[发明专利]一种大型复杂舱体结构件数控加工走刀路径优化方法

权利要求书

1.一种大型复杂舱体结构件数控加工走刀路径优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对被加工零件的所有特征进行提取，针对各个加工特征对其所适用的加工方法进行表示；

步骤二：对被加工零件建立三维坐标系，进行数控加工起始换刀点、各个被加工零件的所有特征临界刀触点及所有被加工特征的中心加工点三维坐标的提取；

步骤三：针对大型复杂舱体结构件加工走刀空行程优化问题，进行以加工走刀总空行程最短的目标函数的建立；

步骤四：采用改进蚁群算法基于上述步骤三所建立的目标函数进行加工工艺路线的优化；

步骤五：基于贪心算法结合加工临界刀触点进行加工走刀路径的优化，得到最优的加工走刀路径；

所述步骤二中：

对被加工零件建立三维坐标系，进行数控加工起始换刀点、各个被加工特征临界刀触点及所有被加工特征的中心加工点三维坐标的提取，将加工特征分为开放式加工特征和封闭式加工特征；针对开放式加工特征，一个加工特征设置两个临界刀触点，其中心加工点坐标为被加工特征的中心坐标；针对封闭式加工特征，将临界刀触点坐标设置在回转中心位置处；

所述步骤三中：

以刀具走刀总空行程最小为目标函数，刀具走刀总空行程为刀具经过相邻加工元特征之间空行程及刀具换刀空行程之和，刀具总空行程采用以下公式进行表示：

上式中L代表刀具走刀总空行程，d_i,i-1代表相邻两加工元特征之间刀具走刀空行程，d_0,1代表起始换刀点到首个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触点的刀具走刀空行程，则目标函数为min(L)；n代表加工元数目；

所述步骤四包含以下子步骤：

步骤4.1：针对不同加工元，其加工所采用的刀具可能不同，并且每一个加工元对应一个刀具，同一刀具针对不同加工元特征进行加工，需进行不同加工元对应加工刀具的整理，并进行相应的刀具矩阵的建立，以此来判断加工元转换时的刀具转换情况；刀具矩阵建立方法如下：

刀具矩阵采用T进行表示，其中T矩阵为n*n矩阵，n代表加工元数目；设T_n*n＝t(e,f),其中e，f代表不同加工元对应的刀具，若t(e,f)＝1则代表两加工元所采用的刀具不同，若t(e,f)＝0则代表两加工元所采用的刀具相同；

由加工特征中心加工点坐标，进行各个加工元加工特征之间距离矩阵的建立，以方便数控加工走刀总空行程的计算；不同加工元加工特征之间距离采用欧式距离来进行表示；从上述建立的刀具矩阵判断，若采用同一刀具连续加工特征I,J，则所述步骤四中不同加工元加工特征距离计算公式为：

各个加工元加工特征与起始换刀点之间距离计算公式为：

若采用不同刀具连续加工特征I,J，则不同加工元加工特征距离计算公式为：

上式中，I、J分别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))分别表示I、J所代表的特征的中心加工点三维坐标，(X,Y,Z)表示起始换刀点坐标，d(I,J)，D(I,J)分别表示不同被加工特征之间的欧式距离及不同被加工特征与起始换刀点之间的距离；

步骤4.2：依据先粗后精、先面后孔加工准则进行加工约束矩阵的建立；

所述步骤4.2中加工约束矩阵采用M进行表示，其中M矩阵为n*n矩阵，n代表加工元数目；设M_n*n＝r(i,j),其中i，j代表不同加工元，若r(i,j)＝1则代表加工元i优先于加工元j，若r(i,j)＝0则代表加工元j优先于加工元i；并且当前加工元被选择以后，当前加工元便不再对所有其余加工元产生约束效应，即需对加工约束矩阵进行更新处理，当蚂蚁遍历完所有加工元后，加工约束矩阵恢复至最初状态，继续作为下一次迭代的约束矩阵；

步骤4.3：进行可选加工集的建立；可选加工集即当前可选加工元的集合，在蚁群遍历加工元的过程中，选择当前加工元时需满足两个必要条件，一是当前加工元未被选择过，二是当前加工元选择需满足上述步骤4.2中加工约束；

步骤4.4：蚂蚁后续加工元选择机制的建立；针对可选加工集中的加工元进行选择，采用加工元间转移概率的计算及轮盘赌法进行下一加工元的选择；

加工元间转移概率主要指在某一时刻，蚂蚁针对可选加工集中加工元的选择概率，其计算公式如下：

上式中r_ij(t)是指蚂蚁在t时刻，加工元i和j之间的所存有的信息素，且在初始时刻时，蚂蚁随机所走的各条路径上信息素一致，α与β分别表示信息启发因子与期望启发因子，η_ij表示加工元i转移到j的期望程度，其值取为相邻加工元加工特征之间的距离的倒数，j_k为加工可选集中加工元的集合；

所述步骤4.4中采用轮盘赌法的目的是希望期望程度更高的加工元拥有更大的概率被选择作为下一加工元；

步骤4.5：进行信息素更新原则的建立；当蚂蚁遍历完所有的加工元时，信息素在各条行走路径上需要按照下式进行重新调整；

上式中，θ∈[0,1)表示蚂蚁在其行走路径上信息素的挥发系数，1-θ表示信息素留存系数，表示蚂蚁k从加工元i到j之后，其行走路径上信息素的增加量；

步骤4.6：基于改进蚁群算法基于加工走刀总空行程最小进行最优加工工艺路线的建立；具体步骤如下：

①进行优化算法初始参数赋值；

②结合步骤4.1、4.2,将蚂蚁放置在符合要求的加工元上；

③结合步骤4.4进行下一加工元的选择；

④所有蚂蚁遍历完所有加工元，进行加工路线的选择，结合步骤4.5进行信息素浓度的更新；

⑤完成基于改进蚁群算法的加工走刀路径初步优化，得出较优加工走刀工艺路线。

2.如权利要求1所述的大型复杂舱体结构件数控加工走刀路径优化方法，其特征在于，所述步骤五中包括以下内容：

结合步骤四中所得到的加工工艺路线，以起始换刀点为起始基准点，结合步骤4.1按照贪心算法的思想，进行刀具下一移动坐标点的选择，依次寻找下一刀触点，直至遍历所有加工元，得到舱体结构件最优加工走刀路径；

步骤5.1：进行加工特征坐标点的排序；结合步骤4.6所获得的加工工艺路线，采取一一对应的原则进行加工元加工特征坐标点的排序；

步骤5.2：进行起始刀触点的选择；以起始换刀点为基准点，对第一个加工元加工特征起始刀触点进行选取，其选取原则为选择离基准点最近的临界刀触点作为起始刀触点；

步骤5.3：进行终止刀触点的选择；若此加工元加工特征为封闭式轮廓，则其终止换刀点与起始换刀点相同；若此加工元加工特征为开放式轮廓，则终止刀触点选择原则为选择距离下一加工元加工特征中心坐标点最近的临界刀触点作为终止刀触点；

步骤5.4：进行下一加工始末刀触点的选择；以上一加工元加工特征终止刀触点作为新的基准点；若刀具转移至下一加工元加工特征不进行换刀，则转至步骤5.2、5.3；若刀具转移至下一加工元加工特征进行换刀，其起始刀触点选择原则为选取距离起始换刀点最近的临界刀触点作为其起始刀触点；若此加工元加工特征为封闭式轮廓，则其终止换刀点与起始换刀点相同；若此加工元加工特征为开放式轮廓，则终止刀触点选择原则为选择距离下一加工元加工特征中心坐标点最近的临界刀触点作为终止刀触点；

步骤5.5：依次采取上述步骤5.2、5.3、5.4进行各加工元加工特征始末刀触点的选取，得出最短数控加工刀具走刀路径。