火箭壁板快速模型定義與型腔加工一體化方法

鄭　驥，張朋朋，韓　寧ZHENG Ji，　ZHANG Peng-peng，　HAN Ning（1.首都航天機械公司，北京 100076；2.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；3.北京航空航天大學，北京 100191）

火箭壁板快速模型定義與型腔加工一體化方法

鄭驥，張朋朋，韓寧
ZHENG Ji，ZHANG Peng-peng，HAN Ning
（1.首都航天機械公司，北京 100076；2.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；3.北京航空航天大學，北京 100191）

火箭貯箱壁板普遍采用機械銑切成形方式，傳統(tǒng)建模和編程方法難以快速生成壁板模型和高效的型腔加工軌跡。基于壁板加工特征，從模型定義與型腔加工一體化角度，研究火箭壁板快速建模及加工軌跡快速生成方法。基于火箭壁板特征，提取了特征參數(shù)，采用參數(shù)化特征定義方法，完成了快速模型定義；通過開發(fā)特征識別函數(shù)，實現(xiàn)了型腔加工輪廓與參數(shù)的提取；提出面向幾何作圖的型腔加工軌跡生成新算法，能快速生成高效的型腔加工軌跡。為驗證本文方法的有效性，在UG平臺上開發(fā)了火箭壁板模型定義與型腔加工一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)了火箭壁板模型的快速定義與型腔加工軌跡的快速生成，加工軌跡滿足高速高效加工的要求。

壁板參數(shù)化特征定義；模型定義與型腔加工一體化；型腔加工軌跡生成算法

0　引言

貯箱是運載火箭的重要組成部分，承載了飛行過程中的全部燃料。為滿足新一代火箭輕量化的要求，貯箱壁板采用機械銑切成形技術。因此，火箭貯箱壁板模型中包含大量的型腔特征，根據(jù)形狀可分為正三角形型腔、正方形型腔、梯形型腔等，如圖1所示。目前，工藝人員采用UG軟件的傳統(tǒng)操作方式進行壁板模型的定義與型腔加工編程工作。壁板定義在草繪狀態(tài)下進行，逐步完成繪制草圖、選擇基準、創(chuàng)建約束等操作；加工編程通過逐一點選型腔進行軌跡創(chuàng)建。每次加工壁板之前，都要花費大量的時間和精力進行UG軟件環(huán)境下的壁板定義工作，每次加工時都要重新點選加工型腔設定工藝參數(shù)信息，嚴重制約產(chǎn)品的研制進度。而且，大多數(shù)CAM系統(tǒng)自動生成的軌跡存在尖角過渡問題，如圖2所示。為避免高速銑切在尖角處產(chǎn)生的沖擊，加工速度會減至原速的30%，嚴重影響加工效率。

圖1　火箭貯箱壁板模型

圖2　目前型腔加工軌跡

這種零散的模型定義和加工編程方式，使得設計員方法、思路各自不同，沒有統(tǒng)一的標準，沒有可繼承性和共享性，也不利于統(tǒng)一的符合標準的二維圖的生成，存在重復工作、效率低下的問題。因此，研究壁板快速定義方法，以實現(xiàn)模型定義與加工軌跡生成自動化、快速化、一體化成了目前亟待解決的問題。針對類似的建模與加工問題，張寶源等人提出了復合彎扭渦輪葉片尾縫的快速建模［1］方法，通過截面線自動匹配算法創(chuàng)建尾縫工具體，結合UG Open API工具解決了復合彎扭葉片尾縫的精確建模問題；王友麗等提出了基于UG的蝸輪殼建模［3］方法，采用參數(shù)化建模技術，完成了蝸輪殼實體造型；丁剛強提出了Pro/E參數(shù)建模結合UG編程實現(xiàn)整體葉輪加工［4］方法，利用Pro/E進行參數(shù)化建模后導入UG進行加工編程；相關的還有基于二次開發(fā)的裝配建模，UG零部件三維快速建模，以及基于UG/KF和UDF的產(chǎn)品快速設計［5～7］等方法。但目前并沒有基于特征的壁板快速模型定義與型腔加工一體化方法，因此從特征定義方式研究壁板快速建模與加工一體化方法是目前亟待解決的問題。

本文從壁板型腔特征入手，研究基于特征的模型定義方式以實現(xiàn)加工軌跡的快速生成，同時采用面向幾何作圖的規(guī)則型腔軌跡生成算法優(yōu)化加工軌跡，以實現(xiàn)壁板的快速特征定義與型腔加工一體化，提高壁板的加工效率和加工程序的一致性。

1　基于特征的壁板模型快速定義

實現(xiàn)壁板特征定義與型腔加工一體化的根本在于數(shù)據(jù)的一致性和共享性，只要模型數(shù)據(jù)可以傳遞到公共平臺，再利用特征識別技術進行模型參數(shù)提取，即可用于加工軌跡的生成。因此，重點在于模型可識別的情況下實現(xiàn)壁板模型的快速特征定義。目前，針對UG的快速定義的方法主要有以下四種：1）關系表達式法（創(chuàng)建容易、直觀，但操作步驟繁瑣、效率低）；2）電子表格建立零件族法（創(chuàng)建直觀、簡單，但存儲的參數(shù)種類有限）；3）用戶自定義特征法（方便進行用戶化封裝特征集，但UDF庫管理不便）；4）UG/OPEN API 或UG/OPEN GRIP編程法（可創(chuàng)建良好的用戶界面，調用、編輯方便快捷，但編程工作量很大）［2，8］。對于壁板結構而言，包含毛坯、輔助筋、吊裝孔以及數(shù)量繁多的各類型腔。鑒于對以上四種方法的分析，我們提出了一種參數(shù)化的特征定義方法，能夠在模型可識別的基礎上實現(xiàn)壁板模型的快速定義。

壁板模型的參數(shù)化特征定義，即利用模型特征，進行結構分析，創(chuàng)建參數(shù)化模板，輸入基本數(shù)據(jù)后，利用特征參數(shù)完成對模型的調用，以實現(xiàn)壁板型腔的快速特征定義。結合壁板結構，將整張壁板劃分為型腔區(qū)域和余量區(qū)域。然后將型腔區(qū)域根據(jù)型腔類型進一步細化，可分為正三角型腔、梯形型腔等特征；余量區(qū)域根據(jù)結構類型進一步劃分，可分輔助筋、吊裝孔等結構較簡單的特征。根據(jù)特征關系，對余量區(qū)域特征、型腔區(qū)域規(guī)則特征采用參數(shù)化驅動方式，實現(xiàn)快速、準確的特征定義。

參數(shù)化特征定義具體步驟：首先定義壁板的基本尺寸信息，包含壁板的長寬及厚度、型腔區(qū)域的邊界等；其次定義型腔區(qū)域基本尺寸信息，包含壁板厚度、高度及間距等；最后按照壁板的組裝運輸要求定義余量區(qū)域基本尺寸信息，包含輔助筋個數(shù)、吊裝孔個數(shù)等（特征尺寸如表1所示）。用戶可設計所需壁板的尺寸以及型腔個數(shù)、尺寸等信息，利用參數(shù)化尺寸驅動，直接得到所需壁板模型。

2　基于特征識別的型腔加工參數(shù)提取

表1　特征尺寸表

壁板特征定義完成后，模型即可通過特征參數(shù)調用生成。通過特征識別，即用戶選取型腔加工平面后，利用二次開發(fā)函數(shù)對壁板型腔、凸臺等特征進行自動識別，獲取型腔加工輪廓以及尺寸參數(shù)。通過定義共面或顏色屬性的方式，遍歷所有與加工型腔同類型的型腔，然后通過限制條件將手動剔除的不符合后續(xù)軌跡生成操作的型腔剔除。遍歷所有同類型且符合加工要求的型腔后就可以對其就行批量操作，包括加工參數(shù)選取、加工軌跡生成等。

在此過程中，應用選擇判斷函數(shù)，以獲取同類型特征進行后續(xù)批量處理。調出所選關鍵面或關鍵邊幾何特征參數(shù)（關鍵面包括蒙皮厚度、面類型、包含邊類型及長度等參數(shù)；關鍵邊包括所在面、相對其余邊位置、邊長等參數(shù)），在原模型庫中檢索面或邊幾何信息，選擇與關鍵面或關鍵邊幾何參數(shù)相同的，調出進行標記。調出后，針對同類型底面可進行顏色標記，放入統(tǒng)一同類型底面庫中。其中，型腔加工軌跡的生成通過軌跡生成算法實現(xiàn)?？紤]到火箭壁板某幾類型腔數(shù)量眾多這一特點，本文還進行了型腔的批量選擇處理，定義批量處理算法，自動選取與加工型腔類型相同的型腔后，批量進行同類型型腔加工軌跡的生成。因此，需要針對壁板特征，開發(fā)加工軌跡生成算法。將開發(fā)后的軌跡嵌入上述型腔加工軌跡生成模塊，即可實現(xiàn)加工軌跡的自動化生成，從而實現(xiàn)特征定義與加工自動化、快速化、一體化。圖3為型腔特征識別效果圖。

圖3　型腔特征識別效果圖

3　面向幾何作圖的型腔加工軌跡生成

型腔加工軌跡分為型腔間走刀軌跡和型腔內(nèi)加工軌跡兩部分。將每個型腔看成一個單位，整體壁板就是平行型腔的規(guī)則排布。型腔間軌跡相對每個型腔來說，軌跡有行式和環(huán)式兩種。因為整體壁板上的型腔的平行并規(guī)則排布的，所以本文結合了橫向優(yōu)先、縱向優(yōu)先兩種排列方式，并采用行式軌跡中的雙向行式軌跡進行型腔間的移刀，如圖4所示。

圖4　型腔間雙向行式軌跡

針對型腔內(nèi)加工軌跡，結合參數(shù)化特征定義方式，對常用的型腔加工軌跡進行研究，應用了一種面向幾何作圖的規(guī)則型腔軌跡生成算法。算法依據(jù)螺旋線走刀原理，從型腔邊界出發(fā)，由外圈向內(nèi)圈依次確定軌跡必經(jīng)點，從型腔輪廓中心附近進刀，螺旋線式逐層向外擴展，每一切削循環(huán)均采用直線與圓弧首尾相切的相接方式，路徑曲線滿足一階連續(xù)，最終形成線段圓弧式軌跡［9］，如圖5所示。結合型腔特征，本文優(yōu)化了正三角形、四邊形等類型的型腔加工軌跡，如圖6所示。

圖6　優(yōu)化后型腔加工軌跡（正三角形、正方形、梯形、五邊形）

4　驗證

基于UG平臺開發(fā)特征定義與型腔加工一體化系統(tǒng)，以驗證提出方法的有效性。主要驗證內(nèi)容為四個方面：1）型腔特征定義可以實現(xiàn)火箭壁板型腔的模型創(chuàng)建；2）特征識別可以獲取壁板型腔參數(shù)并用于加工軌跡的自動化生成；3）面向幾何作圖的型腔加工軌跡算法滿足高速加工要求，并可以提高加工效率；4）應用上述三點技術可以實現(xiàn)快速特征定義與型腔加工一體化。系統(tǒng)包含壁板特征定義模塊，通過定義壁板邊界尺寸以及型腔尺寸等實現(xiàn)特征參數(shù)對模型的調用，自動生成壁板模型（如圖7左圖所示）；同時，系統(tǒng)包含型腔加工軌跡生成模塊，通過設置加工方式及工藝參數(shù)實現(xiàn)型腔加工軌跡的自動生成（如圖7右圖所示）；最終模型及加工效果如圖8所示。

圖7　“特征定義與加工軌跡生成一體化”系統(tǒng)

圖8　型腔加工軌跡自動生成效果圖

特征定義過程由表1特征參數(shù)驅動，完成壁板模型的創(chuàng)建，圖8即為本文開發(fā)系統(tǒng)生成的壁板模型，滿足第一項要求；加工軌跡自動化模塊結合了型腔特征定義方式，利用特征識別（如圖3所示）進行型腔的批量處理，實現(xiàn)了型腔加工軌跡的自動生成（圖8為UG中顯示軌跡，試切效果如圖9右圖所示），滿足第二項要求；兩模塊均與UG無縫對接，即可通過UG完成模型正確性、加工軌跡正確性驗證，系統(tǒng)實現(xiàn)了特征定義與型腔加工一體化，滿足第四項要求。

經(jīng)驗證，自動生成的加工軌跡光滑且連續(xù)，滿足高速加工要求。如表2所示，以型腔區(qū)域為500mm×400mm，包含474個待加工型腔的壁板，普通龍門數(shù)控三軸銑床Φ20銑刀粗加工、Φ12銑刀精加工為例，優(yōu)化前后，特征定義時間從8小時縮短為5分鐘，加工時編程時間從3小時縮短為3分鐘，型腔加工時間從4天縮短為3天，模型定義與型腔加工效率大幅提高，滿足第三項要求。由此可見，本文的方法不僅實現(xiàn)了快速型腔特征定義，實現(xiàn)了型腔加工軌跡快速生成，實現(xiàn)了壁板特征定義與型腔加工一體化，而且切實提高了建模與加工效率。

圖9　試切實驗對比（左為UG傳統(tǒng)軌跡，右為優(yōu)化軌跡）

5　結論

表2　優(yōu)化前后效率對比

本文從特征定義與型腔加工一體化的角度，提出了基于特征的壁板模型快速定義、基于特征識別的型腔加工參數(shù)提取、面向幾何作圖的型腔加工軌跡生成等方法，并加入綜合應用，實現(xiàn)壁板的快速建模，提高了加工效率。本文提出的方法，還可以應用到其他具有類似成形特征的零件建模與加工過程中，提高建模與加工效率，實現(xiàn)建模加工一體化。

［1］ 張寶源，席平，楊炯，等.復合彎扭渦輪葉片尾縫的快速建模［J］.北京航空航天大學學報，2014，40（1）:48-53.

［2］ 于新.基于UG NX陣列特征的結構建模技術研究［J］.電腦知識與技術，2014，（1）:199-201，206.

［3］ 王友利，代立明.基于UG的蝸輪殼建模方法研究［J］.機械工程與自動化，2013，（3）:28-29.

［4］ 丁剛強.整體葉輪五軸數(shù)控加工技術的研究［J］.制造技術與機

【】【】床，2013，（4）:100-103.

［5］ M.J.Zhou，J.C.Zhang，X.J.Zhao，Q.Y.Ma，Study on Parametric Assembly Modeling of Standard Parts with Assembly Level of Mold Based on UG Secondary Development［J］.Advanced Materials Research，2012，12:694-690.

［6］ 梁玉.UG零部件三維快速建模研究［A］.中國航空學會動力專業(yè)分會、貴州黎陽航空發(fā)動機公司.中國航空學會第七屆動力年會論文摘要集［C］.中國航空學會動力專業(yè)分會、貴州黎陽航空發(fā)動機公司，2010:1.

［7］ 紀愛敏，黃全生，沈利斌，等.基于UG/KF和UDF的產(chǎn)品快速設計［J］.機床與液壓，2009，37（5）:159-161，73.

［8］ 張寧.基于UG的刀具CAD系統(tǒng)開發(fā)及三維參數(shù)化零件庫研究［D］.西北工業(yè)大學，2005.

［9］ Ji Zheng，Pengpeng Zhang，Yue Yin，LianShui Guo，Yue Yin，Ning Han，A new strategy of cavity cuttng trajectory generation in high speed machining［J］.IMECE2015-53700.

Method of quick model definition and cavity machining integration of rocket panel

TH164

A

1009-0134（2016）06-0070-04

2016-02-24

鄭驥（1984 -），男，湖北人，本科，主要從事高效數(shù)控加工以及大型薄壁件加工變性控制研究。