一种基于数控加工编程的工序几何模型构建方法

摘要

本发明提供一种基于数控加工编程的三维工序几何模型构建方法，涉及机械零件工艺设计技术领域。该方法通过提取上一道工序几何模型作为当前工序的初始几何模型，然后利用CAD/CAM系统本身的数控加工程序的仿真功能及二次开发模块，自动提取加工刀轨包络体并减掉包络体，生成当前工序几何模型，然后通过循环生成所有工序的几何模型。基于数控加工编程的三维工序几何模型构建方法，实现了自动、快速的创建工序几何模型，为在三维工艺管理模块中实现对航空结构件进行三维工艺设计提供快速的建模方法，从而充分利用企业已有的数控加工能力，提高机械零件工艺设计水平。

说明书

技术领域

本发明涉及机械零件工艺设计技术领域，尤其涉及一种基于数控加工编程的工序几何模型构建方法。

背景技术

目前，国内外都在大量研究基于模型定义(Model BasedDefinition，MBD)的应用技术，并开发出一些三维工艺设计软件和工具，其目的是变革设计和制造之间信息共享的方式，以三维工艺全信息工序模型来支持设计制造的全过程。

三维工艺设计通过协同研制平台中的三维工艺管理模块来实现，工艺人员可以在已设计好的MBD模型的基础上开展三维工艺规程的设计。在三维工艺设计过程中，工序几何模型作为三维工艺的几何信息载体，其创建效率直接影响整个三维工艺设计系统的质量。

目前工序几何模型生成方案主要基于特征识别技术，已取得了相关进展，但是由于目前特征识别技术的研究并不十分成熟，导致一些复杂特征难以定义和提取，工序几何模型难以自动生成，三维工艺编制的效率较低，限制了三维工艺设计系统的推广应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于数控加工编程的工序几何模型构建方法，实现自动、快速的创建工序几何模型。

一种基于数控加工编程的工序几何模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1：创建当前工序的初始几何模型，具体方法为：

步骤1.1：判断待编制的三维工艺零件是否存在上一道工序的几何模型，如果存在则提取上一道工序的几何模型，然后执行步骤1.3，否则执行步骤1.2；

步骤1.2：计算待编制的三维工艺零件的毛坯尺寸，创建零件初始毛坯，作为当前工序的初始几何模型；

步骤1.3：复制上一道工序的几何模型并生成新的几何模型，同时建立新的几何模型与上一道工序几何模型之间的几何特征关系，得到当前工序的初始几何模型；

步骤2：对当前工序的初始几何模型通过数控加工程序进行仿真处理，并获取刀轨的路径信息，确定当前工序的刀轨集，具体方法为：

步骤2.1：针对当前工序的初始几何模型，选取待编制的三维工艺零件在当前工序需要加工的几何特征，确定加工刀具参数、加工路径参数和加工余量；

步骤2.2：使用CAD/CAM系统的数控加工程序，根据确定的加工刀具参数、加工路径参数和加工余量对当前工序的加工过程进行仿真，输出仿真结果,从仿真结果中得到刀轨的刀位点信息；

步骤2.3：调用CAD/CAM系统平台上二次开发的处理刀轨信息的刀轨信息处理模块，读取刀轨刀位点信息，使用NURBS曲线对刀位点进行分段拟合，得到刀具的刀轨路径及相关参数，确定当前工序的刀轨集；

步骤3：使用CAD/CAM系统的自动识别功能，判断当前工序的刀轨集是否为空，如果刀轨集不为空，则执行步骤4，否则执行步骤6；

步骤4：基于当前工序的刀轨集计算刀轨包络体，具体方法为：

步骤4.1：分析刀轨集的刀轨路径信息，丢弃内层刀轨路径信息，保留外层刀轨路径信息；

步骤4.2：根据加工刀具参数以及外层刀轨路径信息，计算刀轨包络面；

步骤4.3：调用CAD/CAM系统平台上二次开发的生成包络体的包络体生成模块，在刀轨包络面基础上生成刀轨包络体；

步骤5：计算当前工序的初始几何模型与刀轨包络体的差，生成当前工序的几何模型，具体方法为：

步骤5.1：调用CAD的布尔运算功能，在当前工序的初始几何模型上进行布尔运算，减掉刀轨包络体，生成当前工序的几何模型；

步骤5.2：将得到的当前工序的几何模型对照相应的工艺规程及产品需求进行检查，判断当前工序的几何模型是否合格；若满足需求，则该工序几何模型合格，执行步骤6；否则该工序的几何模型不合格，调整相关的加工刀具参数、加工路径参数和加工余量，返回步骤1，重新构建当前工序的几何模型；

步骤6：输出当前工序的几何模型；

步骤7：判断三维工艺零件所有工序的几何模型是否全部生成，如果未全部生成，则重复执行步骤1～步骤6，完成待编制三维工艺零件的所有工序的几何模型的构建，否则，结束工序几何模型的构建。

进一步地，步骤1.3所述几何特征关系是指在零件加工过程中基于去除特征建立的各工序之间的二叉树关系；

所述去除特征是指在零件加工时，去除材料的形状特征，包括边界特征、内陷特征、贯通特征、螺纹特征、环形特征和其他特征，每种特征的定义如下：

边界特征是指在原始零件毛坯上直接去除的至少与两个以上的毛坯表面相交且位于边界的形状；

内陷特征是指只与一个毛坯表面相交的内凹且不贯通的形状；

贯通特征是指在工序毛坯上去除的至少与两个以上的毛坯表面相交的通透且位于毛坯内部的形状；

螺纹特征是指去除材料之后形成的剩余形状是螺纹的情况；

环形特征是指通过车削或铣削去除的圆柱形形状；

其它特征是指需要精加工修整的不能归结为以上各类特征的已知的表面特征。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于数控加工编程的工序几何模型构建方法，直接利用CAD/CAM系统本身的数控加工模块的仿真功能及二次开发的模块，在前一道工序几何模型的基础上，减去包络体自动生成当前工序几何模型，通过循环实现自动、快速的创建所有工序的几何模型，为在三维工艺管理模块中实现对航空结构件进行三维工艺设计提供快速的建模方法，将零件从设计到加工完全在三维模型下完成，并将加工过程进行全过程模拟，便于工作人员制定和改进相应的加工方案，从而充分利用企业已有的数控加工能力，提高机械零件工艺设计水平。

附图说明

图1为本发明实施例提供的待编制的三维工艺零件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于数控加工编程的工序几何模型构建方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的当前工序初始几何模型的创建过程流程图；

图4为本发明实施例提供的创建待编制的三维工艺零件的初始毛坯结构示意图；

图5为本发明实施例提供的工序几何模型中前道工序与后道工序之间的几何特征关系示意图；

图6为本发明实施例提供的加工刀具各面的示意图；

图7为本发明实施例提供的对加工刀具建立的三维坐标系示意图；

图8为本发明实施例提供的加工刀具的纵向投影面示意图；

图9为本发明实施例提供的步骤5生成当前工序几何模型的流程图；

图10为本发明实施例提供的生成的当前工序的几何模型结构示意图；

图11为本发明实施例提供的待编制的三维工艺零件完成所有工序几何模型的过程示意图。

图中：1、加工刀具底面；2、加工刀具底部圆环面；3、加工刀具外侧面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种基于数控加工编程的工序几何模型构建方法，建立在CAD/CAM系统平台的基础上，为在三维工艺管理模块中实现对航空结构件进行三维工艺设计提供快速的建模方法。

本实施例针对需要编制的三维工艺零件，如图1所示，使用一种基于数控加工编程的工序几何模型构建方法进行三维工序几何模型构建，如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：创建当前工序初始几何模型，如图3所示，具体方法为；

步骤1.1：判断待编制的三维工艺零件是否存在上一道工序的几何模型，如果存在则提取上一道工序的几何模型，然后执行步骤1.3，否则执行步骤1.2；

步骤1.2：计算待编制的三维工艺零件的毛坯尺寸，创建零件初始毛坯，如图4所示，作为当前工序的初始几何模型；

步骤1.3：复制上一道工序的几何模型并生成新的几何模型，同时建立新的几何模型与上一道工序几何模型之间的几何特征关系，得到当前工序的初始几何模型。

几何特征关系，是指在零件加工过程中基于去除特征建立的各工序之间的二叉树关系，如图5所示，在加工过程中，从毛坯到最后加工成零件的所有工序，均通过减掉前道工序的去除特征得到当前工序的初始几何模型。去除特征是指在零件加工时，去除材料的形状特征，包括边界特征，内陷特征，贯通特征，螺纹特征，环形特征和其他特征六大类特征，每种特种的定义如下：

边界特征是指在原始零件毛坯上直接去除的至少与两个以上的毛坯表面相交且位于边界的形状；

内陷特征是指只与一个毛坯表面相交的内凹且不贯通的形状；

贯通特征是指在工序毛坯上去除的至少与两个以上的毛坯表面相交的通透且位于毛坯内部的形状；

螺纹特征是指去除材料之后形成的剩余形状是螺纹的情况；

环形特征是指通过车削或铣削去除的圆柱形形状；

其它特征是指需要精加工修整的不能归结为以上各类特征的已知的表面特征。

通过对去除特征的定义，将上述六大特征存入CAD/CAM系统，在构建工序几何模型时，可以直接对上一道工序的几何模型进行相关几何特征的修改，从而直接自动构建本道工序的几何模型，减少设计人员的工作量，节约几何模型构建的时间。

步骤2：对当前工序的初始几何模型通过数控加工程序进行仿真处理，并获取刀轨的路径信息，确定当前工序的刀轨集，具体方法为：

步骤2.1：针对当前工序的初始几何模型，选取待编制的三维工艺零件在当前工序需要加工的几何特征，确定加工刀具参数、加工路径参数和加工余量；

步骤2.2：使用CAD/CAM系统的数控加工程序，根据确定的加工刀具参数、加工路径参数和加工余量对当前工序的加工过程进行仿真，输出仿真结果,从仿真结果中得到刀轨的刀位点信息；

步骤2.3：调用CAD/CAM系统平台上二次开发的处理刀轨信息的刀轨信息处理模块，读取刀轨刀位点信息，使用NURBS曲线对刀位点进行分段拟合，得到刀具的刀轨路径及相关参数，确定当前工序的刀轨集；

在三维制图软件的数控加工模块中，对零件进行仿真切削后所形成的刀轨是由无数的刀位点来确定的，这些刀位点主要分为两大类，一种是刀具在沿着这些刀位点的运动是直接参与零件切削的；另一种是为完成零件的合理切削而增加的补充工艺刀位点，如刀具的进刀退刀点、层切削间的连接刀位点、切入与切出点等刀具坐标点。本实施例使用的CAD/CAM系统平台上二次开发的处理刀轨信息的刀轨信息处理模块对连续刀位点进行分段处理，将可拟合的连续刀位点集和折线刀轨刀位点集根据刀位点的几何参数对相邻刀位点进行聚类分析，从而区分出可拟合样条曲线的刀位点集，再用非均匀有理B样条曲线(NURBS，Non-Uniform Rational B-Splines)对刀位点进行分段拟合，得到刀具的NURBS刀轨路径信息及相关参数，确定当前工序的刀轨集。

运用非均匀有理B样条曲线对刀位点进行分段拟合，能够比传统的建模方法更好的控制曲线的精度，从而模拟出更准确、更逼真的刀轨信息，能够对实际生产提供更好的参考价值。

步骤3：使用CAD/CAM系统的自动识别功能，判断当前工序刀轨集是否为空，如果刀轨集不为空则执行步骤4，否则执行步骤6。

步骤4：基于当前工序的刀轨集计算刀轨包络体，具体方法为：

步骤4.1：分析刀轨集的刀轨路径信息，丢弃内层刀轨路径信息，保留外层刀轨路径信息；

步骤4.2：根据加工刀具参数以及外层刀轨路径信息，计算刀轨包络面；

以刀轨中任意一段走刀刀步为例，将起始刀位点作为坐标系原点建立加工刀具坐标系，分别创建一步刀具运动中加工刀具底面S₁、底部圆环面S₂、外侧面S₃的数学模型，加工刀具各面如图6所示，各数学模型如以下公式所示：

上式中各符号如图7和图8所示，a为加工刀具圆柱底面圆半径，h为加工刀具切削部位长度，R₁为底面圆半径，R₂为底部圆环面在yOz平面上的投影中圆弧的半径，α为底部圆环面在yOz平面上的投影中圆弧上一点的半径方向到-z轴的角度，β为圆柱底面圆上的一条半径方向到x轴方向的角度。当R₂＝0时，环形刀具变为端形刀具；当R₁＝0时，环形刀具变为球形刀具；

假设刀具在系统提取的各相邻刀位点中做直线运动，根据刀位点的坐标，确定刀具运动路径的方程，在该刀步的起始刀位点为原点建立坐标系，设第二刀位点的坐标为(x_s,y_s,z_s)，取比例因子t(0≤t≤1)，则刀具在刀步直线路径上的任意一点坐标可表示为(tx_s,ty_s,tz_s)，刀具从坐标系起始点到刀步直线上的t处是一个坐标系平移的过程，即经过该平移坐标变换后，得到底面包络面S₁’的方程，进而得出底部圆环面包络面S₂’和外侧面运动包络面S₃’的方程，各包络面上任意一点的坐标分别用(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)来表示，则S₁’、S₂’和S₃’三个包络面的方程分别如以下三个方程组所示；

根据上述三套方程，拟合出刀具一次直线刀步中包络体的表面，该表面为凹形面；

步骤4.3：调用CAD/CAM系统平台上二次开发的生成包络体的包络体生成模块，在刀轨包络面基础上生成刀轨包络体。

步骤5：计算当前工序初始几何模型与刀轨包络体的差，生成当前工序的几何模型，如图9所示，具体方法为：

步骤5.1：调用CAD的布尔运算功能，在当前工序初始几何模型上进行布尔运算，减掉刀轨包络体，即以步骤4.2中得到的以该凹形面为刀轨运行路径的最外层切除上道工序的几何模型，切除方向为刀轴方向，生成当前工序的几何模型；

步骤5.2：将得到的当前工序的几何模型对照相应的工艺规程及产品需求进行检查，判断当前工序的几何模型是否合格；若满足需求，则该工序几何模型合格，执行步骤6；否则该工序的几何模型不合格，调整相关的加工刀具参数、加工路径参数和加工余量，返回步骤1，重新构建当前工序的几何模型。

步骤6：输出当前工序的几何模型。本实施例中，得到的当前工序的几何模型如图10所示。

步骤7：判断三维工艺零件的所有工序的几何模型是否全部生成，如果未全部生成，则重复执行步骤1～步骤6，完成待编制三维工艺零件的所有工序的几何模型的构建，否则，结束工序几何模型的构建。本实施例中，图1中所示的待编制的三维工艺零件完成所有工序几何模型的过程，如图11所示，在前道工序几何模型的基础上生成当前工序几何模型，然后再将当前工序作为前道工序生成下一道工序的几何模型，依此顺序生成各工序的几何模型，最终完成待编制的三维工艺零件的几何模型。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。