本发明涉及一种加工序列规划方法，尤其是一种增减材复合加工技术，具体地说是一种复杂结构件五轴增减材混合加工序列规划方法。
背景技术：
随着人们对产品性能要求的不断提高，零件的结构日趋复杂，加工精度要求也在不断提高。这一点在航空制造领域中表现得尤为明显，其中最具代表性的航空结构件有整体叶轮、整体叶盘等。对于这类复杂结构件的加工，传统数控加工(减材制造)方法由于存在严重的刀具可达性问题，零件要么难以加工成形，要么加工出的产品难以满足精度要求，再或者需要在修改零件结构设计的基础上才能加工出相应精度要求的零件，这样限制了零件性能的提高。
增材制造可通过材料的层层堆叠来实现零件复杂结构的成形，但其成形的表面质量、加工精度与传统数控加工(减材制造)相去甚远，难以达到零件的最终使用要求。混合加工方法融合了增材制造和减材制造过程，可极大改善复杂结构件的难加工问题。
针对增减材混合加工技术，围绕着打印分层、打印方向决策、加工序列规划等核心问题，国内外也有不少学者开展了研究。在目前的研究中一部分仅针对三轴打印模式，对复杂结构需要增加过多的辅助支撑，导致增减材交替次数较多，混合加工效率不高；而另一部分针对五轴混合加工的研究也仅适用于外形简单、无刀具碰撞的结构，难以实现对复杂结构件的混合加工。
在复杂结构件的五轴混合加工过程中，不可避免地需要对增材和减材过程进行频繁交替，而在交替过程中则伴随着抬刀换刀，这势必会影响混合加工整体的加工效率，因此需要研究一种行之有效的五轴混合加工序列规划方法，以期通过合理的规划加工序列减小换刀次数，来最大程度地保证零件的混合加工效率。
为实现复杂结构件的五轴混合加工序列规划，如何对增材打印方向进行决策以及如何考虑刀具碰撞对零件可加工性的影响是需要解决的两个首要问题。然而，打印方向决策与零件可加工性计算是两个耦合问题，一方面表现为在对打印方向进行决策时需要考虑刀具碰撞的影响；另一方面则表现为对零件的可加工性进行计算时需要基于某一确定的打印方向。因此如何对上述耦合问题进行有效解耦是复杂结构件五轴混合加工序列规划方法亟待解决的关键性问题。
技术实现要素：
本发明的目的是针对五轴联动增减材混合加工模式下打印方向变化带来的可打印性和可切削性问题，提出了一种复杂结构件五轴增减材混合加工序列规划方法，实现了加工过程中增减材交替时序的优化，极大地减小了换刀次数，为实现高效率的混合加工奠定了基础。
本发明的技术方案是：
一种复杂结构件五轴增减材混合加工序列规划方法，其特征是：首先，建立五轴联动增减材混合加工模式下刀具可加工性模型；其次，基于迭代搜索法对零件进行初始打印方向决策，并对零件体进行粗分解，构建初始混合加工序列，以解决序列规划过程中，打印方向决策与可加工性计算这一对耦合问题；最后，在刀具可加工性的约束下，基于贪心算法实现混合加工序列的整体规划。
包含以下步骤：
(1)基于高斯球对刀具的可加工性进行定义，具体如下：
考虑到混合加工的平台限制，零件上任意一点的打印方向(或切削刀轴方向)与Z轴的夹角满足下列关系：
由上可知，零件上任意一接触点刀轴沿各个方向的摆动可以形成一个半球，该半球以刀具中心点为球心，刀具长度为半径，为方便计算将该半球的半径简化为单位长度，称这个半球为高斯半球。高斯半球上的每一个点代表一个刀轴方向，因此刀具的所有可行刀轴方向集合在高斯球面上形成一个连续的区域，对于增材过程该区域为打印可达范围(Extrude Accesible Range)，用以表征可打印性；对于减材/切削过程该区域为刀具切削可达范围(Tool Accesible Range)，用以表征可切削性。
可打印性定义方法具体如下：
在定义可打印性时，除了打印头碰撞问题需要考虑以外，应尽可能不设置支撑结构。因此零件上任意一点的打印可达范围应为不发生碰撞的可行范围与无需支撑结构可行范围的交集，故而可定义打印过程中的打印可达范围如下：
EAR(Pi)＝NCR(Pi)I SFR(Pi)
其中EAR表示打印可达范围，它是由该点处打印头非碰撞范围与无支撑结构可行范围相交得出的，NCR(Non-Collision Range)表示非碰撞范围，SFR(Support-Feasible Range)表示支撑可行范围。
无支撑结构这一约束可以通过限制打印方向来实现，具体为每一层中侧面每个三角面片的法矢应满足以下关系：
式中为当前层的打印方向，这里α的取值一般有45°和60°，确定的值因材料和环境的不同而不同，需要事先根据实验确定。α+90°是最大允许角度，超过这个角度打印若无支撑会导致材料掉落难以成形。
对于每一当前打印层，由于打印时支撑结构的摆角限制以及边界条件，轮廓的可打印性比内部填充区域的可打印性低，在衡量可打印性时只需考虑轮廓。对于当前打印层上的轮廓，设置一个很小的正实数σ，根据该值将轮廓离散为n个点，计算每一个点的打印可达范围，并对所有范围求交，得到当前打印层上的打印可达范围：
EAR(Fi)＝EAR(P1)I EAR(P2)I……I EAR(Pn)
若当前打印层的打印方向与高斯半球S的交点落在打印可达范围内，如下式所示：
BiI S∈EAR(Fi)
则说明在该打印方向上具有可打印性，反之则说明当前的打印方向不满足可打印性要求，必须重新规划打印方向。
可切削性定义具体如下：
切削过程由于是五轴联动，在当前层内的所有点刀具矢量可以不同，因此这里采用切削可达范围面积的大小来定义切削过程中的可切削性：
MA(Pi)＝Area(TAR(Pi))
式中MA表示点Pi处的可切削性，它是由该点处切削刀具可达范围区域的面积计算得来。
要实现零件表面上的连续切削，要求刀具能以任意角度接触到理想的切削点，在计算任意接触点处刀具可达范围时需针对零件上该点任意方向的邻域进行计算，在零件表面上任意方向通过步长σ取可切削性的邻域，表示为：
UM(Pi,σ)＝{Pj||PiPj|＝σ,Pj∈V}
综上所述，某一点Pi处的可切削性可扩展定义为该点与该点邻域的每一点切削刀具可达区域交集面积的最小值：
MA(Pi)＝min(Area(TAR(Pi)I TAR(Qj))),Qj∈UM(Pi,σ)
对于切削过程，由于对内部区域不进行切削，只切削轮廓，故而在计算一个打印层上的可切削性时只需对轮廓线上每一点计算可切削性，并以可切削性最低的值作为零件在当前打印层上的可切削性：
MA(F)＝min(MA(Pi))Pi∈F
由于轮廓线是连续的，为计算每一点处的可加工性，需要对轮廓线进行离散，设置一个很小的正实数σ作为步长对轮廓进行离散，对离散后的每一点进行可加工性计算，并取最小值即可得到当前层上的可加工性。
(2)基于光投影法对刀具的可加工性进行计算，具体如下：
将刀具头中心点视为光源，零件阻挡部分会在高斯半球面上投影出阴影面，此时刀具的加工可行域与不可行域分别对应于高斯球面上的明暗面。
基于零件STL模型，遍历零件上所有的三角面片，对每个面片Fi，连接其中心Ci与光源点Pi作向量该向量与当前面片的法矢的点积若满足
则面片Fi为亮面，否则为暗面。所有亮面组合成一个区域，该区域的连续边界即为障碍上的边界线。
在利用光投影法进行可加工性计算时，光源默认为点光源，计算可行域的面积时较为简单，但实际加工过程中由于刀具有一定的半径，其计算过程需作进一步修正。对于切削过程，考虑到刀具切削方向是变化的，为使切削方向变化的同时切削刀具在零件上的接触点不变，一般采用刀球头立铣刀；对于打印过程，打印头的结构一般都比较复杂，为计算方便，可对其模型进行相应简化，打印头主体可简化为一定半径的圆柱，下端打印头部分可简化为与主题相连的圆锥。
无论是球头刀还是打印头，在计算可加工性时，需要在点光源的基础上偏移一个角度αr进行计算：
式中RT为刀具半径，LC为障碍上边界线到光源的距离。
(3)基于迭代搜索法对零件的初始打印方向进行决策，并通过零件体分解得到初始混合加工序列，具体如下：
在进行打印方向规划前，首先对零件结构进行假设。这里假设零件是由多个柱结构(column)组成。柱结构的定义如下：对于一个结构，若在其打印方向上，垂直于该方向的任意一个平面与结构相交得到的都只有一个封闭轮廓，则该结构被称为柱结构。柱结构可以保证在打印方向上无支撑，而非柱结构则必须要支撑结构才能进行打印。在以上柱结构概念的基础上，基于迭代搜索法的打印方向决策方法可概括为以下步骤：
a.对于整个零件体，首先确定一个主打印方向。
b.在主方向上，从当前零件体最高点开始由上至下按打印层高度对当前柱结构每一层平面进行打印可达范围计算。
c.将每一层的打印可达范围进行求交，得到总打印可达范围。
d.每一层中判断打印方向是否在当前总打印可达范围内，当出现打印方向不在当前总打印可达范围内时，调整打印方向；否则继续下一层的计算。
e.在调整的打印方向上，重新执行b-d，重复该过程，直至当前柱结构计算完毕，或出现总打印可达范围：
f.若当前柱结构计算完毕，其上任意一点都满足可打印性要求时，去除当前柱结构，剩下的部分继续从步骤b开始执行；当总打印可达范围为空集时，在当前位置处对零件体进行分解，其上方已计算过打印可达范围的部分为分解出的子部件，剩下的部分继续从步骤b开始执行。
在迭代搜索的过程中，调整打印方向基于以下规则：当前打印方向不在打印可达范围内，目前已得到一个总体打印可达范围EARt，对高斯球上的总体打印范围求形心Pc，由高斯球球心指向该形心的方向作为调整后的打印方向。
在迭代搜索打印方向的过程中，不满足打印碰撞条件的位置对零件进行体分解，按照分解的顺序可得到初始的打印序列。在该过程中，还未考虑整体的可加工性对混合加工的序列的影响，得到的只是初始的混合加工序列。针对第i个子部件，若用Ai表示打印过程，Si表示切削过程，则零件的初始混合加工序列可表示为{A1,S1,A2,S2…An,Sn}的形式。
(4)基于贪心算法实现混合加工序列的整体规划，具体如下：
a.按打印方向决策阶段得到的子部件打印顺序对子部件集合进行排序。
b.取排序后子部件集合的最后一个子部件Cn。
c.对子部件Cn在其打印方向上从最高点开始由上至下按打印层高度对每一层平面与子部件相交的轮廓进行可加工性计算。
d.在当前层上先计算可打印性，若可打印性满足：
则在该处对该子部件进行分解；若不满足上式，则跳至步骤e。
e.在当前层上计算可切削性，若可切削性满足：
MA(Fi)＜λ
则在该处对该子部件进行分解；若不满足上式，则跳至步骤g。
f.分解平面沿打印方向上方的子部件为得到的新子部件，剩余子部件集合组成新的子部件集合，并跳至步骤h。
g.若当前子部件未计算完成，则继续往下分层计算；若计算完成，则去除当前子部件，剩余子部件集合组成新的子部件集合。
h.若剩余的子部件集合不为空，则对剩余子部件顺序进行调整，然后继续执行步骤b，若为空，则结束当前算法。
初始混合加工序列是打印-切削操作交替进行的，即初始混合加工序列的形式为{A1,S1,A2,S2…An,Sn}，使用贪心算法进行贪心选择后，不必要的交替过程会被消除，从而使交替次数最少，同时子部件是根据可加工性进行分解的，在执行贪心选择后其打印分层数已经为最少。对于每一子部件的可加工性计算结果，若在子部件Ci的层Lj处发生了切削刀具碰撞，Lj上方的子部件作为新的子部件Ci，其打印头与切削刀具都不会发生碰撞，而发生碰撞的层Lj作为剩余子部件部分的碰撞位置，认为子部件Ci+2发生了切削刀具碰撞，并将当前子部件的打印-切削序列连在一起；若在子部件Ci的层Lj处发生了打印头碰撞，则只需将当前子部件进行分解即可，对分解后的子部件其打印序列连在一起；若子部件Ci没有发生任何碰撞情况，则将其打印和切削加工操作分别与下一个子部件连在一起。
附图说明
图1为本发明五轴增减材混合加工序列规划方法流程图。
图2为本发明实施例的零件示意图。
图3为本发明高斯球示意图。图中TAR表示刀具可达范围，NTAR表示刀具不可达范围。
图4为本发明STL模型光投影法示意图。图中Pi表示刀尖点(光源)，ni表示当前三角面片法矢方向，Ci表示当前面片中心点。
图5为本发明打印方向调整位置示意图。图中Lp表示当前分解层位置，Bp表示当前层打印方向，Pb表示当前打印方向与高斯球面的交点，EAR表示打印可达范围。
图6为本发明实施例零件初始打印方向及粗分解示意图。图中C1、C2、C3、C4、C5分别表示零件体粗分解所得的子部件1、子部件2、子部件3、子部件4、子部件5。
图7为本发明混合加工初始序列示意图。
图8为本发明实施例零件最终分解结果示意图。
图9为本发明实施例零件最终混合加工序列示意图，图中A1-A7以及S1-S7分别表示增材过程1-7以及减材过程1-7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1-9所示。
一种复杂结构件五轴增减材混合加工序列规划方法，该方法针对五轴联动增减材混合加工模式下打印方向变化带来的可打印性和可切削性问题，首先基于高斯球对刀具的可加工性进行了定义，并基于光投影法对刀具的可加工性进行分析计算，建立了五轴联动增减材混合加工模式下刀具可加工性模型；同时，针对序列规划过程中，打印方向决策与可加工性计算这一对耦合问题，基于迭代搜索法对零件进行初始打印方向决策，并对零件体进行粗分解，构建初始混合加工序列，然后在刀具可加工性的约束下，基于贪心算法实现混合加工序列的整体规划。
以图2所示的示例零件为例，结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
图1是本发明的复杂结构件五轴增减材混合加工序列规划方法流程图，它主要是在基于高斯球的可加工性定义与基于光投影法的可加工性计算的基础上，基于迭代搜索法进行零件的初始打印方向决策与零件体粗分解，最后基于贪心算法完成零件最终增减材混合加工交替序列规划。具体过程如下：
一、对于零件表面上的任意一点，为描述其可加工性，我们给它分配一个单位半球，称为高斯半球面，高斯半球面上的任意一点代表着该点处的一个刀轴方向。对于任意一特定接触点，高斯半球面上对应存在着一个特定的连续区域使得该区域内的任意一点代表着该点处的一个实际可行刀轴方向。对于增材过程该区域可以表征刀具的可打印性，对于减材过程该区域可以表征可切削性。故而零件上某一点的刀具可加工性可以定义为相应高斯半球面上的该连续区域面积的大小，如图3所示。
二、对于零件表面上的任意一点，为计算对其可加工性进行计算，可将该点处的刀具加工可行域问题类比为障碍物在光源照射下的可见性问题。若将刀具刀尖点视为光源，零件阻挡部分会在高斯半球面上投影出阴影面，故而刀具加工可行域与不可行域分别对应于高斯球面上的明暗面。基于零件STL模型，遍历零件上所有的三角面片，求取明暗面的边界线，边界线围起的所有亮面形成的连续区域即为所求的可行加工区域，如图4所示。
三、图2所示的零件由4个柱结构组成，首先确定该零件的主打印方向在当前打印方向上，中间柱结构顶点为零件最高点，从中间柱结构顶点处往下按打印层高L对零件进行分层，每一层平面都与零件体相交于一个封闭轮廓。当分层平面到达如图5所示的位置Lp时，上方所有分层平面相交轮廓的打印可达范围求交得到图中高斯球面上的区域。而以高斯球心为初始点，按当前打印方向延伸的向量与高斯球面相交的点Pb不在该范围内，表示在当前层Lp上，当前打印方向无法进行打印，会发生打印头碰撞或是需要支撑结构，因此对打印方向进行调整。在调整的打印方向上，重新执行迭代搜索算法的b-d步骤，继续寻找零件在该方向上的最高点，并重新分层与零件体相交。在当前柱结构上未出现总打印可达范围为空的情况，故当前柱结构不进行体分解，并最终得到一个合适的打印方向。按照同样的方法对其他柱结构进行初始打印方向决策和体分解，得到示例零件的初始打印方向与体粗分解结果如图6所示。
对于该例模型，由于分解子部件的顺序为C1→C2→C3→C4→C5，故其初始打印序列为对于整个混合加工序列，在对零件进行粗分解后，默认当前加工序列为在当前每一子部件打印序列结束后进行一次切削加工，故初始混合加工序列为如图7所示。
所述的利用迭代搜索法对零件的初始打印方向进行决策，并通过零件体分解得到初始混合加工序列，具体如下：
在进行打印方向规划前，首先对零件结构进行假设。这里假设零件是由多个柱结构(column)组成。柱结构的定义如下：对于一个结构，若在其打印方向上，垂直于该方向的任意一个平面与结构相交得到的都只有一个封闭轮廓，则该结构被称为柱结构。柱结构可以保证在打印方向上无支撑，而非柱结构则必须要支撑结构才能进行打印。在以上柱结构概念的基础上，基于迭代搜索法的打印方向决策方法可概括为以下步骤：
a.对于整个零件体，首先确定一个主打印方向。
b.在主方向上，从当前零件体最高点开始由上至下按打印层高度对当前柱结构每一层平面进行打印可达范围计算。
c.将每一层的打印可达范围进行求交，得到总打印可达范围。
d.每一层中判断打印方向是否在当前总打印可达范围内，当出现打印方向不在当前总打印可达范围内时，调整打印方向；否则继续下一层的计算。
e.在调整的打印方向上，重新执行b-d，重复该过程，直至当前柱结构计算完毕，或出现总打印可达范围：
f.若当前柱结构计算完毕，其上任意一点都满足可打印性要求时，去除当前柱结构，剩下的部分继续从步骤b开始执行；当总打印可达范围为空集时，在当前位置处对零件体进行分解，其上方已计算过打印可达范围的部分为分解出的子部件，剩下的部分继续从步骤b开始执行。
在迭代搜索的过程中，调整打印方向基于以下规则：当前打印方向不在打印可达范围内，目前已得到一个总体打印可达范围EARt，对高斯球上的总体打印范围求形心Pc，由高斯球球心指向该形心的方向作为调整后的打印方向。
在迭代搜索打印方向的过程中，不满足打印碰撞条件的位置对零件进行体分解，按照分解的顺序可得到初始的打印序列。在该过程中，还未考虑整体的可加工性对混合加工的序列的影响，得到的只是初始的混合加工序列。针对第i个子部件，若用Ai表示打印过程，Si表示切削过程，则零件的初始混合加工序列可表示为{A1,S1,A2,S2…An,Sn}的形式。
四、打印方向决策阶段得到的子部件打印顺序为C5→C4→C3→C2→C1，故按照该顺序中的最后一个子部件，即C1开始进行可加工性计算。对于子部件C1，按照其打印方向从上往下进行分层，并针对每一层与C1相交的轮廓进行可加工性计算。当计算到层L1处时，其轮廓BD1上的可切削性MA(BD1)＜λ，因此在该处进行分解，层L1上方的部分为新的子部件C1，子部件C2不变，而原来子部件C1的剩余部分则调整为C3，后面的子部件顺序依次向后移，接下来在剩余子部件集合{C6,C5,C4,C3,C2}中从C2开始继续进行计算。当前的C2子部件无刀具碰撞情况发生，故将C2子部件去除，从剩余子部件集合{C6,C5,C4,C3}中继续进行计算，由于当前子部件C3的第一层L1依旧会发生刀具碰撞问题，L1上方无子部件，故当前子部件C3调整为C4，原来的子部件C4调整为C3。针对子部件C3进行可加工性计算，在层L2处，其轮廓BD2上的可打印性因此在该处进行分解，层L2上方的部分为新的子部件C3，子部件C4不变，而原来子部件C3的剩余部分则调整为C5，后面的子部件顺序依次向后移，接下来在剩余子部件集合{C7,C6,C5,C4}中从C4开始继续进行计算。重复执行上述步骤，最终通过一系列贪心选择得到零件的最终分解结果如图8所示，最终规划好的混合加工序列如图9所示。
本发明未涉及部分与现有技术相同采用现有技术加以实现。