[发明专利]飞机结构件智能数控加工编程系统及方法

权利要求书

1.飞机结构件智能数控加工编程系统，该系统以CAD/CAM系统为平台，包括工艺资源与知识库管理模块及自动编程子系统，其特征在于：系统还包括模型检测模块、工艺方案自动生成模块、及数控程序智能优化模块；

所述的模型检测模块，负责对零件模型进行自动化检测，具体包括：（1）零件模型设计错误；（2）标注信息不完整；（3）结构工艺性不足；实现对零件模型正确性、工艺性的自动审查；根据审查结果，提示问题的类型、位置及修改的方法，并且针对一些常见错误进行自动修改；

所述的工艺方案自动生成模块，为实现工艺过程驱动的数控程序自动生成提供宏观的工艺方案，其中工艺方案采用多叉树表示，包括零件、机床、工位、工序、工步、程序、刀具、特征八级节点，可以描述宏观的加工工艺过程；通过工艺方案自动生成模块建立工艺方案模板库，对现有的飞机结构件进行分类并总结结构件的一般工艺流程，针对每类典型结构件建立了加工方案模板，包括机床、工位、工序、工步；然后，基于加工特征的制造资源选取方法选取机床、刀具、工装资源，并与加工方案模板相融合，自动生成飞机结构件的数控加工工艺方案；

所述的数控程序智能优化模块负责对智能编程过程中选取的资源、安排的加工顺序等进行优化，具体为：（1）刀具选取优化：采用基于切削体积比的粗加工刀具选取方法，根据给定的刀具库列表，从刀具库中依次按照直径大小计算结构件中每把刀具可切削的槽腔加工区域体积，当存在一把刀具可切削的体积大于80%的待加工区域体积，则认为该把刀具为合适的粗加工刀具；另外，以最短加工时间为优化目标，对转角加工和侧壁精加工刀具进行优化，对符合条件的转角加工特征和侧壁内外形加工选取多种刀具方案进行加工，通过计算不同方案下刀具的加工时间确定转角特征和侧壁内外形加工特征的刀具，实现转角特征和侧壁精加工刀具的优化选取；（2）粗加工分层优化：针对飞机结构件中的多下陷结构，以实现分层粗加工时间最少为前提，保证在粗加工后每个槽腔特征的底部腹板可采用精加工腹板刀具一刀完成加工的前提下，采用遗传算法对分层面进行智能优化，实现粗加工分层面的最少；（3）加工单元路径优化：分宏观层和刀具层两个层面进行优化；在宏观层，根据工艺方案描述的工艺过程，将所有的数控加工单元按照宏观的工艺过程，包括机床、工位、工序、工步及刀具，进行自动排序；在刀具层，对每把刀具关联的加工单元进行四级分组，首先将刀具关联的加工单元按照工步类型的不同分成多个二级单元组（包括两种类型：补加工单元组和目标加工单元组，其中补加工单元组在当前工步下对之前工步的补加工单元集，而目标加工单元则是当前工步指定要加工的单元集），并将补加工单元组先于目标加工单元组进行加工；其次，将补加工单元组根据加工单元所在工步的类型对其进行再次分组，形成三级单元组，并按照工艺流程顺序对这些三级单元组进行依次排序；再有，对三级单元组进行自上而下的整体分层排序，形成四级单元组；最后，以加工路径最短为优化目标，对四级单元组内的加工单元采用模拟退火算法进行路径优化排序，实现四级单元组内加工路径的优化。

2.根据权利要求1所述的飞机结构件智能数控加工编程系统，其特征在于：所述的自动编程子系统，主要包含：（1）自动特征识别：根据飞机结构件的三维几何模型和毛坯模型，采用分层特征识别方法进行零件的特征识别，获取零件所有的加工特征，并以树状结构形式存储特征识别结果；（2）工艺方案智能推理：根据零件类型、加工侧个数、毛坯类型及特征识别结果等条件，结合工艺资源与知识库模块中的支撑数据，进行智能知识推理从工艺方案模板库中自动推荐零件的加工方案模板；（3）刀具自动选取：基于特征的几何参数及加工阶段选取加工刀具，例如基于切削体积比的粗加工刀具选取；（4）加工单元智能构造与排序：将刀具融合到加工方案模板中形成完整的工艺方案，再由工艺方案描述的工艺过程驱动加工单元自动构造，即根据刀具的可加工能力，基于加工过程中的残留区域提取出每把刀具可加工的区域、智能推理选取最优加工操作并且计算出加工操作所需的几何参数，形成每把刀具的加工单元序列，由工艺方案与加工单元相融合构成完整的数控加工单元序列；（5）加工操作自动生成：将数控加工单元序列自动映射到CAD/CAM系统的“数控加工”模块中的加工操作树，并自动设置每个加工操作的几何参数、策略参数、刀具参数、速度参数以及进退刀连接，并进行刀轨计算和加工仿真。

3.一种如权利要求1所述飞机结构件智能数控加工编程系统的实现方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1）：进入CAD/CAM平台的“数控加工”模块，并进入“飞机结构件智能数控加工编程系统”，载入飞机结构件三维模型和毛坯模型；

步骤2）：进行零件基本信息的设定，具体有：（1）零件的类型：壁板、框、梁、肋、接头等；（2）加工侧个数：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）：进入模型检测模块，结合零件模型工艺性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，以保证输入零件模型的正确性；

步骤4）：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所有的拓扑面进行面类型识别，以此为基础识别埋头孔、沉头孔、椎孔、圆柱直孔等孔结构，并删除横向孔和斜向孔，便于特征识别的顺利实现；在每个加工坐标系下，采用基于分层加工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及其内外环关系，由该关系确定每层的加工区域，然后提取出交线环中边线依赖的零件拓扑面，再将交线环中所有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结构件广义槽特征结构树；

步骤5）：经过步骤4）中的特征识别后，人工交互选择是否载入现有的相似零件工艺方案，如果选择“是”则从加工方案库中智能搜索相似零件的工艺方案，再由人工通过交互的方式优化选取；否则进入工艺方案自动生成模块，根据工艺经验知识和零件类型进行知识推理，确定当前零件的工艺方案模板，包括机床、工位、工序、工步等，再基于加工特征自动选取刀具，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，并将加工方案模板和刀具选取结果进行合并，生成完整的工艺方案；通过上述方式构建工艺方案后，形成包含八级节点的树状结构，其中七级节点具体为：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、刀具节点及特征节点；人工可交互修改并且进行有效性检查，最后确认保存；如果零件为首次加工，其工艺方案将自动添加到加工方案库中；

步骤6）：再次进入自动编程模块，首先从步骤5）生成的工艺方案中提取出各工步使用的刀具，并基于几何的刀具选取方法，将刀具与加工特征建立匹配关系，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，根据工艺方案描述的宏观工艺流程以及刀具的可加工能力，并在残留区域实时计算的基础上求解出刀具的可加工区域、优化选取加工操作并计算加工操作所需的几何参数等信息以自动构建加工单元，完成飞机结构件数控加工单元序列的构建；

步骤7）：在步骤6）数控加工单元构建过程中，需要进入数控加工智能优化模块，进行粗加工分层优化、加工路径优化等优化工作，实现数控程序的优化；

步骤8）：最后，在CAM系统中，自动生成与飞机结构件数控加工单元序列对应的加工操作树，其中加工操作是使用一把刀具、一组加工参数及一条参数化刀轨所生成的加工程序，将每个加工单元的策略参数、加工参数、几何参数、刀具参数以及加工宏参数分别设置到对应的加工操作中，即可完成加工操作的自动生成，然后再对所有加工操作进行刀轨计算和加工仿真，即完成飞机结构件数控程序的智能编制；最后，通过前后置处理程序将数控加工刀轨转换为相应数控系统的NC代码。