飞机结构件型腔复杂转角残留区域刀轨生成方法

摘要

本发明提供一种飞机结构件型腔复杂转角残留区域刀轨生成方法，具备：加工区域获取（S1），通过计算型腔加工面域和上把刀具的可加工区域，然后对两者求差得到待加工的残留区域；窄颈分区（S2），计算窄颈区凹顶点和凹边，由凹顶点和凹边确定窄颈区的瓶颈线作为分割线对窄颈区分区，使窄颈区转化为多个转角区；临界刀轨计算（S3），包括硬临界刀轨、软临界刀轨和虚临界刀轨计；刀轨环计算（S4），采用圆弧过渡连接软临界刀轨和硬临界刀轨，并添加回程直线刀轨，经过裁剪得到第一个刀轨环，然后依据径向切深对刀轨环的切削部分进行偏置得到与临界刀轨相交的偏置线链，再采用圆弧过渡连接偏置线链和临界刀轨，重复执行上述第一个刀轨环的生成过程，直至偏置线链与硬临界刀轨和虚临界刀轨均无交点，生成最终的螺旋环刀轨。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞机结构件型腔复杂转角残留区域刀轨生成方法，用于飞机复杂结构件粗加工后转角区域数控编程中刀具轨迹的生成，属于飞机数字化制造技术领域。应用该方法，适用于粗加工后任意转角区域的刀轨生成，可以计算切削厚度均匀、切削力方向连续变化的刀具轨迹，提高飞机壁板型腔精加工质量，同时减小刀具磨损。 

背景技术

计算机、编程以及高速切削加工等数控相关技术的快速发展与广泛应用推动了飞机结构件制造技术的发展，现代飞机普遍采用性能优越的整体薄壁结构件（范玉青.航空宇航制造工程[M].重庆：重庆出版社，2001）。但是，由于整体结构件具有结构复杂、制造精度要求高且加工难度大等特点（Yu Fangfang,Du Baorui,Ren Wenjie,Zheng Guolei,Chu Hongzhen.Slicing Recognition of Aircraft Integral Panel Generalized Pocket[J].Chinese Journal of Aeronautics,2008,(21):585-592），现有的工艺准备和数控编程方式已成为进一步提高飞机整体结构件制造质量和效率的最主要制约因素。例如，采用大刀具对飞机复杂结构件型腔完成粗加工后，由于大刀具可达性差，会在型腔转角及窄颈区形成未加工的残留区域。而CATIA系统无法自动识别残留区，即使经人工交互确定残留区边界后，系统生成的刀具轨迹质量 较差，难以满足工程需求。针对这些残留区域，目前只能靠人工交互设定刀具轨迹，由于飞机结构件型腔转角较多，人工交互确定刀轨效率低且刀轨质量因人而异。因此，研究飞机结构件型腔转角及窄颈残留区域的刀轨生成方法，提高数控加工效率及质量已成为高效数控加工技术急需解决的问题。 

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种飞机结构件型腔复杂转角残留区域刀轨生成方法，该方法可完成结构件型腔复杂转角残留区域数控加工刀轨的自动计算，解决转角加工切削过程载荷动态变化等问题，提高壁板加工质量。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的： 

飞机结构件型腔复杂转角残留区域刀轨生成方法，该方法实现的主要步骤有：1）残留区域获取；2）窄颈区分区；3）临界刀轨计算；4）刀轨环计算；5）刀轨数据输出。 

所述步骤1）残留区域获取，残留区域包含外轮廓边界和上把刀具加工后形成的新边界，或凸台边界和上把刀具加工后形成的新边界，或外轮廓边界、凸台边界和上把刀具加工后形成的新边界。其中，外轮廓边界和凸台边界统称为硬边界，上把刀具加工后形成的新边界称为软边界。获取的过程为：型腔加工面域计算；上把刀具可加工区域计算；型腔加工面域与上把刀具可加工区域求差；根据上把刀具加工后形成的边界个数将残留区分为转角残留区和窄颈残留区；域元构造； 

所述步骤2）窄颈分区，是在步骤1）和步骤2）的基础上，识别残留区的凹顶点和凹边；根据凹顶点和凹边计算瓶颈线；根据软边界的个数添加或删除瓶颈线，保证分割后每个子区均存在且只存在一条软边界；以瓶颈线作为分割线对窄颈区分区，使窄颈区转化为多个转角区； 

所述步骤3）临界刀轨计算，包括分别根据硬边界、软边界和瓶颈线（称为虚边界）形成的硬临界刀轨、软临界刀轨和虚临界刀轨。硬临界刀轨由硬边界按加工刀具半径偏置得到；软临界刀轨根据设定的径向切深偏置得到；虚临界刀轨根据瓶颈线得到； 

所述步骤4）刀轨环计算。采用直径较小的两个过渡圆连接软临界刀轨和硬临界刀轨，保证过渡圆与软临界刀轨和硬临界刀轨均相切；连接两个过渡圆的圆心并使圆心连线向使软边界所在圆弧半径减小的方向偏置，使之与两个过渡圆相切；通过裁剪生成由过渡圆弧、软临界刀轨和圆心偏置线构成的第一个刀轨环；对刀轨环的切削部分按径向切深向使软边圆弧半径增大的方向偏置得到偏置线链，采用直径较小的两个过渡圆连接该偏置线链和硬临界刀轨或虚临界刀轨，重复上述步骤，直至偏置线链与硬临界刀轨和虚临界刀轨均无交点，刀轨环计算完毕。 

本发明的有益效果：应用本发明提出的飞机结构件型腔转角残留区域螺旋环刀轨生成方法的效果如下：（1）采用顺铣的方式完成加工，生成的刀轨满足一阶连续，且径向切深变化平稳，切削力变化幅度小，将显著提高加工质量并减小刀具磨损；（2）自动生成转角和窄颈残留 区刀具轨迹，具有通用性，将极大地缩短壁板数控加工准备时间。总而言之，采用本发明提出的飞机壁板型腔转角及窄颈残留区域螺旋环刀轨生成算法将极大提高数控加工的质量，缩短壁板加工准备时间从而提高壁板加工效率。 

附图说明

图1为输入面及残留区域提取示意图。 

图2为窄颈区分区示意图。 

图3为临界刀轨生成示意图。 

图4为刀轨环生成示意图。 

图5为螺旋环刀轨示意图。 

图6为本发明方法的流程图。 

具体实施方式

本发明是建立在CAD/CAM系统平台上，实现飞机壁板型腔转角及窄颈残留区域刀轨计算的一种方法。 

下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明，本实施例是在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的实现过程，但是本发明的保护范围不限于下述实施实例。 

本发明提出的刀轨计算实施的详细步骤如下： 

步骤1）：残留区域获取。残留区域获取的主要内容有：型腔加工面域计算；上把刀具可加工区域计算；型腔加工面域与上把刀具可加工区域求差；根据上把刀具加工后形成的边界个数将残留区分为转角残留区和窄颈残留区；域元构造。图1所示为输入面信息及型腔残 留区域，型腔残留区域包括转角残留区域和窄颈残留区域，加工区域的获取过程如下： 

（1）用填充将外轮廓草图封闭成面FACE； 

（2）采用裁剪功能，在FACE_1上减去凸台区域，生成型腔加工面域； 

（3）利用外轮廓草图向内偏置（上把刀具半径）后生成外轮廓内偏置草图，再将外轮廓内偏置草图向外偏置（上把刀具半径）后生成外轮廓偏置草图； 

（4）用填充将外轮廓偏置草图封闭成面FACE_2； 

（5）各凸台向外偏置（上把刀具半径）生成凸台外偏置草图，再将凸台外偏置草图向内偏置（上把刀具半径）生成凸台偏置草图； 

（6）用填充将凸台偏置草图封闭成面FACE_3； 

（7）采用裁剪功能，在FACE_2上减去FACE_3，生成上把刀具可加工区域； 

（8）采用裁剪功能，在FACE_1上减去上把刀具可加工区域，生成型腔残留区域； 

（9）根据残留区域边界是否与型腔边界或凸台边界重合，识别出软边界，再根据各残留区软边界的个数识别出窄颈残留区和转角残留区，如图1所示。 

步骤2）：窄颈分区。详细流程如下： 

（1）根据构成顶点的两条边的切向量的叉积判断顶点的凹凸性；根据圆弧边端点的切向量与端点与圆心连线的方向向量的叉积判断 圆弧边的凹凸性； 

（2）对由一条软边相连的两条硬边，计算其凹顶点和凹边间的连线作为瓶颈线，删除相交的连线； 

（3）保留与软边距离最远的凹顶点或凹边间的瓶颈线，删除其它瓶颈线；对无凹顶点，也无凹边的窄颈区，添加额外的分区线，保证分割后每个子区均存在且只存在一条软边界； 

（4）以瓶颈线作为分割线对窄颈区分区，使窄颈区转化为多个转角区，如图2所示； 

步骤3）临界刀轨计算。如图3所示为临界刀轨计算方法示意图，图中信息说明如下： 

d_t——加工残留区域的刀具半径； 

a_r——刀具理论径向切深； 

p_v——两条虚边构成的顶点； 

p_r1，p_r2——由虚边和硬边形成的顶点； 

——两虚边构成的夹角∠p_v的平分线与以p_v为圆心，d_t/2为半径的圆的交点。 

临界刀轨计算包括硬临界刀轨计算、软临界刀轨计算和虚临界刀轨计算： 

（1）硬临界刀轨：将硬边界按加工刀具半径d_t/2偏置得到； 

（2）软临界刀轨：根据设定的径向切深偏置软边得到。设径向切深为a_r，若a_r<d_t/2，则将软边向软边圆弧半径缩小的方向偏置d_t/2-a_r的距离；若a_r=d_t/2，则软边即为软临界刀轨；若a_r>d_t/2，则将软 边向软边圆弧半径增大的方向偏置a_r-d_t/2的距离； 

（3）若子区域只包含一条虚边，则直接将两条硬临界刀轨的两端点相连形成的线段作为虚临界刀轨，如图3所示子区I线段若子区域只包含多条虚边，设p_r1和p_r2在硬临界刀轨上对应的点为和 则虚临界刀轨由顺次连接的线段和构成，如图3所示子区II。 

所述步骤4）刀轨环计算。如图4所示为刀轨环计算方法示意图，图中信息说明如下： 

r_t——过渡圆弧半径。 

详细流程如下： 

刀轨环计算详细流程如下： 

（1）设过渡圆的半径为r_t，将软临界刀轨向半径减小的方向偏置r_t，与硬临界刀轨向内偏置r_t的偏置线相交于C_c点和C_d点，如图4所示。则C_c点和C_d点为过渡圆弧的圆心； 

（3）分别求C_c点和C_d点到软临界刀轨的最近距离点为p_c点和p_d点，则根据这两点裁剪（1）所得的偏置圆弧； 

（4）设垂直于线段指向软边的方向向量为n，将沿n偏置r_t距离得线段即为回程刀轨。 

(5)作两个过渡圆弧，使之分别以C_c点和C_d点为圆心，p_c、p_d和C'_c、C'_d为首末端点，得圆弧p_cC′_c和p_dC′_d即为过渡圆弧。圆弧p_cC′_c、p_cp_d、p_dC′_d和直线段构成一个封闭环，即为一个刀轨环。 

（6）对上一步生成的刀轨环的切削段按径向切深向使软边圆弧 半径增大的方向偏置得到偏置线链，代替（1）中的软临界刀轨，重复步骤（1）～（5），直至偏置线链与该残留区的硬临界刀轨和虚临界刀轨均无交点，刀轨环计算结束。 

步骤6）螺旋环刀轨生成及数据输出。