孔特征、筋特征、转角特征和轮廓特征； 步骤3:选取进退刀干涉检查的加工操作并获取相关的参数信息；点选需要进行进退刀轨迹干涉检查的加工操作，支持批量选取；对每个选取的操作在内部创建对应的类存储相应的操作参数信息，操作参数信息包含操作序号、操作类型、操作的几何驱动元素、操作的余量信息、进退刀宏元素、以及宏元素包含的详细的进退刀刀轨信息，最后在内部以列表的方式存储记录下获取的所有加工操作类； 步骤4:生成加工操作的加工轨迹；调用CAM软件的内部接口，获取加工操作的刀轨信息，计算出相应的刀具轨迹并展示在工程人员面前； 步骤5:根据工程人员交互修改的参数即时生成修改后的刀轨；工程人员根据步骤4快速生成的加工轨迹可以对相应的进退刀宏参数进行替换、插入、删除，系统感应到相应的参数变化，调用内部的接口，即时对加工操作进行修改，重新计算操作进退刀的刀位点，生成新的进退刀轨迹，并即时反馈展示给工艺员，方便工艺员进行下一步的判断；步骤6:提取刀具模型信息；找到操作所在的工步，并记录下该工步下的刀具模型信息，最后将得到的刀具模型信息一并存入到步骤3所创建的对应的操作的类存储空间内；步骤7:自动判断所需检查的进退刀宏元素；获取操作所包含的的进退刀宏元素，以及宏兀素所属的宏类型，宏类型包括进刀宏和退刀宏；自动查找与加工轨迹段最后一个刀位点相连的宏元素，即为需要检查的宏元素； 步骤8:自动获取进退刀刀位点信息；根据步骤7找到的宏元素，标记该段宏元素所对应的加工轨迹，并找到该段加工轨迹上所有的刀位点，并提取所有刀位点处刀具的加工状态信息以及刀位点处的刀轴矢量方向； 步骤9:根据存储的信息自动创建干涉检查面；根据步骤3存储的操作的几何信息找到操作对应的特征对象，获取特征对象后，根据特征对象自动创建干涉检查面； 步骤10:自动创建刀具模型几何体；以步骤8获取的所有刀位点为刀具中心点循环构造刀具几何体模型，刀具具体信息为步骤6所记录下的刀具模型信息； 步骤11:进行干涉检查判断；根据步骤10，用每个刀位点上创建得到的刀具几何体模型与步骤9自动创建的干涉检查面创建相交，并检测它们的相交性，即是否干涉，若创建相交失败，即两者并没有相交，则说明在该刀位点处，刀轨是安全的，未与检查面产生干涉，返回步骤10，继续进行下个刀位点刀具几何体模型的创建，若创建相交成功，则说明该刀位点处刀具几何体模型与检查面产生了干涉，这时候停止循环，将创建相交所得到的几何元素显示，标记产生干涉的零件表面，并提示工程人员产生干涉需要进行修改；直到所有刀位点循环结束，则表示所有干涉排除成功。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的刀具模型几何体的构造步骤如下:获取该刀位点在该工艺模型下的坐标； 获取该刀位点的刀轴矢量方向，记为V轴； 以该刀位点为圆心，刀轴方向为法向，任意半径创建数学圆，在圆上任选一点，该点与刀位点构成的向量记为H轴，即保证所构建的H轴与刀轴矢量方向V轴绝对垂直； 以该刀位点、V轴、H轴构成的平面创建刀具模型几何体的一个截面； 在该截平面上，根据已知的刀具信息，绘制刀具模型草图，包括绘制刀具底面轮廓线、刀刃部分刀具外轮廓线、刀杆部分刀具外轮廓线等； 根据绘制成的刀具模型草图，以刀轴矢量方向为回转轴，刀具模型截面为回转面创建回转体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的宏元素包含的详细的进退刀刀轨信息包括圆弧进退刀 宏的圆弧角度、圆弧定位高度、圆弧半径，螺旋进退刀宏的水平安全距离、垂直安全距离和螺旋角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的刀具信息包括刀具刃长，刀具刀杆长，刀具总长，刀具刀杆直径，刀具装夹部分直径和刀具底脚半径。
【文档编号】G05B19/4068GK103955167SQ201410188274
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】李迎光, 刘旭, 许锡春, 李强 申请人:南京航空航天大学