一种复杂结构件内外孔自动识别与作业单元分配方法
【专利摘要】一种复杂结构件内外孔自动识别与作业单元分配方法，包括以下步骤：首先，将带有管道的复杂构件安装在龙门式多单元联合作业机床上，并确定龙门地桥单元和左右立柱单元工作空间分界面；其次，做若干个构件横截面，获得一组管道内壁的闭合曲线，并求取最小外接圆；最后，根据插值原理对构件上某加工孔P(xp,yp,zp)，求其在y＝yp处最小外接圆Cp，若P点在Cp内，则为内孔，高于龙门地桥分界面由龙门单元加工，否则由地桥单元加工；反之，为外孔，在左右立柱分界面左侧由左立柱单元加工，否则由右立柱单元加工。本发明方法适用于任意轴线和截面形状不规则的复杂构件，仅根据加工孔位即可识别内孔和外孔，并分配给合适的主轴，原理简洁明了、算法正确有效、易于实现。
【专利说明】
一种复杂结构件内外孔自动识别与作业单元分配方法
技术领域
[0001] 本发明属于自动化制造领域，涉及一种面向龙门式多主轴联合制孔机床的复杂结 构件内外孔自动识别与作业单元分配方法。
【背景技术】
[0002] 很多大型工业产品都是包含管道内腔的复杂结构件，可以使用龙门式多主轴联合 制孔机床对其外表面和内壁表面进行制孔，以提高工作效率。然而，与单个主轴单元的制孔 机床相比，多主轴机床的数控编程更为复杂，这是因为规划加工路径前首先要确定加工作 业如何分配，即决定哪些加工区域或孔位的加工由哪个主轴单元完成。如果加工孔位没有 分配给合适的主轴单元，则可能导致机床加工姿态不合理、行程超限、运动干涉，无法顺利 完成加工，甚至可能出现加工遗漏或重复。
[0003] 由于这种大型复杂结构件的待加工孔数量通常很多，采用人工编程的工作量和效 率是难以接受的，而基于CAM(computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)软件进行 自动数控编程时面临的难题则是，从工艺数模内提取出的待加工孔位信息通常只包含位 置，没有任何标志，且管道内壁有时又是非规则、弯曲的，因此很难直接判断出待加工孔是 内孔还是外孔，并分配给合理的作业单元。
【发明内容】
[0004] 鉴于【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提供一种复杂结构件内外孔自动 识别与作业单元分配方法，其能实现根据加工孔位的坐标正确识别内孔和外孔，并可根据 龙门式多主轴联合制孔机床各主轴单元的作业空间将其自动分配给合适的主轴单元。
[0005] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006] 1. -种复杂结构件内外孔自动识别与作业单元分配方法，其特征在于该方法包括 以下步骤：
[0007] 1)在由龙门单元、地桥单元、左立柱单元和右立柱单元组成的龙门式多单元联合 作业机床上分别建立机床坐标系〇m-XYZ和工件坐标系0 W-XH人且工件坐标系的V轴方向 与机床坐标系的Z轴方向平行，并将带有管道的复杂结构件定位在联合作业机床的工件安 装基准面上；
[0008] 2)根据龙门式多单元联合作业机床工作空间初始化作业单元分配规划参数Yub和 Zlr，其中YUB表示龙门单元和地桥单元的工作空间分界面在工件坐标系下的疒轴坐标，Zlr表 示左立柱单元和右立柱单元的工作空间分界面在工件坐标系下的f轴坐标；
[0009] 3)从与工件坐标系V轴垂直的复杂构件任意端面开始，根据复杂构件内壁管道的 复杂性，沿工件坐标系V轴方向做n个构件的横截面，获得一组构件管道内壁形状的闭合曲 线（Si &，…，Sn)，对每个闭合曲线，求取其最小外接圆Q，并用一组四元数描述这组外 接圆，
[0010] [0Xi，。yi，。Zi， 。ri] i = l，2,…，n
[0011] 其中（°Xl，V，°Zl)表示第i个闭合曲线的最小外接圆圆心〇1的坐标，° ri表示第i 个闭合曲线的最小外接圆半径。
[0012] 4)提取复杂结构件上的全部待加工孔的位置信息，对于构件上的某加工孔位P，其 坐标为(x P，yP，zP)，找到描述构件管道内壁闭合曲线的最小外接圆Ci和Ci+1满足° yi<yP< °yi+i，再根据下式计；^°xP，°zP#P°rP
[0014]其中，°xP，°zP为根据插值原理计算得到的构件管道内壁在y = yP截面上的最小外接 圆CP的圆心f向坐标和f向坐标，°rP为在y = yP截面上最小外接圆半径。
[0015] 5)如果
，则判断该孔位为内孔，再根据龙门单元和地 桥单元加工孔分配准则：如果^〈￥_，则该孔位由横梁单元完成加工，否则该孔位由地桥单 元完成加工;如果
，.则判断该孔位为外孔，再根据左立柱单元 和右立柱单元加工孔分配准则：如果zp〈Zlr，则该孔位由右立柱单元完成加工，否则由左立 柱单元完成加工。
[0016] 本发明与已有技术相比，具有以下优点及突出性效果：
[0017]该方法利用简单的数据结构描述轴线弯曲、截面形状不规则的复杂结构件管道内 壁的几何特征，仅根据加工孔的位置即可正确识别内孔和外孔，并根据机床的作业空间将 其自动分配给合适的主轴单元，原理简洁明了、算法正确有效、易于编程实现，可以为利用 CAM软件或方法进行走刀路径规划和数控编程提供正确的输入和合理的依据。
【附图说明】
[0018] 图1是复杂结构件内外孔自动识别与作业单元分配方法流程示意图。
[0019] 图2是多单元联合作业机床与构件安装示意图。
[0020] 图中1-横梁单元，2-工件坐标系，3-左立柱单元，4-复杂结构件，5-地桥单元，6-多 单元联合作业机床，7-右立柱单元，8-机床坐标系。
[0021 ]图3是对管道做若干横截面示意图。
[0022]图4是管道横截面与最小外接圆示意图。
[0023]图5是内外孔区分案例图。
[0024]图6是作业头分配示意图
【具体实施方式】
[0025]下面参照附图详细说明根据本发明的复杂结构件内外孔自动识别与作业单元分 配方法。
[0026] 参照图1，根据本发明的复杂结构件内外孔自动识别与作业单元分配方法，其包括 步骤1)~步骤6)。
[0027] 1)如图2所示，将带有管道的复杂结构件定位在龙门式多单元联合作业机床的工 件安装基准面上，建立如图所示的机床坐标系〇m-XYZ和工件坐标系0w-XH\为保证管道 内壁由龙门单元和地桥单元加工，安装定位复杂结构件时应确保构件竖直放置，即假设在 工件坐标系下管道的方向是Y'轴方向，那么令工件坐标系的Y'轴方向与机床坐标系Z轴方 向平行，工件坐标系的Z'轴方向与机床坐标系的Y轴方向平行；
[0028] 2)复杂结构件定位安装完成后，可以根据机床各个主轴单元的工作空间划分各单 元的工作空间分离面，例如，龙门单元与地桥单元是相对的，按照步骤1)定位安装结构件 时，可以在机床坐标系内很容易地建立一个与Z轴垂直的平面，低于该平面的内孔由地桥单 元加工，高于该平面的内孔由龙门单元加工;左右立柱单元是相对的，可以在机床坐标系内 建立一个与Y轴垂直的平面，平面左侧的外孔由左立柱单元加工，平面右侧的外孔由右立柱 单元加工。根据这两个平面的位置初始化规划参数Yub和Zlr，Yub表示龙门单元和地桥单元的 工作空间分界面在工件坐标系下V轴坐标，Zlr表示左立柱单元和右立柱单元的工作空间分 界面在工件坐标系下的f轴坐标；
[0029] 3)如图3所示，从与工件坐标系疒轴垂直的复杂构件任意端面开始，根构件管道内 壁的复杂程度，沿工件坐标系V轴方向做n个构件的横截面，获得一组复杂结构件管道内壁 形状的闭合曲线(Si，&，…，Sn);如图4所示，对每个闭合曲线Si，都可以求得其最小外接 圆匕，该最小外接圆圆心和半径信息可以用一组四元数加以描述，
[0030] [0xi，。yi，。Zi，。ri] i = l，2,…，n
[0031] 其中（°Xl，°yi，°Zl)表示第i个闭合曲线的最小外接圆圆心⑴的坐标，° ri表示第i 个闭合曲线的最小外接圆直径。横截面数量根据管道形状确定，如管道为直管，则n = 2即 可，如管道轴线是弯曲的，且截面形状是不规则的，则n的取值越大，对管道形状的描述越精 确，例如，图3)所示复杂构件，当n=ll时获取复杂构件内壁最小外接圆（Ci，C 2，…，Cn) 就能满足内外孔识别要求；
[0032] 4)提取复杂结构件上的全部待加工孔的位置信息，对于复杂构件上的某加工孔位 P，若其坐标为(xP，yP，zP)，找到描述构件管道内壁闭合曲线最小外接圆Ci和C i+1满足°yi< yP<°yi+i，并根据下式计#°xP，°zP#P°r P
[0034] 其中，°xP，°Z[^PI°rP为根据插值原理计算得到的构件管道内壁在y = yP截面上的最 小外接圆的V向坐标，Z'向坐标和半径；
[0035] 5)根据步骤4)的计算结果，如果
，则判断该孔位为 内孔，如果
，则判断该孔位为外孔，例如图5中，待加工孔位Pi， 由于其在管道截面y = yPl与圆心⑴的距离大于°rP，因此为外孔，反之，P2其在管道截面y = yP上与圆心〇i的距离小于°rP，因此为内孔。
[0036] 6)对于步骤5)判断为内孔的孔位，在工件坐标系下如果其疒轴坐标小于Yub，则该 孔位由横梁单元完成加工，否则该孔位由地桥单元完成加工;对于判断为外孔的孔位，在工 件坐标系下如果其Z'轴坐标小于Zlr，则该孔位由右立柱单元完成加工，否则由左立柱单元 完成加工，如图6所不。
【主权项】
1. 一种复杂结构件内外孔自动识别与作业单元分配方法，其特征在于该方法包括以下 步骤： 1) 在由龙门单元、地桥单元、左立柱单元和右立柱单元组成的龙门式多单元联合作业 机床上分别建立机床坐标系Om-XYZ和工件坐标系Ow-XH人且工件坐标系的V轴方向与机 床坐标系的Z轴方向平行，并将带有管道的复杂结构件定位在联合作业机床的工件安装基 准面上； 2) 根据龙门式多单元联合作业机床工作空间初始化作业单元分配规划参数Yub和ZLR，其 中Yub表示龙门单元和地桥单元的工作空间分界面在工件坐标系下的V轴坐标，Z LR表示左 立柱单元和右立柱单元的工作空间分界面在工件坐标系下的f轴坐标； 3) 从与工件坐标系疒轴垂直的复杂构件任意端面开始，根据复杂构件内壁管道的复杂 性，沿工件坐标系Y'轴方向做η个构件的横截面，获得一组构件管道内壁形状的闭合曲线 (S1&，···，S n)，对每个闭合曲线，求取其最小外接圆G，并用一组四元数描述这组外接圆， [0xi,°yi,0zi,°ri] i = l,2,···,]! 其中表示第i个闭合曲线的最小外接圆圆心⑴的坐标，°Γι表示第i个闭合 曲线的最小外接圆半径。 4) 提取复杂结构件上的全部待加工孔的位置信息，对于构件上的某加工孔位P，其坐标 为(11)，71)，2 1))，找到描述构件管道内壁闭合曲线的最小外接圆(^和(^+1满足°7<71)<°71 +1，再 根据下式计算°xP，°Zt^P°:rP其中，°xP，°zP为根据插值原理计算得到的构件管道内壁在y = yP截面上的最小外接圆CP 的圆心X'向坐标和Z'向坐标，°rP为在y = yP截面上最小外接圆半径。，则判断该孔位为内孔，再根据龙门单元和地桥单 元加工孔分配准则:如果yP〈YiiB，则该孔位由横梁单元完成加工，否则该孔位由地桥单元完 成加工：，则判断该孔位为外孔，再根据左立柱单元和右 立柱单元加工孔分配准则：如果zp〈Zlr，则该孔位由右立柱单元完成加工，否则由左立柱单 元完成加工。
【文档编号】G05B19/4155GK105929798SQ201610466059
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】王国磊, 陈恳, 吴丹, 杨向东, 徐静, 张庆彪, 饶刚, 任田雨, 帅朝林, 郑林斌, 刘顺涛, 陈雪梅
【申请人】清华大学