[发明专利]飞机复杂构件快速数控加工准备系统及方法

权利要求书

1.一种飞机复杂构件快速数控加工准备系统，该准备系统是建立在现有CAD/CAM系统平台上， 其特征在于：由工艺资源与知识库管理模块、快速毛坯生成模块、零件分类与工艺方案分析模块、自动 编程模块、快速工装生成模块、应力分析及变形控制模块、前后置处理模块以及工艺数据生成模块八大 模块组成，其中：

所述的现有CAD/CAM系统平台，为飞机复杂构件快速数控加工准备系统提供平台支撑，该准备系 统首先在该平台上建立飞机复杂构件数字化三维零件模型，并与该准备系统的八大模块进行数据交换， 辅助实现工装模型的定位、夹紧及生成，辅助生成零件的毛坯模型；然后利用现有CAD/CAM系统平台 的变形分析模块实现结构件加工过程中以及加工完后的变形分析；最后根据自动编程模块所构建的加工 单元应用现有CAD/CAM系统平台的数控加工模块辅助生成加工操作树并进行刀轨计算和加工仿真；

所述的工艺资源与知识库管理模块，为该准备系统提供基础支撑数据、支撑数据库与其他模块进行 数据交换的接口，以及支撑数据库的管理，其中支撑数据库包括工艺知识库、机床参数库、工件材料库、 刀具参数及材料库、数控加工切削参数库、工装标准件库、工装典型件库、工装检验样板模型库和工装 设计知识库；另外通过建立其他模块与支撑数据库的数据接口，实现不同模块间的数据传输、调用与管 理，完成支撑数据库与整个飞机复杂构件快速数控加工准备系统的连接，将支撑数据库与整个飞机复杂 构件快速数控加工准备系统关联在一起，实现数据资源的共享与管理；支撑数据库的管理包括各种支撑 数据的查询、删除、插入、修改、保存以及推理，方便各种支撑数据的查看与更新；

所述的快速毛坯生成模块，根据零件模型、毛坯类型以及其它工艺约束条件自动确定零件各个部位 的加工余量，生成毛坯模型；

所述的零件分类与工艺方案分析模块，首先对现有的飞机复杂构件数字化三维零件模型进行分类并 定义出这些零件中不同的典型特征及结构；然后结合工艺资源与知识库管理模块中的工艺知识库确定各 种零件对应的加工方案，包括确定各种特征及结构的加工方法、装夹方法、刀具推荐、切削参数推荐以 及机床推荐；

所述的自动编程模块，首先根据飞机复杂构件数字化三维零件模型进行整体零件的加工特征识别， 获取零件的所有加工特征；其次根据零件模型、零件类型、加工侧个数、毛坯类型、毛坯模型以及特征 识别结果，再结合工艺资源与知识库管理模块中的支撑数据，进行知识推理生成零件的加工方案，其中 加工方案采用多叉树进行表示，与实际的加工工艺过程相对应，即生成加工方案结构树；然后根据不同 加工阶段及加工特征几何参数自动选取各加工阶段不同特征采用的刀具，并根据不同零件的加工工艺知 识自动进行知识推理确定结构件中不同特征的加工顺序；再根据特征识别结果、刀具选取结果以及加工 方案结构树，自动在现有CAD/CAM系统平台的数控加工模块中生成加工操作树，并对每个加工操作自 动设置加工几何参数、加工策略参数、刀具参数、切削参数以及加工过渡连接，进而实现加工文件的自 动生成；最后进行刀轨计算和加工仿真，并在加工过程中进行切削参数分析，实现切削参数的优化选取；

所述的快速工装生成模块，首先快速确定当前工序需要的夹紧和定位位置，快速确定零件的装夹方 案，其次由应力分析及变形控制模块对这种装夹方案进行变形分析获取优化的工装方案，再结合人机交 互快速确定夹紧与定位器类型，最后从工艺资源与知识库管理模块的工装典型件库及工装标准件库中 调用对应的定位及夹紧装置模型，并进行相应的定位与安装；

所述的应力分析及变形控制模块，用于优化工装和切削参数，作为该准备系统的辅助模块，在工装 装夹完成后，模拟分析加工过程中工件表面应力分布，并分析加工完成后工件表面残余应力分布和工件 上各夹紧点位置的材料变形，然后计算出零件在加工后工件的变形量；根据分析和计算结果，调整工装 的结构方案和切削参数，以控制工件的变形；

所述的前后置处理模块，用于实现不同数控系统的数控程序之间的转换，其中前置处理模块用于现 有CAD/CAM系统平台加工文件转换成中间代码APT文件，后置处理模块用于将该APT文件转换成不 同数控系统的加工代码，并且针对不同数控系统的数控程序，实现不同数控系统的数控程序相互之间的 自由转换；

所述的工艺数据生成模块，提取出零件加工工艺规程中的各项内容，然后添加到工艺表单中，生成 加工工艺卡、加工工序卡、数控刀具卡、装夹图及零件设定卡。

2.一种如权利要求1所述的飞机复杂构件快速数控加工准备系统的实现方法，其特征在于：具体步 骤如下：

步骤1)：进入现有CAD/CAM系统平台的数控加工模块，并进入飞机复杂构件快速数控加工准备系 统，载入已有的飞机复杂构件数字化三维零件模型；

步骤2)：进行零件基本信息的设定，具体有：(1)零件的类型：包括壁板、框、梁、肋、长桁、接头 以及缘条；(2)加工侧个数信息：包括单面、双面以及多面；(3)毛坯类型：包括板材、型材、锻件以及铸 件；

步骤3)：结合零件模型的工艺特点对零件模型进行质量检测，并对不能满足实际工艺要求的局部错 误结构进行相应的修正，使零件模型满足加工工艺要求，以保证输入到该准备系统八大模块中的零件模 型的正确性；

步骤4)：进入快速毛坯生成模块，由步骤2)中设定的零件类型确定该零件的毛坯类型，首先对零件 模型进行毛坯加工余量分析，然后结合毛坯类型和毛坯加工余量，再辅以适当的人机交互，在零件模型 的基础上快速生成毛坯模型，最后由零件模型和毛坯模型组成加工模型；

步骤5)：进入自动编程模块，首先需要根据步骤2)中设定的零件类型与加工侧个数信息为每个加工 侧设定对应的加工坐标系，然后在每个加工坐标系下对零件的所有拓扑面进行面类型识别，并按照面类 型识别结果进行组孔操作，包括埋头孔、沉头孔、锥孔及圆柱直孔的识别与构建，对组成的横向孔和斜 向孔进行删除操作，以方便后续的特征识别；在当前加工坐标系下，采用基于分层思想的广义槽特征识 别方法对零件进行加工特征识别，即创建分层层面与零件实体求交并获取出每层的交线环，然后提取出 交线环中边线依赖的面，再由交线环中不同边线之间的连接关系将这些边线依赖的面进行组合，进而组 成广义槽特征，再根据纵向面之间的关联关系构建出飞机复杂构件广义槽特征结构树；

步骤6)：经过步骤5)中的特征识别后，人工交互设定是否载入现有的相似零件加工方案，如果选择 “是”则从加工方案库中自动匹配相似零件的加工方案，以列表形式在该准备系统界面上表现出来，再 次由人工交互进行优化选取；否则进入零件分类及工艺方案分析模块，根据工艺经验知识和零件类型进 行知识推理，确定当前零件的基本加工方案，包括机床信息、加工侧个数信息及总体的加工阶段划分， 再根据零件特征信息以及总体的加工阶段划分，自动选取刀具，确定各加工阶段过程中加工不同特征所 需要的刀具参数和切削参数，将基本加工方案和刀具选取结果进行合并，即生成推荐的零件加工方案； 通过上述两种方式生成零件加工方案后，进入加工方案交互修改界面，该界面采用多叉树结构表达零件 整个加工工艺过程，该树包含零件节点、机床节点、加工侧节点、工序节点、工步节点、程序节点及刀 具节点，然后人工对加工方案进行交互修改与检查，最后确认保存；如果为初次加工的零件，其加工方 案自动添加到加工方案库中，以供下次相似零件的调用，保证方案的统一性和规范性；

步骤7)：再次进入自动编程模块，首先从步骤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，并用这些刀具匹配步骤5)中提取的加工特征信息，使加工特征与刀具进行关联，保证加工特征在 不同的加工阶段有合适的刀具进行加工；然后结合加工方案，以及加工特征与刀具的对应信息，构建零 件的加工单元，主要有：<1>粗加工单元构建：采用分层粗加工思想，首先对加工特征进行优化分层， 然后获取每个层面的加工几何导引线环，并进行相应的修正，另外再结合底面、顶面、刀具参数、切削 参数、加工策略参数以及加工过渡连接，即完成粗加工单元的构建；<2>侧壁精加工单元构建：参照粗 加工单元构建方式，获取加工特征精加工的加工几何导引线，再结合底面、顶面、刀具参数、切削参数、 加工策略参数以及加工过渡连接，构建精加工单元；最后根据加工方案结构树，自动在现有CAD/CAM 系统平台中生成加工操作树，其中加工操作是一个具体加工单元信息的集合，包含加工当前特征的加工 策略参数、加工参数、几何参数、刀具参数以及加工宏过渡连接，再对加工操作树中所有的加工操作进 行刀轨计算和加工仿真，并对存在问题的刀轨进行修正；

步骤8)进入快速工装生成模块，首先自动计算当前工序需要的夹紧和定位位置，其次从自动编程模 块生成的刀轨信息中提取离散的切削点，并进行夹紧力、支撑力与切削力的计算；然后进入到应力分析 及变形控制模块，在该模块中根据夹紧位置、定位位置、以及作用于这些位置上的力，建立零件加工过 程应力应变分析模型，由程序自动进行应力应变分析，如果变形结果不满足要求，则继续调整夹紧点和 定位点进行下一个方案的分析，直到获取到一个优化的工装方案，然后从工艺资源与知识库管理模块的 工装典型件库及工装标准件库中调用对应的定位及夹紧装置模型，并进行相应的定位与安装；

步骤9)工装三维模型生成完后，需要判断是否需要修正刀轨，如果是则需要对刀轨进行修正，防止 与工装三维模型产生干涉；如果不需要，则进入步骤10)；

步骤10)进入前后置处理模块，首先由前置处理模块将现有CAD/CAM系统平台的加工文件转换成 中间代码APT文件，然后再结合特定的数控机床代码格式，对其进行语义分析与解析，经过后置处理 模块生成相应的数控机床代码，保存到文件；将生成的数控机床代码进行加工仿真，查看是否存在过切 或残留区域，如果是则再次修改刀轨，直到生成的代码完全正确；

步骤11)最后进入工艺数据生成模块，首先根据自动编程模块生成的中间件三维模型自动实现由中 间件三维模型生成工序草图，其中工序草图包含中间件投影草图、加工坐标系、局部细节说明以及局部 尺寸标注；然后根据实际的工艺表单中的内容和格式，以及自动编程模块生成的加工方案，提取出加工 方案中的工艺数据信息，工艺数据信息包括机床、加工侧向、工序、工步、程序、刀具以及工装，并将 工艺数据信息的内容及工序草图自动添加到对应的工艺表单中，进而生成零件加工工艺规程中的相关卡 片，包括加工工艺卡、加工工序卡、数控刀具卡以及装夹图与零件设定卡。