[發(fā)明專(zhuān)利]一種大型復(fù)雜艙體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工走刀路徑優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011138702.8
• 申請(qǐng)日: 2020-10-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112596464B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王建華;董亞;張彩霞;劉志峰;丁國(guó)智;郭詩(shī)瑤;趙鵬睿
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué);北京星航機(jī)電裝備有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G05B19/19
• 分類(lèi)號(hào): G05B19/19
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種大型復(fù)雜艙體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工走刀路徑優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：對(duì)被加工零件的所有特征進(jìn)行提取，針對(duì)各個(gè)加工特征對(duì)其所適用的加工方法進(jìn)行表示；

步驟二：對(duì)被加工零件建立三維坐標(biāo)系，進(jìn)行數(shù)控加工起始換刀點(diǎn)、各個(gè)被加工零件的所有特征臨界刀觸點(diǎn)及所有被加工特征的中心加工點(diǎn)三維坐標(biāo)的提取；

步驟三：針對(duì)大型復(fù)雜艙體結(jié)構(gòu)件加工走刀空行程優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)行以加工走刀總空行程最短的目標(biāo)函數(shù)的建立；

步驟四：采用改進(jìn)蟻群算法基于上述步驟三所建立的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行加工工藝路線的優(yōu)化；

步驟五：基于貪心算法結(jié)合加工臨界刀觸點(diǎn)進(jìn)行加工走刀路徑的優(yōu)化，得到最優(yōu)的加工走刀路徑；

所述步驟二中：

對(duì)被加工零件建立三維坐標(biāo)系，進(jìn)行數(shù)控加工起始換刀點(diǎn)、各個(gè)被加工特征臨界刀觸點(diǎn)及所有被加工特征的中心加工點(diǎn)三維坐標(biāo)的提取，將加工特征分為開(kāi)放式加工特征和封閉式加工特征；針對(duì)開(kāi)放式加工特征，一個(gè)加工特征設(shè)置兩個(gè)臨界刀觸點(diǎn)，其中心加工點(diǎn)坐標(biāo)為被加工特征的中心坐標(biāo)；針對(duì)封閉式加工特征，將臨界刀觸點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置在回轉(zhuǎn)中心位置處；

所述步驟三中：

以刀具走刀總空行程最小為目標(biāo)函數(shù)，刀具走刀總空行程為刀具經(jīng)過(guò)相鄰加工元特征之間空行程及刀具換刀空行程之和，刀具總空行程采用以下公式進(jìn)行表示：

上式中L代表刀具走刀總空行程，d_i,i-1代表相鄰兩加工元特征之間刀具走刀空行程，d_0,1代表起始換刀點(diǎn)到首個(gè)加工元特征的刀具走刀空行程，d_n,0代表末加工元特征到起始刀觸點(diǎn)的刀具走刀空行程，則目標(biāo)函數(shù)為min(L)；n代表加工元數(shù)目；

所述步驟四包含以下子步驟：

步驟4.1：針對(duì)不同加工元，其加工所采用的刀具可能不同，并且每一個(gè)加工元對(duì)應(yīng)一個(gè)刀具，同一刀具針對(duì)不同加工元特征進(jìn)行加工，需進(jìn)行不同加工元對(duì)應(yīng)加工刀具的整理，并進(jìn)行相應(yīng)的刀具矩陣的建立，以此來(lái)判斷加工元轉(zhuǎn)換時(shí)的刀具轉(zhuǎn)換情況；刀具矩陣建立方法如下：

刀具矩陣采用T進(jìn)行表示，其中T矩陣為n*n矩陣，n代表加工元數(shù)目；設(shè)T_n*n＝t(e,f),其中e，f代表不同加工元對(duì)應(yīng)的刀具，若t(e,f)＝1則代表兩加工元所采用的刀具不同，若t(e,f)＝0則代表兩加工元所采用的刀具相同；

由加工特征中心加工點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行各個(gè)加工元加工特征之間距離矩陣的建立，以方便數(shù)控加工走刀總空行程的計(jì)算；不同加工元加工特征之間距離采用歐式距離來(lái)進(jìn)行表示；從上述建立的刀具矩陣判斷，若采用同一刀具連續(xù)加工特征I,J，則所述步驟四中不同加工元加工特征距離計(jì)算公式為：

各個(gè)加工元加工特征與起始換刀點(diǎn)之間距離計(jì)算公式為：

若采用不同刀具連續(xù)加工特征I,J，則不同加工元加工特征距離計(jì)算公式為：

上式中，I、J分別代表不同加工元的被加工特征，(X(I),Y(I),Z(I))、(X(J),Y(J),Z(J))分別表示I、J所代表的特征的中心加工點(diǎn)三維坐標(biāo)，(X,Y,Z)表示起始換刀點(diǎn)坐標(biāo)，d(I,J)，D(I,J)分別表示不同被加工特征之間的歐式距離及不同被加工特征與起始換刀點(diǎn)之間的距離；

步驟4.2：依據(jù)先粗后精、先面后孔加工準(zhǔn)則進(jìn)行加工約束矩陣的建立；

所述步驟4.2中加工約束矩陣采用M進(jìn)行表示，其中M矩陣為n*n矩陣，n代表加工元數(shù)目；設(shè)M_n*n＝r(i,j),其中i，j代表不同加工元，若r(i,j)＝1則代表加工元i優(yōu)先于加工元j，若r(i,j)＝0則代表加工元j優(yōu)先于加工元i；并且當(dāng)前加工元被選擇以后，當(dāng)前加工元便不再對(duì)所有其余加工元產(chǎn)生約束效應(yīng)，即需對(duì)加工約束矩陣進(jìn)行更新處理，當(dāng)螞蟻遍歷完所有加工元后，加工約束矩陣恢復(fù)至最初狀態(tài)，繼續(xù)作為下一次迭代的約束矩陣；

步驟4.3：進(jìn)行可選加工集的建立；可選加工集即當(dāng)前可選加工元的集合，在蟻群遍歷加工元的過(guò)程中，選擇當(dāng)前加工元時(shí)需滿足兩個(gè)必要條件，一是當(dāng)前加工元未被選擇過(guò)，二是當(dāng)前加工元選擇需滿足上述步驟4.2中加工約束；

步驟4.4：螞蟻后續(xù)加工元選擇機(jī)制的建立；針對(duì)可選加工集中的加工元進(jìn)行選擇，采用加工元間轉(zhuǎn)移概率的計(jì)算及輪盤(pán)賭法進(jìn)行下一加工元的選擇；

加工元間轉(zhuǎn)移概率主要指在某一時(shí)刻，螞蟻針對(duì)可選加工集中加工元的選擇概率，其計(jì)算公式如下：

上式中r_ij(t)是指螞蟻在t時(shí)刻，加工元i和j之間的所存有的信息素，且在初始時(shí)刻時(shí)，螞蟻隨機(jī)所走的各條路徑上信息素一致，α與β分別表示信息啟發(fā)因子與期望啟發(fā)因子，η_ij表示加工元i轉(zhuǎn)移到j(luò)的期望程度，其值取為相鄰加工元加工特征之間的距離的倒數(shù)，j_k為加工可選集中加工元的集合；

所述步驟4.4中采用輪盤(pán)賭法的目的是希望期望程度更高的加工元擁有更大的概率被選擇作為下一加工元；

步驟4.5：進(jìn)行信息素更新原則的建立；當(dāng)螞蟻遍歷完所有的加工元時(shí)，信息素在各條行走路徑上需要按照下式進(jìn)行重新調(diào)整；

上式中，θ∈[0,1)表示螞蟻在其行走路徑上信息素的揮發(fā)系數(shù)，1-θ表示信息素留存系數(shù)，表示螞蟻k從加工元i到j(luò)之后，其行走路徑上信息素的增加量；

步驟4.6：基于改進(jìn)蟻群算法基于加工走刀總空行程最小進(jìn)行最優(yōu)加工工藝路線的建立；具體步驟如下：

①進(jìn)行優(yōu)化算法初始參數(shù)賦值；

②結(jié)合步驟4.1、4.2,將螞蟻放置在符合要求的加工元上；

③結(jié)合步驟4.4進(jìn)行下一加工元的選擇；

④所有螞蟻遍歷完所有加工元，進(jìn)行加工路線的選擇，結(jié)合步驟4.5進(jìn)行信息素濃度的更新；

⑤完成基于改進(jìn)蟻群算法的加工走刀路徑初步優(yōu)化，得出較優(yōu)加工走刀工藝路線。

2.如權(quán)利要求1所述的大型復(fù)雜艙體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工走刀路徑優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟五中包括以下內(nèi)容：

結(jié)合步驟四中所得到的加工工藝路線，以起始換刀點(diǎn)為起始基準(zhǔn)點(diǎn)，結(jié)合步驟4.1按照貪心算法的思想，進(jìn)行刀具下一移動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)的選擇，依次尋找下一刀觸點(diǎn)，直至遍歷所有加工元，得到艙體結(jié)構(gòu)件最優(yōu)加工走刀路徑；

步驟5.1：進(jìn)行加工特征坐標(biāo)點(diǎn)的排序；結(jié)合步驟4.6所獲得的加工工藝路線，采取一一對(duì)應(yīng)的原則進(jìn)行加工元加工特征坐標(biāo)點(diǎn)的排序；

步驟5.2：進(jìn)行起始刀觸點(diǎn)的選擇；以起始換刀點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)第一個(gè)加工元加工特征起始刀觸點(diǎn)進(jìn)行選取，其選取原則為選擇離基準(zhǔn)點(diǎn)最近的臨界刀觸點(diǎn)作為起始刀觸點(diǎn)；

步驟5.3：進(jìn)行終止刀觸點(diǎn)的選擇；若此加工元加工特征為封閉式輪廓，則其終止換刀點(diǎn)與起始換刀點(diǎn)相同；若此加工元加工特征為開(kāi)放式輪廓，則終止刀觸點(diǎn)選擇原則為選擇距離下一加工元加工特征中心坐標(biāo)點(diǎn)最近的臨界刀觸點(diǎn)作為終止刀觸點(diǎn)；

步驟5.4：進(jìn)行下一加工始末刀觸點(diǎn)的選擇；以上一加工元加工特征終止刀觸點(diǎn)作為新的基準(zhǔn)點(diǎn)；若刀具轉(zhuǎn)移至下一加工元加工特征不進(jìn)行換刀，則轉(zhuǎn)至步驟5.2、5.3；若刀具轉(zhuǎn)移至下一加工元加工特征進(jìn)行換刀，其起始刀觸點(diǎn)選擇原則為選取距離起始換刀點(diǎn)最近的臨界刀觸點(diǎn)作為其起始刀觸點(diǎn)；若此加工元加工特征為封閉式輪廓，則其終止換刀點(diǎn)與起始換刀點(diǎn)相同；若此加工元加工特征為開(kāi)放式輪廓，則終止刀觸點(diǎn)選擇原則為選擇距離下一加工元加工特征中心坐標(biāo)點(diǎn)最近的臨界刀觸點(diǎn)作為終止刀觸點(diǎn)；

步驟5.5：依次采取上述步驟5.2、5.3、5.4進(jìn)行各加工元加工特征始末刀觸點(diǎn)的選取，得出最短數(shù)控加工刀具走刀路徑。