基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法
【专利摘要】基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法，以工艺方案模型和加工链模型为基础，在残留模型的基础上根据刀具的可加工能力自动构建数控加工单元并进行实时补加工；该原理及方法主要由以下步骤实现：1)获取残留模型信息进行残留域计算；2)制定可工域并进行加工单元自动构建；3)加工操作选择；4)实时补加工方法。本发明建立了基于残留域的加工理论，深入分析了加工单元自动构造过程，并提出实时补加工方法保证加工单元构造满足工艺要求并有效减少加工过程中的干涉与过切，应用本原理及方法开发的自动编程系统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效率。
【专利说明】基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出的基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法，用于飞机复 杂构件快速数控编程系统的自动编程模块中加工单元的自动构造和实时补加工，以期实现 加工刀轨程序的自动生成，属于飞机数字化智能加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 当前采用通用的软件进行数控编程致使周期长、效率低、质量差已成为制约数控 高效加工的瓶颈。究其根源，主要有以下两个方面：一是工艺准备及编程技术智能化程度 低，过分依赖于工艺人员在特定生产环境下长期积累的经验知识；二是编程过程自动化程 度低，需要通过人机交互方式设置各种加工选项和加工参数。因此，研究和开发结构件智能 数控编程技术，提高数控加工程序编制的自动化和智能化水平是高效数控加工技术未来发 展的主要方向之一。在飞机结构件整体加工编程中，交互编程工作量大且交互操作繁琐的 当属加工操作创建与编制过程，并且由于加工程序庞大复杂，仅仅依靠编程人员的经验，未 能完全发挥刀具的加工能力，进而加工效率低下，影响整个飞机的制造周期。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述问题，本发明提出基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造 方法；该方法以工艺方案模型和加工链模型为基础，在残留模型的基础上根据刀具的可加 工能力自动构建数控加工单元并进行实时补加工；应用本发明开发的自动编程系统加工程 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效率。
[0004] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
[0005] 基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法，其特征在于，步骤如下：1) 获取残留模型信息，进行残留域计算；2)制定可工域并进行加工单元自动构建；3)加工操 作的选择；4)实时进行补加工；
[0006] 所述的步骤1)获取残留模型信息，具体为：先将域元分解为直域元和曲域元，得 到残域、残元及层残元；
[0007] 所述的残留域的计算，主要包含（1)间残元的计算；及⑵新层残元的构造：已知 r为工艺过程中任一状态下的残留域，〇为紧接着需参与加工的加工操作，ω为〇所加工的 操作元，1"经〇加工后形成新的残留域r'，ω所加工的层残元为直残元为&。残留域 r'的计算可以等价于rp去除ω后形成的新残元计算；
[0008] 所述⑴间残元的计算方法：①如果&与ω满足或，则&必须 进行分解，方法如下：（i)用平面p ub将4在Z向分割成间残元d与匕，并令4 = 4 - ω ; (^)7^,,..，7^序列更新为间残元序列4，...,/;纟,心...，4。(1)如果4与。满足<^1| <?)2或 (中)2，则令厂》;
[0009] 所述（2)新层残元构造方法：设间残元序列6的间残元个数m彡2,取其 中任意两个相邻的间残元4与4+1，1彡i彡m-1。据此，建立层残元构造方法，具体如下： ①如果4与d 1满足4ΚΓ，则合并'和d1构成层残元，如下：α) 4的底面^4=^4+1及 zib^zf; (i:L)从7^ι?...，Γ:序列中去除心1。②如果4与C满足，则不进行合并；
[0010] 步骤2)所述的制定可工域并进行加工单元自动构建，其过程如下：
[0011] (1)层工元计算：提取域元内的直残元及层残元序列，然后在给定工艺条件下，根 据刀具的可加工能力，采用二次滚圆法自动计算层工元；
[0012] 若层工元，用Vpl表示，并有以下参数化表示：
[0013] vpl = (pvt,zvt,pYh,zyh,Fv(f^...,f； H),rpl)
[0014] 其中，pvt为顶面，pvb为底面，zvt、z vb分别为顶面pvt和底面pvb中心点的Z坐 η 标，且Pvt| |pvb| |XY，Zvt>zvb，Fv为层工元向ΧΥ平面投影生成的组合面域，即且 i=l Π/Ζ =0, m彡i彡1，m彡j彡1，rpl为与vpl关联的层残元且rpl η vpl = vpl ;若 层内工兀，用^表不，定乂为：
[0015] Ιρ? - (pvt，zvt，pvb，zvb，fvI，r pl)
[0016] 其中，/VI=/J，且Vpl的层内工元序列为/?.,5，门w = 0，即 m &门4=0，m彡i彡l，m彡j彡1，并有;则对于可工域中层工元或层内工元有 如下性质存在：
[0017] 性质1 (垂直于Z向等截面）任取两个与XY平行的平面，分别与层工元（或层内工 元）进行求交，并将求交结果分别向XY平面投影生成的组合面域分别为Ai，A 2，如果4 #0 且4 矣 0 .jAi = A2。
[0018] 性质2 vpl底面pvb中心点的Z坐标一定大于等于其关联的层残元rpl底面p b中心 点的Z坐标，即zvb彡zA。
[0019] 性质3 (邻接性和单调递增性）设?，；.··，<为rp的层残元序列，在给定的工艺 条件下，依据刀具可加工的层工元序列，…，4，1 < η < m，则该序列满足以下结论： (a) 4=4；', 1 ^ i ^ n-1 ； (b) F； cF；+I "
[0020] (2)操作元构造：根据层内工元的定义，将层工元分解成一系列层内工元。然 后，沿Z轴方向，根据等截面判断，合并相邻层的层内工元生成新的层内工元。最后，根据 刀具切深及分层加工工艺，自动计算操作元。设4,4，...，4为&的层工元序列，对其中 两相邻层工元v^v；；1，操作元的计算方法为：（1)径向拆分：依据层内工元定义，将层工 元分解为层内工元，得层内工元序列及/^，/='2,；（2)轴向 合并：如果34V2U，满足/? =/、:w，1 < j < mi，1 < k < mi+1，则合并G和/，，更新 C =(K'/，4'/，<u-,4+bu-，/，,心），并从 当前工步为分层粗加工或分层补加工，则按照刀具切深进行轴向分解，即得操作元序列 %(?^，6^···，ω^)，mij彡1，1彡j彡ιν否则将层内工元直接作为操作元。
[0021] (3)间残元创建：去除操作元后，直残元中的层残元序列转换成间残元序列，为后 续的残留模型自动计算提供中间模型。
[0022] (4)层残元构建：如果间残元序列中的相邻间残元满足垂直于Z向等截面，则合并 间残元，直到间残元序列中所有的相邻间残元不满足合并要求，即完成新的层残元序列的 构建，为下一个加工步提供残留模型；
[0023] 步骤3)所述的加工操作选择，是指为操作元选定加工操作并计算相应的加工操 作参数，即可完成加工单元构建；飞机结构件数控加工的典型工步采用的加工操作固定，其 中，粗加工内外形和精加工腹板采用Pocket加工操作；转角加工、半精加工内外形、精加工 内外形及切断加工采用Profile加工操作；半精/精加工开/闭角采用Isoparametric或 Multi-axis Flank 力口工；
[0024] 步骤4)所述的实时补加工方法：包括如下四种情况进行实时补加工：
[0025] (1)前工序未加工余量的补加工：
[0026] 设σ为一工位，σ包含工序序列λ丨，· · ·，λ。，· · ·，λ m，1彡c彡m，m为工序数， 入。为当前工序，如果域元a在λ^...，的子工序序列λ (1)，...，λ (n)，〇彡n彡c-1未 被加工，且在工序λ。被加工，则a必须在工序λ。加工前依次按照工序序列λ (1)，. . .，λ (η) 中的加工余量序列，用工序λ。的第一把刀具对域元a进行补加工。
[0027] (2)前工序中未被完全加工余量的补加工：
[0028] 设λ。为当前工序，τ i为λ。的第一个工步4为τ i使用的刀具，λ η为λ。的前 工序，为经过工序λ η加工后的直残元，fVpr1'2，...，^；-1^^-1的层残元序列，η彡1， 该序列中由工序λ η加工所形成的子层残元序列为，1彡m彡η。根 据刀具可加工能力判断中是否存在&的可工域。如存在，则在加工τ 1 前对…，进行补加工，即对前工序加工不足的余量进行补加工。
[0029] (3)同一工序内，前工步未被加工余量的补加工：在同一工序内，可能在前一个工 步中，有域元未参与任何加工，在后续工步中需对前工步进行补加工；
[0030] (4)同一工序内，前工步未被完全加工余量的补加工：
[0031] 设λ。为一工序，τ τ 2为λ。的两相邻工步，tp t2分别为τ τ 2对应的刀具， a为一域元，a在工步τι加工后的直残元&由层残元序列4^，...，<构成，11彡1，该序列 中经过工步τ i加工所形成的子层残元序列…a的父域元序列为4,4,...,4， 1彡0,其中4+1是< 的父域元，1彡i彡1-1，4在工步τι加工后的直残元为心由层残 元序列，?,?,···，#"构成，m > 1。根据t2的可加工能力，若在工步τ 2可加工亡或rpf， 1 < j <m，l < g<h，则需在工步τ2加工前，先对其父直残元或自身的直残元进行补加 工。
[0032] 基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法，其特征在于，所述的残留 模型信息包括以下概念；
[0033] (1)工域：设ρ为零件，r为毛述，将r减去ρ的多余材料域称为零件ρ的加工域， 简称工域，用σ表示。
[0034] (2)域元：将工域按照一定的规则进行分解，得到一系列相互独立并存在父子关 系的基本三维区域单元，这些单元称为加工域元，简称域元，用a表示。
[0035] (3)直域元：设a为一域元，将a的轮廓侧面集和岛屿侧面集沿Z轴方向往XY平 面投影，得一系列平面域f pl，fp2，…，fpn，η > 0,并将其沿Z向拉伸，在域元约束顶面和约束 η 底面之间形成的三维材料域分别为Vl，V2，…，Vn，称^ - U 为直域元，用Vp表示；直域元还 /=1 可表不为Pp - CPt，·Ρ?)，A，Zb，从，{片，/^_，…，片})其中，pt为顶面，pb为底面，且p t | | pb | | XY，zt、 Zb分别为顶面pt和底面pb中心点的Z坐标，且zt>z b ;
[0036] (4)曲域元：称a_vp为曲域元，用vs表示；
[0037] (5)轮廓界环：设vp向XY平面投影生成的面域为f，μ。为轮廓界环
[0038] (6)岛屿界环：为岛屿界环，m彡0
[0039] (7)残域：在经过一系列工序、工步、加工操作加工之后，在工域基础上形成的残 留未加工域，称为残留域，简称残域，即残留模型，用r表示；
[0040] (8)残元：域元在经过一系列工序、工步、加工操作加工之后形成的残留未加工域 单元，称为残元，用&表示；r e-vs称为直残元，用rp表示，称为曲残元，用rs表示；
[0041] (9)层残元：沿Z轴方向自上而下将直残元划分成一个残留单元序列#，·.·，$， 其中，4的参数化表示：
[0042]
【权利要求】
1.基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法，其特征在于，步骤如下：1) 获取残留模型信息，进行残留域计算；2)制定可工域并进行加工单元自动构建；3)加工操 作的选择；4)实时进行补加工； 所述的步骤1)获取残留模型信息，具体为：先将域元分解为直域元和曲域元，得到残 域、残元及层残元； 所述的残留域的计算，主要包含（1)间残元的计算；及（2)新层残元的构造：已知！为 工艺过程中任一状态下的残留域，〇为紧接着需参与加工的加工操作，《为〇所加工的操作 元，1~经〇加工后形成新的残留域r'，《所加工的层残元为/&，直残元为rp;残留域r'的 计算可以等价于rp去除《后形成的新残元计算； 所述⑴间残元的计算方法：①如果&与《满足或则< 必须进 行分解，方法如下：（i)用平面Pub将4在Z向分割成间残元4与&，并令d=d; (⑴ri,rP】，…，rP:序列更新为间残元序列;②如果，i与w满足吨或 (4吨，则令 4 = 所述（2)新层残元构造方法：设间残元序列4,4,...,6的间残元个数m彡2,取其中任 意两个相邻的间残元'与么+1，1彡i彡m-l;据此，建立层残元构造方法，具体如下：①如果 r丄与C+1满足4 丨1，则合并4和C构成层残元，如下：⑴'的底面乂 =K1及zL (⑴从^!,4...，C序列中去除C;②如果6与C满足4 ，则不进行合并； 步骤2)所述的制定可工域并进行加工单元自动构建，其过程如下： (1)层工元计算：提取域元内的直残元及层残元序列，然后在给定工艺条件下，根据刀 具的可加工能力，采用二次滚圆法自动计算层工元； 若层工元，用Vpl表示，并有以下参数化表示：
其中，Pvt为顶面，Pvb为底面，Zvt、Zvb分别为顶面Pvt和底面Pvb中心点的Z坐标， 且pvt| |pvb| |XY，zvt>zvb，Fv为层工元向XY平面投影生成的组合面域，SP
且 乂/jn// =0,m彡i彡I,m彡j彡I,rpl为与Vpl关联的层残元且；rplnVpl =Vpl ;若 层内工兀，用Ipl表不，定乂为： Ipi - (Pvt，zvt，Pvb，zvb，fvi，rpl) 其中，X1= 乂 :'，且Vpl的层内工元序列为/?.,/=，W巧?,40/4=0，即 m =0，m>i>l，m>j> 1，并有VP1=Uti;则对于可工域中层工元或层内工元有 如下性质存在： 性质I(垂直于Z向等截面）任取两个与XY平行的平面，分别与层工元（或层内工 元）进行求交，并将求交结果分别向XY平面投影生成的组合面域分别为A1,A2，如果4 #0 且4 矣 0 .JA1 =A2 ; 性质2Vpl底面pvb中心点的Z坐标一定大于等于其关联的层残元rpl底面pb中心点的Z坐标，即Zvb彡Zrt ; 性质3 (邻接性和单调递增性）设…，r;为rp的层残元序列，在给定的工艺条 件下，依据刀具可加工的层工元序列4，I<n <m，则该序列满足以下结论： (a)<b = ^1,I^i^n-1 ； (b)F：cF；+1; (2) 操作元构造：根据层内工元的定义，将层工元分解成一系列层内工元；然后， 沿Z轴方向，根据等截面判断，合并相邻层的层内工元生成新的层内工元；最后，根据刀 具切深及分层加工工艺，自动计算操作元；设《，^，…，义为&的层工元序列，对其中两 相邻层工元v^v；；1，操作元的计算方法为：（1)径向拆分：依据层内工元定义，将层工元 分解为层内工元，得层内工元序列$ 及Uu,/:1'2，...,C心；（2)轴向 合并：如果a/=，/，，满足/，=乂叫，1 <j<叫，1 <k<mi+1，则合并/=和/，，更新G，并从 中去除/：T" 当前工步为分层粗加工或分层补加工，则按照刀具切深进行轴向分解，即得操作元序列 Hiij彡1，1彡j彡叫，否则将层内工元直接作为操作元； (3) 间残元创建：去除操作元后，直残元中的层残元序列转换成间残元序列，为后续的 残留模型自动计算提供中间模型； (4) 层残元构建：如果间残元序列中的相邻间残元满足垂直于Z向等截面，则合并间残 元，直到间残元序列中所有的相邻间残元不满足合并要求，即完成新的层残元序列的构建， 为下一个加工步提供残留模型； 步骤3)所述的加工操作选择，是指为操作元选定加工操作并计算相应的加工操作参 数，即可完成加工单元构建；飞机结构件数控加工的典型工步采用的加工操作固定，其中， 粗加工内外形和精加工腹板采用Pocket加工操作；转角加工、半精加工内外形、精加工内 外形及切断加工采用Profile加工操作；半精/精加工开/闭角采用Isoparametric或 Multi-axisFlank力口工； 步骤4)所述的实时补加工方法：包括如下四种情况进行实时补加工： (1) 前工序未加工余量的补加工： 设〇为一工位，〇包含工序序列X丨，? ? ?，X。，? --，Xm，1彡c彡m，m为工序数，Xc为 当前工序，如果域元a在入U...，入的子工序序列入 (1)，? ? ?，入(II)， 0彡n彡c-1未被加 工，且在工序A。被加工，则a必须在工序A。加工前依次按照工序序列X⑴，...，X(n)中 的加工余量序列，用工序A。的第一把刀具对域元a进行补加工； (2) 前工序中未被完全加工余量的补加工： 设X。为当前工序，Ti为X。的第一个工步，ti为Ti使用的刀具，X为X。的前工 序，C1为经过工序XH加工后的直残元，T1T1V1Tu^r1Tu为< 的层残元序列，n彡1，该 序列中由工序Xc^1加工所形成的子层残元序列为，1彡m彡n;根据 刀具可加工能力判断<<(1)，€'(2)，…，中是否存在L的可工域；如存在，则在加工T:前 对进行补加工，即对前工序加工不足的余量进行补加工； (3) 同一工序内，前工步未被加工余量的补加工：在同一工序内，可能在前一个工步 中，有域元未参与任何加工，在后续工步中需对前工步进行补加工； (4) 同一工序内，前工步未被完全加工余量的补加工： 设X。为一工序，T1, 1：2为X。的两相邻工步,!^t2分别为T1,T2对应的刀具，a为一 域元，a在工步Ti加工后的直残元&由层残元序列rpl,构成，n彡1，该序列中经过 工步T1加工所形成的子层残元序列a的父域元序列为4,4,...,4, 1彡〇， 其中af是 < 的父域元，1彡i彡1-1，<在工步T1加工后的直残元为（由层残元序列 Si'1，7#，…，f构成，m彡1 ;根据t2的可加工能力，若在工步T2可加工C或#、1彡js^m， I<g<h，则需在工步T2加工前，先对其父直残元或自身的直残元进行补加工。
2.根据权利要求1所述的基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法，其特 征在于，所述的残留模型信息包括以下概念； (1) 工域：设P为零件，r为毛坯，将r减去p的多余材料域称为零件p的加工域，简称 工域，用〇表示； (2) 域元：将工域按照一定的规则进行分解，得到一系列相互独立并存在父子关系的 基本三维区域单元，这些单元称为加工域元，简称域元，用a表示； ⑶直域元：设a为一域元，将a的轮廓侧面集和岛屿侧面集沿Z轴方向往XY平面投 影，得一系列平面域fpl，fp2，…，fpn，n> 0,并将其沿Z向拉伸，在域元约束顶面和约束底面 n 之间形成的三维材料域分别为V1,V2，…，Vn，称-LK?为直域元，用Vp表示；直域元还可表 /=1 不为 Vp - CPt，/^ A，Zb，M;，，…，M })其中，Pt 为顶面，Pb 为底面，且 Pt I I Pb I I XY，Zt、Zb 分 别为顶面Pt和底面Pb中心点的Z坐标，且zt>zb ; (4) 曲域元：称a-vp为曲域元，用vs表示； (5) 轮廓界环：设Vp向XY平面投影生成的面域为f，y。为轮廓界环 (6) 岛屿界环：Y为岛屿界环，m彡0 (7) 残域：在经过一系列工序、工步、加工操作加工之后，在工域基础上形成的残留未 加工域，称为残留域，简称残域，即残留模型，用r表示； (8) 残元：域元在经过一系列工序、工步、加工操作加工之后形成的残留未加工域单 元，称为残元，用L表示；I^-Vs称为直残元，用rp表示，称为曲残元，用rs表示； (9)层残元：沿Z轴方向自上而下将直残元划分成一个残留单元序列，其 中，的参数化表示： 4 = (/4，4, /4,4,C(/广1，…，//'"))， 其中，< 为顶面，A为底面，4、4分别为顶面4和底面A中心点的Z坐 标，且K11/4IIXY，，€为残留单元向XY平面投影生成的多个相互独 n 立的面域布尔并运算得到的平面域，称为组合面域，即尺=LJ/,，且 Jr，…，人 j=l 说矣j_, =0,i彡1，n彡k彡1，n彡j彡1，若< 同时满足以下条件：⑴垂直于 Z向等截面：任取两平面口^ ^ei^^LpllITcfecfezyZpSX.b〗，Zpl关zp2, <与平面P1，P2 的求交结果向XY平面投影生成的组合面域ApA2满足A1 =A2 =F/ ; (2)邻接性：4 = ^+1; (3)单调递增性：F/gF/+1，"e，，表示"真包含于"，则称残留单元 < 为层残元，残留单元序 列么咎…以为层残元序列。
3.根据权利要求1所述的基于残留域的飞机结构件数控加工单元自动构造方法，其特 征在于，所述的残域、残元及层残元满足如下定理和公理： 定理1 :在工艺过程中的任意状态（直残元非空），直残元有且仅有一个层残元序列； 公理1设r为一残域，r),为r的残元序列，< 与^分别为；丨的直 残元与曲残元，KiSn,Ci2，...，f为 < 的层残元序列，叫> 1，则有：
【文档编号】G05B19/18GK104267663SQ201410484499
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】陈树林, 杜宝瑞, 初宏震, 郑国磊, 赵丹, 王芳 申请人:沈阳飞机工业（集团）有限公司