一种复杂曲面动态加工特征建模方法
【专利摘要】一种复杂曲面动态加工特征建模方法，属于CAD/CAM【技术领域】。该建模方法首先根据所选加工方案，定义曲面加工方案中的每一个加工阶段对应一个加工中间状态特征，然后结合不同加工阶段所选用的加工设备、切削参数及加工优化目标，对各中间状态特征进行曲面加工区域划分，生成曲面加工子特征。该方法以FunctionBlock为曲面动态加工特征的信息载体，当制造资源发生变化时，利用FunctionBlock的事件触发-响应机制，自动调用FunctionBlock内部定义好的曲面特征建模方法，对曲面加工的中间状态特征及其包含的曲面加工子特征进行实时更新。该建模方法能够根据制造资源的变化而动态更新曲面加工特征，是实现复杂曲面自适应优化加工的核心关键技术。
【专利说明】一种复杂曲面动态加工特征建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种CAD/CAM技术，尤其是一种复杂曲面加工的CAD/CAM技术，具体地 说是一种复杂曲面动态加工特征建模方法。
【背景技术】
[0002] 随着气动性能需求的不断提高，自由曲面零件大量出现在航空航天、汽车、船舶等 产品中，并且曲面的复杂程度不断增加，给制造带了很大的挑战。当前自由曲面数控加工编 程主要采用商品化CAM软件，以人工经验为主，因此编程的周期长，稳定性及规范性差，常 引起加工精度及表面质量问题。并且当前曲面加工轨迹生成方法的研究通常将整个曲面作 为一个加工区域，而对于复杂曲面，曲面优化加工策略通常呈现区域化分布规律，因此需要 对曲面进行加工区域划分以得到优化的加工结果。再者，随着制造业的区域化、全球化发 展，制造资源环境不断变化，因此在进行决策或加工时，所选取的制造资源如机床、刀具的 状态在不断变化，传统的编程方式无法应对这种变化，通常仅考虑进给、转速等切削参数的 调整而不改变刀轨，因此往往无法得到优化的加工结果。
[0003] 本发明公开了一种复杂曲面动态加工特征建模方法。该建模方法首先根据所选加 工方案，定义曲面加工方案中的每一个加工阶段对应一个加工中间状态特征，如粗加工特 征、半精加工特征及精加工特征；并根据各加工阶段所对应的加工设备、切削参数及优化目 标，对个中间状态特征进行曲面加工区域划分，得到曲面加工子特征，不同的曲面加工子特 征中对应着不同的加工策略。曲面动态加工特征以Function Block为信息载体，当制造资 源发生变化时，利用Function Block的事件触发-响应机制，自动调用Function Block内 部定义好的曲面特征建模方法，对曲面加工的中间状态特征及其包含的曲面加工子特征进 行实时更新。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对目前复杂曲面编程依赖人工且无法满足动态制造资源环境 下的曲面自适应加工等问题，发明一种复杂曲面动态加工特征建模方法，以适应加工曲面 编程复杂化和快速化的需求。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种复杂曲面动态加工特征建模方法，其特征是它包括以下步骤：
[0007] 首先，定义复杂曲面动态加工特征二级数据结构；复杂曲面动态加工特征包含加 工中间状态特征级和曲面加工子特征级，曲面加工方案中的每一个加工阶段对应一个加工 中间状态特征Ii，定义：
[0008]
【权利要求】
1. 一种复杂曲面动态加工特征建模方法，其特征是它包括以下步骤： 首先，定义复杂曲面动态加工特征二级数据结构；复杂曲面动态加工特征包含加工中 间状态特征级和曲面加工子特征级，曲面加工方案中的每一个加工阶段对应一个加工中间 状态特征Ii，定义：
式中S表示： Ii中包含的几何信息有为该阶段加工前曲面零件的几何状态Iu及该加工阶段应得到 的理论曲面模型iT」，Ii中包含的加工信息Mii有该加工阶段所选用的机床Mr;、刀具
刀削参数CPi以及用户设定的加工优化目标0〇i，因此一个曲面加工中间状态特 征可表示为：
对于每个曲面加工中间状态特征，为达到用户设定的加工优化目标，结合其选用的机 床、刀具及切削参数，需要将其划分为多个加工区域，每个区域称之为曲面加工子特征，每 个曲面加工子特征S&包含该区域的边界信息h和该区域内对应的加工策略％，即
在生成曲面加工轨迹时，将每一个曲面加工子特征作为一个独立的加工区域，并根据 该特征对应的加工信息生成其加工轨迹，实现针对曲面不同加工阶段的分区加工；曲面动 态加工特征DMF可表示为：
其次，分别对曲面加工中间状态特征和曲面加工子特征进行建模； 第三，构建曲面动态加工特征Function Block :DMF-FB作为曲面加工特征的信息载 体，以实现动态制造资源环境下的曲面加工特征自适应调整，DMF-FB的定义，其中EI_INI、 E0_INI分别表示初始化事件的输入与输出；EI_ITR、E0_ITR分别表示初始条件下曲面动态 加工特征建模事件的输入与输出；EI_UPD、E〇_uro分别表示曲面动态加工特征更新事件的 输入与输出；EI_0UT、E0_0UT分别表示加工轨迹输出事件的输入与输出；S表示曲面几何模 型数据输入，MP表示曲面加工工艺方案数据输入，0P表示发生制造资源变化的加工阶段， MAC_ID、CTT_ID、CP及00分别表示变化后的0P对应的机床、刀具、切削参数及优化目标数据 输入；DMF表示曲面动态加工特征数据输出，ToolPaths表示刀具轨迹数据输出；ALG_INI表 示初始化算法，即当有事件EI_INI输入时，DMF-FB自动调用ALG_INI算法，首先将DMF-FB 中包含的所有参数恢复初始状态，并清空所有中间数据，然后将数据S和MP输入到DMF-FB 内部数据中，当该初始化算法执行完毕时，返回EO_INI ;EO_INI可作为EI_ITR触发ALG_ ITR，即初始条件下的曲面动态加工特征建模算法，生成曲面加工所包含的加工中间状态特 征信息及其加工子特征信息，并计算曲面加工的轨迹，这些特征信息和加工轨迹信息将保 存在DMF-FB的内部数据中，当该算法执行完毕时，输出EO_ITR ;当有制造资源变更时，输入 事件EI_UPD，自动调用ALG_UPD算法，该算法根据发生资源变化的加工阶段信息0P及变化 后的机床、刀具、切削参数及优化目标信息，对该加工阶段的IT」重新进行划分并计算各分 区的加工轨迹，计算完成后替换0P对应的原始特征信息及刀轨信息，重新生成IK_i+1，判断 是否需要对后续加工阶段的特征信息进行更新，若需要，则根据新的IK_i+1对IT_ i+1进行区域 划分，并重新生成加工轨迹，该步骤一直循环到最后一个加工阶段才算完成曲面动态加工 特征的更新，当ALG_UPD执行完毕后返回EO_UPD。EI_OUT触发ALG_OUT，输出DMF-FB中包 含的特征信息DMF与刀轨信息Toolpaths。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的曲面加工方案中包含粗加工、半精加 工和精加工三个阶段，则该曲面包含粗加工特征、半精加工特征和精加工特征三个加工中 间状态特征。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的曲面加工中间状态特征建模方法为： ① 将曲面加工方案中包含的加工阶段记作UlU〇巧，n为加工阶段的总数；每一个加 工阶段对应一个加工中间状态特征Iu，Uf=jL次表示各加工阶段对应的法向残留高度，对于 加工阶段〇Pi，其对应Ii包含的IT」可通过将曲面设计模型S上所有点沿其方向偏置化得 至IJ ;由于曲面边界曲率的凹凸性，需要对直接偏置得到的曲面进行处理，确保IT i刚好覆盖 整个曲面范围，若偏置后的曲面S'落在曲面范围内部，首先对S'进行扩展，得到曲面S"， 此时提取S的所有边界，对其沿Z向进行拉伸并与S"相交，提取S"中落在EB范围内的曲 面部分BI，记作IT i ;若S'超出曲面范围，，则直接提取S的所有边界，对其沿Z向进行拉伸 并与S'相交，提取S'中落在EB范围内的曲面部分BI，记作IT i ;，若偏置后得到的曲面S' 同时出现以上两种情况，一部分偏置曲面落在曲面范围内部，另一部分落在曲面范围外部， 此时需要将整张偏置曲面进行扩展，得到曲面S"，此时提取S的所有边界，对其沿Z向进行 拉伸并与S"相交，提取S"中落在EB范围内的曲面部分BI，记作IT i ; ② 对于粗加工而言，Iu为毛坯，对于半精加工和精加工，获取需要结合上一个 加工阶段的加工轨迹，对于〇Pi，首先根据〇Pg的加工轨迹计算切除体Vg，通过布尔运算 从中减去L得到IK」，半精加工IK SF为IK K减去粗加工切除体VK ;由于IK」难以直接 存储，因此通过采集离散点法向残留高度的方法对Iu进行存储；示对曲面设计 模型进行离散得到的三维点列表，过Px沿其在曲面上的法向做一个长度为l(l>l〇mm)的向 量，求出该向量与Iu的交点IPX，计算IPX到Px的距离得到P x在Iu中的法向残留高度hx， 因此便可被表示为U/ix); ③ ML中对应的信息直接从曲面加工方案中提取。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的曲面加工子特征建模方法： 对于Ii，曲面加工子特征建模是将IT_i进行加工区域划分，每一个加工区域对应的边 界信息及其加工信息定义为一个曲面加工子特征sfg ;曲面加工区域有多种划分方法，如 何根据曲面高斯曲率可将曲面划分为凹区域、凸区域及马鞍区域，不同区域可选用不同的 刀具类型及尺寸以获得加工效率最大化，凸区域采用大尺寸平底刀加工、凹区域采用小尺 寸球头刀加工等；再如可根据Iu进行区域划分，对于hx较大的区域，则采用多层切削的方 法，而对于hx较小的区域则采用单层切削方式，这些分区方法存储在分区策略库T中；曲面 加工区域划分方法的选择需要结合事先定义好的分区方法选取规则，通过自动读取ML中 包含的ULiMR、（^以及叫，从T中选取需要的分区方法，带入分区所需的几 何及加工信息，生成曲面内部边界并获取各分区对应的加工策略。
【文档编号】G05B19/4099GK104281098SQ201410583620
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】李迎光, 刘旭, 李强, 马斯博, 马飞 申请人:南京航空航天大学