基于变异Ｖｏｒｏｎｏｉ　Ｍｏｕｎｔａｉｎ的飞机复杂构件粗加工刀具选取方法技术

基于变异Ｖｏｒｏｎｏｉ？Ｍｏｕｎｔａｉｎ的飞机复杂构件粗加工刀具选取方法，是在Ｖｏｒｏｎｏｉ？Ｍｏｕｎｔａｉｎ原理基础上，提出一种飞机复杂构件粗加工刀具自动选择的方法，该方法采用４５°拔模方式构建变异Ｖｏｒｏｎｏｉ？Ｍｏｕｎｔａｉｎ拔模体，实现封闭槽、开槽粗加工的最大和最小通道计算，从而获取适用于槽粗加工的小刀直径，再通过可加工域的判定，根据单槽整体加工时间Ｔｐ最短的原则，自动判定刀具数量以及计算选用的大刀具直径，从而完成粗加工刀具的选择过程。该方法有效地解决了数控自动编程中的刀具优选问题，能明显减少用户交互编程的工作量，显著提高数控程序编制效率与加工效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数控铣削加工中零件的可加工域判断及由此进行的铣刀刀具选择的方法。
技术介绍
刀具选取是复杂零件数控加工编程的一项重要内容。刀具尺寸选择的合理与否，不仅影响加工质量，而且显著影响加工效率和加工成本。选择的刀具直径过小导致加工时间增加；反之，如果刀具直径过大，虽然粗加工时间减少，却增加了后续处理的工作量，反而降低加工效率。因此，合理选择刀具尺寸对提高零件数控加工的效率和质量具有重要意义。然而，刀具尺寸合理选取是一项复杂而艰巨的任务，不仅需要丰富的经验和知识，还要进行复杂的数学计算。目前在飞机复杂构件数控加工程序编制过程中，刀具型号及尺寸选择仍依靠编程人员的经验，通过交互方式直接指定，其合理性和有效性完全取决于编程员所具备的专业水平。 根据工件材料及其结构性能的不同，飞机复杂构件数控加工通常分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段，或者粗、精加工两个阶段。保证表面质量和加工精度是精加工的首要目标，因此，一般选刀方法为从刀具库中选择半径小于但接近于加工表面最小曲率半径的刀具作为精加工刀具。而粗加工的主要任务是快速去除毛坯多余材料，因此应尽可能选择和使用大直径的刀具。在已有文献报道中，有关刀具选取方法不少，基本上都是根据几何约束确定刀具尺寸，其思路是首先确定轮廓和岛屿以及岛屿间的最小距离，然后从刀具库中选取直径不大于且最接近此值的刀具作为粗加工刀具，当槽中含有局部狭窄的“瓶颈”部位时，则选择能通过“瓶颈”部位的最大直径刀具。按照此种方法确定的刀具，因未考虑到加工效率，故可能导致总的加工时间增加。 随着现代数控机床快速换刀机构的出现，换刀时间大大缩短，采用两把刀具组合加工成为提高加工效率的有效途径。根据刀具尺寸越大、加工效率越高的原理，采用大直径刀具(下文简称大刀具)加工大部分区域，而未加工的残留区域，则用小直径刀具(下文简称小刀具)加工。因此，如何选用这两把大、小刀具，是保证粗加工效率的关键。 Voronoi Mountain方法(Veeramani D，Gau Y..Selection of anoptimal set of cutting tool sizes for 2.5d pocketmachining[J].Computer-Aided Design，1997，29(12)869-877)主要用来规划刀具路径，建立加工区域与用于加工封闭槽的刀具尺寸的关系(见如下公式) VM(O)＝{p|p＝a+r·N，0≤r≤d(a，O)，a∈O} 其中，O表示槽的多边形边界所包围的闭区域；d(a，O)表示闭区域O内的点a到多边形O的顶点或线段的距离；N为O的单位法向量。其刀具具体确定过程为首先规划刀具轨迹和确定用于加工的刀具尺寸；然后用动态规划的方法得到最优刀具集。但是，此方法并没有考虑开槽情况。由于开槽中含有开敞边界，采用该公式无法生成VoronoiMountain，因此，此种方法只能用于处理闭槽腔。
技术实现思路
本专利技术提出的飞机复杂构件粗加工刀具自动选取方法是建立在变异Voronoi Mountain基础上，为保证槽整体加工时间最短、加工效率最高而采用小刀具与大刀具组合的方式实现的粗加工刀具选取方法； 本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的 ，其特征在于步骤如下 步骤1)获取槽几何特性，包括槽侧壁面、槽底面、岛屿轮廓以及外轮廓； 步骤2)建立基于变异Voronoi Mountain的45°拔模体，包括封闭槽轮廓45°拔模体和开槽轮廓45°拔模体； 步骤3)根据45°拔模体确定最小通道和最大通道，即封闭槽、开槽的最小通道和最大通道计算； 步骤4)确定小刀具直径Ds，即从刀具库中查找满足d≤Lmin-δ的最大刀具作为小刀具，其中d为刀具直径，δ为加工余量，Lmin为槽最小通道，最后获取到小刀具直径Ds； 步骤5)判断槽最大通道Lmax与最小通道Lmin是否相等，若相等则当前槽直接用步骤4)得到的小刀具直径Ds进行加工，刀具选择结束；若不相等则进入步骤6)继续进行判断； 步骤6)获取最大通道范围内的最大刀具直径Dmax； 步骤7)判断最大刀具直径Dmax与小刀具直径Ds是否相同，若相同则直接采用步骤4)得到的小刀具直径Ds进行加工，刀具选择结束；否则进入步骤8)； 步骤8)在小刀直径Ds与最大大刀直径Dmax范围内按照由大到小的顺序读取可选刀具直径序列直径D1，D2，...，Dn，其中n为刀具序列大小；取当前刀具Di，i从1到n，循环执行步骤9)到步骤12)； 步骤9)计算槽粗加工区域面积A，并根据当前选中的刀具直径Di进行可切削区域Am与不可切削区域面积Aun的计算； 步骤10)读取大刀具与小刀具的切削参数，读取切削速度参数； 步骤11)计算加工时间Tp； 步骤12)判断当前刀具Di是否为最小刀具Dn，若是则进入步骤13)，否则转步骤8)继续读取刀具信息； 步骤13)取加工时间最短的刀具组合作为当前槽粗加工的刀具组合。 步骤2)所述的建立基于变异Voronoi Mountain的45°拔模体方法如下 (1)对于封闭槽情况，采用Veeramani和Gau提出的VoronoiMountain，结构形式为VM(O)＝{p|p＝a+r·N，0≤r≤d(a，O)，a∈O}，其中，O表示槽的多边形实边界所包围的闭区域；d(a，O)表示闭区域O内的点a到多边形O的顶点或线段的距离，N为O的单位法向量；对于开槽情况，首先在Voronoi Mountain基础上，对其定义域重新进行约束，由实边界多边形包围的闭区域扩展为由实边界和虚边界多边形包围的闭区域；令D表示O内一点a到实边界的各条线段的距离组成的集合，其中O表示槽的多边形边界所包围的闭区域，即D＝{di|di为O内的一点a到O实边界一条线段ei的距离}，minD表示取D内元素的最小值，则有d(a，O)＝minD； (2)不管对于封闭槽还是开槽，都以槽轮廓多边形沿轮廓区域法线方向拉伸形成的拉伸多面体为基体，对由槽外轮廓实边界形成的侧面向内45°拔模，对由岛屿轮廓形成的侧面向外45°拔模形成拔模体，最终生成基于变异Voronoi Mountain的45°拔模体。 步骤3)所述的最小通道和最大通道计算，包括封闭槽、开槽的最小通道和最大通道计算； 设e为轮廓的一条边线，A为e上一点，令 S＝{si|si为A点到轮廓上其它点的切线的垂直距离， 且si包含在加工区域内(不包含边界)} sp＝min S表示取S内元素的最小值，称sp为点A到轮廓的距离；令Sp为边线e上所有点到轮廓的距离构成的集合，即 d＝min Sp表示取Sp内元素的最小值，则称d为轮廓在该对应边线位置处的通道，简称通道。在槽轮廓的各位置的通道中，其中的最小值称为最小通道，最大值称为最大通道； 槽轮廓的45°拔模体中非相邻的轮廓形成侧面在顶部聚集成两种类型，当槽轮廓的45°拔模体中非相邻的轮廓形成侧面在顶部聚集成线，这种线为聚线；当槽轮廓的45°拔模体中非相邻的轮廓形成侧面在顶部聚集为一点，这种点为聚点； (1)封闭槽最小通道Lmin和最大通道Lmax计算方法依次找到槽中各处通本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于变异ＶｏｒｏｎｏｉＭｏｕｎｔａｉｎ的飞机复杂构件粗加工刀具选取方法，其特征在于：步骤如下：步骤１）获取槽几何特性，包括槽侧壁面、槽底面、岛屿轮廓以及外轮廓；步骤２）：建立基于变异ＶｏｒｏｎｏｉＭｏｕｎｔａｉｎ的４５°拔模体，包括封闭槽轮廓４５°拔模体和开槽轮廓４５°拔模体；步骤３）：根据４５°拔模体确定最小通道和最大通道，即封闭槽、开槽的最小通道和最大通道计算；步骤４）：确定小刀具直径Ｄｓ，即从刀具库中查找满足ｄ≤Ｌ↓［ｍｉｎ］－δ的最大刀具作为小刀具，其中ｄ为刀具直径，δ为加工余量，Ｌ↓［ｍｉｎ］为槽最小通道，最后获取到小刀具直径Ｄ↓［ｓ］；步骤５）：判断槽最大通道Ｌ↓［ｍａｘ］与最小通道Ｌ↓［ｍｉｎ］是否相等，若相等则当前槽直接用步骤４）得到的小刀具直径Ｄ↓［ｓ］进行加工，刀具选择结束；若不相等则进入步骤６）继续进行判断；步骤６）：获取最大通道范围内的最大刀具直径Ｄ↓［ｍａｘ］；步骤７）：判断最大刀具直径Ｄ↓［ｍａｘ］与小刀具直径Ｄ↓［ｓ］是否相同，若相同则直接采用步骤４）得到的小刀具直径Ｄ↓［ｓ］进行加工，刀具选择结束；否则进入步骤８）；步骤８）：在小刀直径Ｄ↓［ｓ］与最大大刀直径Ｄ↓［ｍａｘ］范围内按照由大到小的顺序读取可选刀具直径序列直径Ｄ↓［１］，Ｄ↓［２］，．．．，Ｄ↓［ｎ］，其中ｎ为刀具序列大小；取当前刀具Ｄ↓［ｉ］，ｉ从１到ｎ，循环执行步骤９）到步骤１２）；步骤９）：计算槽粗加工区域面积Ａ，并根据当前选中的刀具直径Ｄ↓［ｉ］进行可切削区域Ａ↓［ｍ］与不可切削区域面积Ａ↓［ｕｎ］的计算；步骤１０）：读取大刀具与小刀具的切削参数，读取切削速度参数；步骤１１）：计算加工时间Ｔ↓［ｐ］；步骤１２）：判断当前刀具Ｄ↓［ｉ］是否为最小刀具Ｄ↓［ｎ］，若是则进入步骤１３），否则转步骤８）继续读取刀具信息；步骤１３）：取加工时间最短的刀具组合作为当前槽粗加工的刀具组合。...

【技术特征摘要】
1.基于变异Voronoi Mountain的飞机复杂构件粗加工刀具选取方法，其特征在于步骤如下步骤1)获取槽几何特性，包括槽侧壁面、槽底面、岛屿轮廓以及外轮廓；步骤2)建立基于变异Voronoi Mountain的45°拔模体，包括封闭槽轮廓45°拔模体和开槽轮廓45°拔模体；步骤3)根据45°拔模体确定最小通道和最大通道，即封闭槽、开槽的最小通道和最大通道计算；步骤4)确定小刀具直径Ds，即从刀具库中查找满足d≤Lmin-δ的最大刀具作为小刀具，其中d为刀具直径，δ为加工余量，Lmin为槽最小通道，最后获取到小刀具直径Ds；步骤5)判断槽最大通道Lmax与最小通道Lmin是否相等，若相等则当前槽直接用步骤4)得到的小刀具直径Ds进行加工，刀具选择结束；若不相等则进入步骤6)继续进行判断；步骤6)获取最大通道范围内的最大刀具直径Dmax；步骤7)判断最大刀具直径Dmax与小刀具直径Ds是否相同，若相同则直接采用步骤4)得到的小刀具直径Ds进行加工，刀具选择结束；否则进入步骤8)；步骤8)在小刀直径Ds与最大大刀直径Dmax范围内按照由大到小的顺序读取可选刀具直径序列直径D1，D2，...，Dn，其中n为刀具序列大小；取当前刀具Di，i从1到n，循环执行步骤9)到步骤12)；步骤9)计算槽粗加工区域面积A，并根据当前选中的刀具直径Di进行可切削区域Am与不可切削区域面积Aun的计算；步骤10)读取大刀具与小刀具的切削参数，读取切削速度参数；步骤11)计算加工时间Tp；步骤12)判断当前刀具Di是否为最小刀具Dn，若是则进入步骤13)，否则转步骤8)继续读取刀具信息；步骤13)取加工时间最短的刀具组合作为当前槽粗加工的刀具组合。2.根据权利要求1所述的基于变异Voronoi Mountain的飞机复杂构件粗加工刀具选取方法，其特征在于步骤2)所述的建立基于变异Voronoi Mountain的45°拔模体方法如下(1)对于封闭槽情况，采用Veeramani和Gau提出的VoronoiMountain，结构形式为VM(O)＝{p|p＝a+r·N，0≤r≤d(a，O)，a∈O}，其中，O表示槽的多边形实边界所包围的闭区域；d(a，O)表示闭区域O内的点a到多边形O的顶点或线段的距离，N为O的单位法向量；对于开槽情况，首先在Voronoi Mountain基础上，对其定义域重新进行约束，由实边界多边形包围的闭区域O扩展为由实边界和虚边界多边形包围的闭区域；令D表示O内一点a到实边界的各条线段的距离组成的集合，其中O表示槽的多边形边界所包围的闭区域，即D＝{di|di为O内的一点a到O实边界一条线段ei的距离}，minD表示取D内元素的最小值，则有d(a，O)＝minD；(2)不管对于封闭槽还是开槽，都以槽轮廓多边形沿轮廓区域法线方向拉伸形成的拉伸多面体为基体，对由槽外轮廓实边界形成的侧面向内45°拔模，对由岛屿轮廓形成的侧面向外45°拔模形成拔模体，最终生成基于变异Voronoi Mountain的45°拔模体。3.根据权利要求1所述的基于变异Voronoi Mountain的飞机复杂构件粗加工刀具选取方法，其特征在于步骤3)所述的最小通道和最大通道计算，包括封闭槽、开槽的最小通道和最大通道计算；设e为轮廓的一条边线，A为e上一点，令S＝{si|si为A点到轮廓上其它点的切线的垂直距离，且si包含在加工区域内(不包含边界)}sp＝minS表示取S内元素的最小值，称sp为点A到轮廓的距离；令Sp为边线e上所有点到轮廓的距离构成的集合，即d＝min Sp表示取Sp内元素的最小值，则称d为轮廓在该对应边线位置处的通道，简称通道。在槽轮廓的各位置的通道中，其中的最小值称为最小通道，最大值称为最大通道；槽轮廓的45°拔模体中非相邻的轮廓形成侧面在顶部聚集成两种类型当槽轮廓的45°拔模体...

【专利技术属性】
技术研发人员：初宏震，饶有福，杜宝瑞，郑国磊，冯子明，于芳芳，任文杰，
申请(专利权)人：沈阳飞机工业集团有限公司，北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]