航空蒙皮類零件刻型特征自動識別提取與自動編程方法

鐘柳春，陳良昊，朱志強

（上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，上海 201100）

刻型是蒙皮類零件刻型加工中的重要環(huán)節(jié)，刻型的質(zhì)量直接關(guān)系到蒙皮零件的加工質(zhì)量和精度。目前空客、波音、達索等國外先進航空制造企業(yè)，已將激光刻型技術(shù)應(yīng)用到了蒙皮類零件的化銑生產(chǎn)中，國內(nèi)航空企業(yè)也引進了激光刻型設(shè)備，且在部分蒙皮零件化銑工藝中實現(xiàn)了激光刻型技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工刻型［1］。

雖然激光刻型相對于傳統(tǒng)手工刻型優(yōu)勢明顯，但對數(shù)控編程提出了較高要求。工藝人員手動提取刻型線并編程操作繁瑣、消耗時間長、容易出錯。通過開發(fā)一套能夠?qū)崿F(xiàn)刻型線自動提取和刻型刀路自動生成的軟件系統(tǒng)，將可解決目前手動操作帶來的效率和質(zhì)量問題。

要實現(xiàn)自動提取刻型線，首先要對蒙皮零件進行特征識別，將需要化銑的區(qū)域特征識別出來。特征識別思想產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，是一種從零件的實體模型中抽取具有特定工程意義的形狀特征的方法［2］，經(jīng)過了30多年的研究，特征識別技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一些顯著的成果，涌現(xiàn)出基于規(guī)則方法［3］、基于圖方法［4］、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等多種特征識別方法［5］。近些年，為實現(xiàn)特征的個性化定義，學(xué)者們對通用的特征識別方法展開了一些探索。Wang Q和Yu X［6］提出了一種基于實體模型的特征識別框架，其中框架由將零件step 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為邊界表示的編譯器和特征庫構(gòu)成，特征表示由集體屬性、個體屬性和關(guān)系構(gòu)成［7］。然而現(xiàn)有方法主要面向機械加工領(lǐng)域的常規(guī)特征，難以識別富含曲面的復(fù)雜特征，且蒙皮零件模型在設(shè)計過程中由于曲率變化、格式轉(zhuǎn)換等問題產(chǎn)成了許多碎面，且包含大量相交特征，為特征識別增加了難度［8］。

在前人研究的基礎(chǔ)之上，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，針對蒙皮類零件，本文提出了一種基于基準(zhǔn)面的蒙皮類零件特征識別方法，通過CATIA_CAA 二次開發(fā)平臺，配合判斷相切連續(xù)的碎面組合、曲線偏置、基于弦高的曲線離散生成刀路、模擬退火算法對刀路排序，實現(xiàn)了自動提取刻型線和刻型線自動刀路編程。結(jié)合示例，驗證了算法的有效性和可行性。

1 特征識別

1.1 蒙皮零件特征識別技術(shù)難點

蒙皮零件模型從結(jié)構(gòu)的角度可以看作下陷特征、孔類特征、窗類特征等關(guān)鍵特征的組合，在化銑工藝中需要識別下陷特征作為加工面，而要識別下陷特征主要有以下難點：

（1） 碎面問題

碎面是由于曲率變化、不規(guī)范建模、跨平臺格式轉(zhuǎn)換等因素造成的，如圖1（b），碎面將完整的特征拆分成多個特征，增加了拓撲的復(fù)雜性，提高了特征識別的難度。

（2） 相交特征問題

相交特征是特征識別中一個公認(rèn)的難題，而包含自由曲面的相交特征更加困難，同時，加上碎面問題又使得不能用內(nèi)環(huán)或外環(huán)來簡單判斷是否屬于相交特征，使問題更加復(fù)雜，蒙皮零件上絕大多數(shù)加工面輪廓都屬于相交特征，如圖1（c）所示。

圖1 蒙皮零件模型Fig.1 Model of skin parts

1.2 .基于基準(zhǔn)曲面的蒙皮特征識別方法

下陷特征是蒙皮零件數(shù)量最多的特征，特征識別的目標(biāo)就是將下陷特征中的加工面自動提取出來如圖2，其中倒角面不屬于加工面，需要剔除。

圖2 下陷特征Fig.2 Caving feature

根據(jù)調(diào)研，可以認(rèn)為蒙皮零件的下陷特征等厚，即每個加工面上的每個點到毛胚背面或正面的距離近似相等，也就是加工面應(yīng)當(dāng)平行于毛胚背面或正面。這樣我們設(shè)毛胚背面或正面為基準(zhǔn)曲面，通過判斷蒙皮零件模型上的面與基準(zhǔn)面的平行關(guān)系來提取蒙皮的加工面，然后就可以組合加工碎面生成需要的刻型面，根據(jù)以上理論，設(shè)計出特征識別程序流程，如圖3。

圖3 計算流程Fig.3 Calculation procedure

流程的關(guān)鍵在于如何判斷兩個面是否平行以及組合碎面。

（1） 判斷平行面

如圖4，取待查面的中心位置點Ρ1，計算Ρ1 在待查面上的法向量Ρ1_Normal，將Ρ1 投影到基準(zhǔn)面，得到Ρ2，計算Ρ2 在基準(zhǔn)面上的投影Ρ2_Normal，如果Ρ1_Normal//Ρ2_Normal，則認(rèn)為兩曲面平行，Ρ1與Ρ2的距離distance就是該面的厚度。

圖4 判斷平行面Fig.4 Judgment of the parallel surface

（2） 組合的碎面

取待查面cSurface，遞歸計算與cSurface切線連續(xù)［9］的面集合List Group Surface，組成新面New Surface，如圖5，最后按厚度或深度分組對加工面進行排序顯示，如圖6。

圖5 組合碎面Fig.5 Combined broken surface

圖6 按深度分組顯示Fig.6 Display by depth

2 提取刻型線并生成編程刀路

2.1 程序流程

本文設(shè)計的提取刻型線并生成編程刀路程序流程，如圖7。

圖7 自動編程流程Fig.7 Process of automatic programming

2.2 提取刻型線

由于化學(xué)銑切的特殊性，需要將加工面的外輪廓線向內(nèi)偏置一個浸蝕余量才能得到需要的刻型輪廓線［10］，參考參數(shù)曲線等距偏置方法［11-13］得到結(jié)果，如圖8。

圖8 提取刻型線Fig.8 Extraction of the engraving lines

2.3 基于弦高的離散刻型線生成刀路

刀路軌跡由一個一個點位連接而成，在規(guī)劃刀路軌跡時，加工軌跡過渡應(yīng)當(dāng)盡量圓滑，即在曲率變化大的地方點位應(yīng)當(dāng)密集，而曲率變化不大的地方，點位可以稀疏［14-15］。

在離散刻型線時，通過控制弦高h的最大值，來保證刀路軌跡盡可能圓滑過渡并貼近理論線，如圖9，當(dāng)弦高h大于設(shè)定值時，繼續(xù)向下離散，直到弦高h小于設(shè)定值［16］，最終效果如圖10。

圖9 曲線離散Fig.9 Curve discrete

圖10 弦高與離散Fig.10 Sag and discrete

2.4 刻型刀路排序

在刻型刀路生成后，需要對刻型刀路進行排序，即保證刀路盡量不交叉且經(jīng)過的路徑最短，這是一個典型的旅行商問題（Travelling Salesman Ρroblem，TSΡ），這里使用模擬退火算法對刻型刀路排序［17-19］，用刀路仿真軟件CIMCO查看最終效果如圖11。

圖11 模擬退火算法排序Fig.11 Sorting by simulated annealing arithmetic

2.5 刀路仿真

在實際加工生產(chǎn)之前，需要對加工刀路進行刀路仿真，以驗證刀路的正確性，這里使用深度為0.5 mm 的刻型刀路在Vericut軟件中進行仿真，為了方便展示，加大了刻線寬度，實際刻線寬度應(yīng)小于0.2 mm，仿真結(jié)果如圖12。

圖12 仿真驗證Fig.12 Simulation and verification

2.6 方案驗證

本方案在虛擬機上單次計算時長30 s 以內(nèi)，對比人工操作大大提升了工作效率，同時對比另一方案單次計算需要3 min［20］，本方案計算速度顯著提高，經(jīng)過仿真示例驗證了方案程序的可行性。

3 結(jié)論

本文利用基于基準(zhǔn)曲面的特征識別算法，并結(jié)合曲面切向連續(xù)判斷組合碎面提取刻型面；再利用曲線偏置方法提取出刻型輪廓線，并通過基于弦高的曲線離散算法將刻型輪廓自動編程生成刻型刀路，最后通過模擬退火算法對刻型刀路排列組合，使其經(jīng)過的路徑最短且盡量無相交，最終達到了自動提取刻型線并自動編程的效果。