[發(fā)明專利]飛機復(fù)雜構(gòu)件快速數(shù)控加工準(zhǔn)備系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910220764.0
• 申請日: 2009-12-15
• 公開（公告）號: CN101763068A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜寶瑞;鄭國磊;馮子明;周敏;陳樹林;任文杰;初宏震
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司;北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05B19/4097
• 分類號: G05B19/4097
• 代理公司: 沈陽杰克知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21207
• 代理人: 竇久鵬

1.一種飛機復(fù)雜構(gòu)件快速數(shù)控加工準(zhǔn)備系統(tǒng)，該準(zhǔn)備系統(tǒng)是建立在現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)平臺上， 其特征在于：由工藝資源與知識庫管理模塊、快速毛坯生成模塊、零件分類與工藝方案分析模塊、自動 編程模塊、快速工裝生成模塊、應(yīng)力分析及變形控制模塊、前后置處理模塊以及工藝數(shù)據(jù)生成模塊八大 模塊組成，其中：

所述的現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)平臺，為飛機復(fù)雜構(gòu)件快速數(shù)控加工準(zhǔn)備系統(tǒng)提供平臺支撐，該準(zhǔn)備系 統(tǒng)首先在該平臺上建立飛機復(fù)雜構(gòu)件數(shù)字化三維零件模型，并與該準(zhǔn)備系統(tǒng)的八大模塊進行數(shù)據(jù)交換， 輔助實現(xiàn)工裝模型的定位、夾緊及生成，輔助生成零件的毛坯模型；然后利用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)平臺 的變形分析模塊實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件加工過程中以及加工完后的變形分析；最后根據(jù)自動編程模塊所構(gòu)建的加工 單元應(yīng)用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)平臺的數(shù)控加工模塊輔助生成加工操作樹并進行刀軌計算和加工仿真；

所述的工藝資源與知識庫管理模塊，為該準(zhǔn)備系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)、支撐數(shù)據(jù)庫與其他模塊進行 數(shù)據(jù)交換的接口，以及支撐數(shù)據(jù)庫的管理，其中支撐數(shù)據(jù)庫包括工藝知識庫、機床參數(shù)庫、工件材料庫、 刀具參數(shù)及材料庫、數(shù)控加工切削參數(shù)庫、工裝標(biāo)準(zhǔn)件庫、工裝典型件庫、工裝檢驗樣板模型庫和工裝 設(shè)計知識庫；另外通過建立其他模塊與支撐數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)不同模塊間的數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)用與管 理，完成支撐數(shù)據(jù)庫與整個飛機復(fù)雜構(gòu)件快速數(shù)控加工準(zhǔn)備系統(tǒng)的連接，將支撐數(shù)據(jù)庫與整個飛機復(fù)雜 構(gòu)件快速數(shù)控加工準(zhǔn)備系統(tǒng)關(guān)聯(lián)在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享與管理；支撐數(shù)據(jù)庫的管理包括各種支撐 數(shù)據(jù)的查詢、刪除、插入、修改、保存以及推理，方便各種支撐數(shù)據(jù)的查看與更新；

所述的快速毛坯生成模塊，根據(jù)零件模型、毛坯類型以及其它工藝約束條件自動確定零件各個部位 的加工余量，生成毛坯模型；

所述的零件分類與工藝方案分析模塊，首先對現(xiàn)有的飛機復(fù)雜構(gòu)件數(shù)字化三維零件模型進行分類并 定義出這些零件中不同的典型特征及結(jié)構(gòu)；然后結(jié)合工藝資源與知識庫管理模塊中的工藝知識庫確定各 種零件對應(yīng)的加工方案，包括確定各種特征及結(jié)構(gòu)的加工方法、裝夾方法、刀具推薦、切削參數(shù)推薦以 及機床推薦；

所述的自動編程模塊，首先根據(jù)飛機復(fù)雜構(gòu)件數(shù)字化三維零件模型進行整體零件的加工特征識別， 獲取零件的所有加工特征；其次根據(jù)零件模型、零件類型、加工側(cè)個數(shù)、毛坯類型、毛坯模型以及特征 識別結(jié)果，再結(jié)合工藝資源與知識庫管理模塊中的支撐數(shù)據(jù)，進行知識推理生成零件的加工方案，其中 加工方案采用多叉樹進行表示，與實際的加工工藝過程相對應(yīng)，即生成加工方案結(jié)構(gòu)樹；然后根據(jù)不同 加工階段及加工特征幾何參數(shù)自動選取各加工階段不同特征采用的刀具，并根據(jù)不同零件的加工工藝知 識自動進行知識推理確定結(jié)構(gòu)件中不同特征的加工順序；再根據(jù)特征識別結(jié)果、刀具選取結(jié)果以及加工 方案結(jié)構(gòu)樹，自動在現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)平臺的數(shù)控加工模塊中生成加工操作樹，并對每個加工操作自 動設(shè)置加工幾何參數(shù)、加工策略參數(shù)、刀具參數(shù)、切削參數(shù)以及加工過渡連接，進而實現(xiàn)加工文件的自 動生成；最后進行刀軌計算和加工仿真，并在加工過程中進行切削參數(shù)分析，實現(xiàn)切削參數(shù)的優(yōu)化選取；

所述的快速工裝生成模塊，首先快速確定當(dāng)前工序需要的夾緊和定位位置，快速確定零件的裝夾方 案，其次由應(yīng)力分析及變形控制模塊對這種裝夾方案進行變形分析獲取優(yōu)化的工裝方案，再結(jié)合人機交 互快速確定夾緊與定位器類型，最后從工藝資源與知識庫管理模塊的工裝典型件庫及工裝標(biāo)準(zhǔn)件庫中 調(diào)用對應(yīng)的定位及夾緊裝置模型，并進行相應(yīng)的定位與安裝；

所述的應(yīng)力分析及變形控制模塊，用于優(yōu)化工裝和切削參數(shù)，作為該準(zhǔn)備系統(tǒng)的輔助模塊，在工裝 裝夾完成后，模擬分析加工過程中工件表面應(yīng)力分布，并分析加工完成后工件表面殘余應(yīng)力分布和工件 上各夾緊點位置的材料變形，然后計算出零件在加工后工件的變形量；根據(jù)分析和計算結(jié)果，調(diào)整工裝 的結(jié)構(gòu)方案和切削參數(shù)，以控制工件的變形；

所述的前后置處理模塊，用于實現(xiàn)不同數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控程序之間的轉(zhuǎn)換，其中前置處理模塊用于現(xiàn) 有CAD/CAM系統(tǒng)平臺加工文件轉(zhuǎn)換成中間代碼APT文件，后置處理模塊用于將該APT文件轉(zhuǎn)換成不 同數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼，并且針對不同數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控程序，實現(xiàn)不同數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控程序相互之間的 自由轉(zhuǎn)換；

所述的工藝數(shù)據(jù)生成模塊，提取出零件加工工藝規(guī)程中的各項內(nèi)容，然后添加到工藝表單中，生成 加工工藝卡、加工工序卡、數(shù)控刀具卡、裝夾圖及零件設(shè)定卡。

2.一種如權(quán)利要求1所述的飛機復(fù)雜構(gòu)件快速數(shù)控加工準(zhǔn)備系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于：具體步 驟如下：

步驟1)：進入現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)平臺的數(shù)控加工模塊，并進入飛機復(fù)雜構(gòu)件快速數(shù)控加工準(zhǔn)備系 統(tǒng)，載入已有的飛機復(fù)雜構(gòu)件數(shù)字化三維零件模型；

步驟2)：進行零件基本信息的設(shè)定，具體有：(1)零件的類型：包括壁板、框、梁、肋、長桁、接頭 以及緣條；(2)加工側(cè)個數(shù)信息：包括單面、雙面以及多面；(3)毛坯類型：包括板材、型材、鍛件以及鑄 件；

步驟3)：結(jié)合零件模型的工藝特點對零件模型進行質(zhì)量檢測，并對不能滿足實際工藝要求的局部錯 誤結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的修正，使零件模型滿足加工工藝要求，以保證輸入到該準(zhǔn)備系統(tǒng)八大模塊中的零件模 型的正確性；

步驟4)：進入快速毛坯生成模塊，由步驟2)中設(shè)定的零件類型確定該零件的毛坯類型，首先對零件 模型進行毛坯加工余量分析，然后結(jié)合毛坯類型和毛坯加工余量，再輔以適當(dāng)?shù)娜藱C交互，在零件模型 的基礎(chǔ)上快速生成毛坯模型，最后由零件模型和毛坯模型組成加工模型；

步驟5)：進入自動編程模塊，首先需要根據(jù)步驟2)中設(shè)定的零件類型與加工側(cè)個數(shù)信息為每個加工 側(cè)設(shè)定對應(yīng)的加工坐標(biāo)系，然后在每個加工坐標(biāo)系下對零件的所有拓?fù)涿孢M行面類型識別，并按照面類 型識別結(jié)果進行組孔操作，包括埋頭孔、沉頭孔、錐孔及圓柱直孔的識別與構(gòu)建，對組成的橫向孔和斜 向孔進行刪除操作，以方便后續(xù)的特征識別；在當(dāng)前加工坐標(biāo)系下，采用基于分層思想的廣義槽特征識 別方法對零件進行加工特征識別，即創(chuàng)建分層層面與零件實體求交并獲取出每層的交線環(huán)，然后提取出 交線環(huán)中邊線依賴的面，再由交線環(huán)中不同邊線之間的連接關(guān)系將這些邊線依賴的面進行組合，進而組 成廣義槽特征，再根據(jù)縱向面之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建出飛機復(fù)雜構(gòu)件廣義槽特征結(jié)構(gòu)樹；

步驟6)：經(jīng)過步驟5)中的特征識別后，人工交互設(shè)定是否載入現(xiàn)有的相似零件加工方案，如果選擇 “是”則從加工方案庫中自動匹配相似零件的加工方案，以列表形式在該準(zhǔn)備系統(tǒng)界面上表現(xiàn)出來，再 次由人工交互進行優(yōu)化選取；否則進入零件分類及工藝方案分析模塊，根據(jù)工藝經(jīng)驗知識和零件類型進 行知識推理，確定當(dāng)前零件的基本加工方案，包括機床信息、加工側(cè)個數(shù)信息及總體的加工階段劃分， 再根據(jù)零件特征信息以及總體的加工階段劃分，自動選取刀具，確定各加工階段過程中加工不同特征所 需要的刀具參數(shù)和切削參數(shù)，將基本加工方案和刀具選取結(jié)果進行合并，即生成推薦的零件加工方案； 通過上述兩種方式生成零件加工方案后，進入加工方案交互修改界面，該界面采用多叉樹結(jié)構(gòu)表達零件 整個加工工藝過程，該樹包含零件節(jié)點、機床節(jié)點、加工側(cè)節(jié)點、工序節(jié)點、工步節(jié)點、程序節(jié)點及刀 具節(jié)點，然后人工對加工方案進行交互修改與檢查，最后確認(rèn)保存；如果為初次加工的零件，其加工方 案自動添加到加工方案庫中，以供下次相似零件的調(diào)用，保證方案的統(tǒng)一性和規(guī)范性；

步驟7)：再次進入自動編程模塊，首先從步驟6)生成的加工方案中提取出各工序工步中使用的刀具 信息，并用這些刀具匹配步驟5)中提取的加工特征信息，使加工特征與刀具進行關(guān)聯(lián)，保證加工特征在 不同的加工階段有合適的刀具進行加工；然后結(jié)合加工方案，以及加工特征與刀具的對應(yīng)信息，構(gòu)建零 件的加工單元，主要有：<1>粗加工單元構(gòu)建：采用分層粗加工思想，首先對加工特征進行優(yōu)化分層， 然后獲取每個層面的加工幾何導(dǎo)引線環(huán)，并進行相應(yīng)的修正，另外再結(jié)合底面、頂面、刀具參數(shù)、切削 參數(shù)、加工策略參數(shù)以及加工過渡連接，即完成粗加工單元的構(gòu)建；<2>側(cè)壁精加工單元構(gòu)建：參照粗 加工單元構(gòu)建方式，獲取加工特征精加工的加工幾何導(dǎo)引線，再結(jié)合底面、頂面、刀具參數(shù)、切削參數(shù)、 加工策略參數(shù)以及加工過渡連接，構(gòu)建精加工單元；最后根據(jù)加工方案結(jié)構(gòu)樹，自動在現(xiàn)有CAD/CAM 系統(tǒng)平臺中生成加工操作樹，其中加工操作是一個具體加工單元信息的集合，包含加工當(dāng)前特征的加工 策略參數(shù)、加工參數(shù)、幾何參數(shù)、刀具參數(shù)以及加工宏過渡連接，再對加工操作樹中所有的加工操作進 行刀軌計算和加工仿真，并對存在問題的刀軌進行修正；

步驟8)進入快速工裝生成模塊，首先自動計算當(dāng)前工序需要的夾緊和定位位置，其次從自動編程模 塊生成的刀軌信息中提取離散的切削點，并進行夾緊力、支撐力與切削力的計算；然后進入到應(yīng)力分析 及變形控制模塊，在該模塊中根據(jù)夾緊位置、定位位置、以及作用于這些位置上的力，建立零件加工過 程應(yīng)力應(yīng)變分析模型，由程序自動進行應(yīng)力應(yīng)變分析，如果變形結(jié)果不滿足要求，則繼續(xù)調(diào)整夾緊點和 定位點進行下一個方案的分析，直到獲取到一個優(yōu)化的工裝方案，然后從工藝資源與知識庫管理模塊的 工裝典型件庫及工裝標(biāo)準(zhǔn)件庫中調(diào)用對應(yīng)的定位及夾緊裝置模型，并進行相應(yīng)的定位與安裝；

步驟9)工裝三維模型生成完后，需要判斷是否需要修正刀軌，如果是則需要對刀軌進行修正，防止 與工裝三維模型產(chǎn)生干涉；如果不需要，則進入步驟10)；

步驟10)進入前后置處理模塊，首先由前置處理模塊將現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)平臺的加工文件轉(zhuǎn)換成 中間代碼APT文件，然后再結(jié)合特定的數(shù)控機床代碼格式，對其進行語義分析與解析，經(jīng)過后置處理 模塊生成相應(yīng)的數(shù)控機床代碼，保存到文件；將生成的數(shù)控機床代碼進行加工仿真，查看是否存在過切 或殘留區(qū)域，如果是則再次修改刀軌，直到生成的代碼完全正確；

步驟11)最后進入工藝數(shù)據(jù)生成模塊，首先根據(jù)自動編程模塊生成的中間件三維模型自動實現(xiàn)由中 間件三維模型生成工序草圖，其中工序草圖包含中間件投影草圖、加工坐標(biāo)系、局部細(xì)節(jié)說明以及局部 尺寸標(biāo)注；然后根據(jù)實際的工藝表單中的內(nèi)容和格式，以及自動編程模塊生成的加工方案，提取出加工 方案中的工藝數(shù)據(jù)信息，工藝數(shù)據(jù)信息包括機床、加工側(cè)向、工序、工步、程序、刀具以及工裝，并將 工藝數(shù)據(jù)信息的內(nèi)容及工序草圖自動添加到對應(yīng)的工藝表單中，進而生成零件加工工藝規(guī)程中的相關(guān)卡 片，包括加工工藝卡、加工工序卡、數(shù)控刀具卡以及裝夾圖與零件設(shè)定卡。