飛機結(jié)構(gòu)件輪廓特征加工自動分區(qū)算法

高鑫，李仁政，王斌利，李衛(wèi)東，趙中剛

航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，成都 610091

飛機結(jié)構(gòu)件作為飛機骨架的重要組成部分，呈現(xiàn)大型化、復(fù)雜化發(fā)展趨勢，加工精度要求高[1-2]，對零件工藝設(shè)計提出了更高的要求。目前飛機結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計主要依賴人工經(jīng)驗，效率和質(zhì)量難以滿足新一代飛機研制要求。結(jié)構(gòu)件自動數(shù)控編程可顯著降低工藝人員工藝設(shè)計工作量，提升工藝設(shè)計效率和質(zhì)量。特征作為幾何和工藝知識的有效載體，是實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件自動數(shù)控編程的有效途徑。為實現(xiàn)基于特征的自動數(shù)控編程，需首先解決制造特征識別及基于特征的工藝決策問題，制造特征加工區(qū)域劃分是工藝決策中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此國內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于特征識別及加工區(qū)域劃分等研究工作，取得了顯著效果。

在特征識別方面，主要包括基于圖匹配的特征識別方法，基于體分解的特征識別方法，基于工藝知識的特征識別方法，基于智能算法的特征識別方法[3]。施建飛[4]等提出了一種基于屬性邊點圖的筋特征識別方法，可實現(xiàn)相交筋特征識別；劉雪梅[5]等針對復(fù)雜箱體零件提出了一種基于制造資源的特征識別方法，可提升特征識別結(jié)果的可制造性；周敏[6]等提出了一種記憶模糊推理的飛機結(jié)構(gòu)件平頂筋識別方法；Li[7]等提出了一種基于全息屬性面邊圖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件用戶自定義特征與識別方法，可適應(yīng)不同企業(yè)資源和工藝水平；Liu[8]等提出了一種基于歷史數(shù)據(jù)和無監(jiān)督聚類算法的特征定義方法，可實現(xiàn)工藝知識的重用；張舜[9]等提出了一種基于STEP和改進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的STEP-NC制造特征識別方法。Xu[10]等針對虛擬制造提出了一種基于NC代碼和過程模型的特征識別方法；Yan[11]等提出了一種基于漸進式Z-map的加工特征和特征拓撲識別算法；Zhang[12]等提出了一種基于深度三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加工特征學(xué)習(xí)方法，可實現(xiàn)從CAD(Computer Aided Design)模型中識別加工特征。

上述研究成果提供了系列成熟的特征識別方法，可基于零件模型實現(xiàn)制造特征自動識別，但上述方法在進行特征識別時未能有效考慮對零件加工產(chǎn)生直接影響的夾具、凸臺等干涉物信息。

在加工區(qū)域劃分方面，李春暉[13]等提出了飛機結(jié)構(gòu)件加工域識別構(gòu)建方法，可用于零件的自動數(shù)控編程；周剛[14]等提出了一種基于Z-map模型的加工區(qū)域邊界抽取算法；張鳴[15]等針對復(fù)雜型腔，提出了一種加工區(qū)域自動識別方法，可有效識別復(fù)雜型腔加工區(qū)域；張石磊[16]等針對飛機結(jié)構(gòu)件腹板特征，提出了一種基于環(huán)分析的腹板精加工區(qū)域自動創(chuàng)建方法；鄭祖杰[17]等針對飛機結(jié)構(gòu)件平頂筋提出了一種平頂筋頂面骨架分區(qū)計算方法；Heo[18]等提出了一種用于槽腔高速銑削加工區(qū)域劃分方法；劉少偉[19]等針對蒙皮鏡像銑提出了一種加工殘區(qū)識別方法；

上述方法針對具體特征能夠?qū)崿F(xiàn)加工區(qū)域劃分，可為后續(xù)自動編程提供基礎(chǔ)。

綜上所述，在加工特征識別和自動編程方面已經(jīng)形成了一系列研究成果，并能夠?qū)崿F(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件槽、筋、孔等典型特征的自動編程[20]。但上述技術(shù)在輪廓特征自動編程方面尚未取得實質(zhì)性突破。

由于飛機結(jié)構(gòu)件同飛機氣動外形相連接，使得輪廓特征中包含大量復(fù)雜曲面。此外在加工過程中，為實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件的夾緊定位，大多采用工藝凸臺進行裝夾。因此飛機結(jié)構(gòu)件輪廓特征編程時不僅需要考慮復(fù)雜曲面，還需要考慮工藝凸臺等外圍干涉物信息，而現(xiàn)有特征識別和加工區(qū)域劃分方法均未考慮與結(jié)構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的干涉物信息，導(dǎo)致在零件自動編程模式下，輪廓特征加工程序仍依賴人工經(jīng)驗進行編制，使得輪廓特征編程時間占結(jié)構(gòu)件編程時間的40%以上，嚴重影響了結(jié)構(gòu)件編程效率。

為實現(xiàn)輪廓特征自動編程需首先解決輪廓特征識別與加工自動分區(qū)問題。綜合考慮飛機結(jié)構(gòu)件輪廓特征復(fù)雜曲面及工藝凸臺等干涉物信息，提出輪廓特征識別與加工自動分區(qū)方法，從而為輪廓特征自動編程提供基礎(chǔ)。

1 輪廓特征加工自動分區(qū)算法

為解決輪廓特征識別與加工自動分區(qū)問題，本文提出了綜合考慮輪廓特征幾何面及干涉物信息的輪廓特征加工自動分區(qū)算法，算法流程如圖1 所示。

圖1 輪廓特征加工分區(qū)算法流程圖

首先依據(jù)結(jié)構(gòu)件幾何模型，獲取輪廓幾何面信息；獲取相鄰輪廓面間幾何連接邊，對連接邊進行凸邊屬性計算，并依據(jù)人機交互選擇的初始面及凸邊約束原則，對輪廓面進行初分區(qū)；在初分區(qū)過程中，對輪廓面是否計算完畢及分區(qū)結(jié)果是否存在重復(fù)面進行篩查計算，得到輪廓特征初分區(qū)結(jié)果；然后依據(jù)干涉物信息構(gòu)建干涉物單元，并基于干涉物單元創(chuàng)建虛擬邊界；基于虛擬邊界依次對輪廓特征初分區(qū)結(jié)果進行二次分區(qū)，即進行橫向和縱向加工區(qū)域劃分，并對橫向和縱向加工區(qū)域進行合并，得到輪廓特征加工區(qū)域，該加工區(qū)域即為輪廓特征分區(qū)結(jié)果。

2 輪廓特征定義

為實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件輪廓特征識別與加工自動分區(qū)，首先對輪廓特征進行定義。國際標準化組織在ISO 10303 STEP AP224中定義了孔(Hole)、槽(Pocket)、凸臺(Boss)、輪廓(Profile)等加工特征[21]。但該標準中對特征定義簡單，特征中只有簡單的幾何形狀，不能適用于飛機結(jié)構(gòu)件。

輪廓加工時，需依據(jù)干涉物及輪廓幾何面信息對輪廓進行分區(qū)。因此為更好地支撐結(jié)構(gòu)件輪廓加工，輪廓特征即包含零件輪廓幾何面信息，還包括工藝凸臺等干涉物信息，綜上，輪廓特征FP定義為

FP=IF∪IB∪ES∪EE∪EL

(1)

式中:IF表示輪廓特征幾何信息；IB表示工藝凸臺等干涉物信息；ES表示該輪廓特征的起始元素；EE表示該輪廓特征的終止元素；EL表示該輪廓特征的限制元素。圖2為典型輪廓特征示意圖。

圖2 典型輪廓特征

3 基于凸邊約束的輪廓面初分區(qū)

由于建模、模型轉(zhuǎn)換等因素造成輪廓幾何面中存在如圖3所示的碎面、分割面等情況。碎面和分割面的存在不會影響輪廓特征分區(qū)結(jié)果，但會加大輪廓特征分區(qū)計算難度。此外，碎面、分割面等可通過曲面擬合方法進行消除。輪廓特征分區(qū)算法不考慮碎面、分割面等情況。

圖3 輪廓幾何碎面及分割面

3.1 凸邊約束

輪廓特征加工過程中，需要對工藝凸臺等干涉物進行避讓，同時依據(jù)輪廓幾何面進行分區(qū)加工。為實現(xiàn)對輪廓特征的分區(qū)，首先提出基于凸邊約束的輪廓特征初分區(qū)方法，即依據(jù)輪廓幾何面的連接關(guān)系對輪廓特征進行初分區(qū)。

凸邊約束原則為：當相鄰輪廓幾何面的連接邊為凸邊時，則對輪廓幾何面進行分區(qū)。

如圖4所示，幾何面連接邊屬性計算方法為：首先以飛機結(jié)構(gòu)件腹板面法矢為主方向ν；依據(jù)輪廓特征屬性面邊圖，獲取相鄰輪廓幾何面的連接邊L；獲取連接邊中點PM，分別得到相鄰輪廓幾何面在連接邊中點處的法矢ν1、ν2；將兩法矢在經(jīng)過連接邊中點與主方向垂直的平面S內(nèi)進行投影，得到投影法式ν′1、ν′2；將兩投影法矢合成得到方向τ；沿主方向ν反方向，將位于方向τ順時針方向輪廓幾何面在連接邊中點處法矢在平面S內(nèi)投影定義為初方向，逆時針方向輪廓幾何面在連接邊中點處法矢在平面S內(nèi)投影定義為末方向；沿逆時針方向計算初方向與末方向的夾角α，如果0°<α<180°，則該連接邊為凸邊。

圖4 凸邊計算

以圖5所示典型結(jié)構(gòu)件輪廓特征為例說明輪廓特征分區(qū)方法。經(jīng)過對輪廓幾何面連接邊凸邊屬性計算，該輪廓特征的屬性面邊圖可用圖6表示，其中1表示凸邊，0表示非凸邊。

圖5 飛機典型結(jié)構(gòu)件輪廓特征

圖6 輪廓特征屬性面邊圖

3.2 輪廓面初分區(qū)

依據(jù)定義的凸邊約束原則，從選取的初始輪廓幾何面開始，依次對輪廓特征所有幾何面進行計算，當相鄰輪廓幾何面連接邊為凸邊時，對輪廓特征幾何面進行分區(qū)，直到所有輪廓幾何面全部計算完畢，得到輪廓特征初分區(qū)結(jié)果。初分區(qū)方法為：首先從輪廓特征中選取初始輪廓幾何面；以初始輪廓幾何面為當前面，查找與該面相鄰的輪廓幾何面，判斷連接邊屬性，如果為凸邊，則停止遍歷；否則以相鄰輪廓幾何面為當前面，繼續(xù)對相鄰輪廓幾何面進行計算，直到與相鄰輪廓幾何面連接邊均為凸邊，則當前輪廓特征初分區(qū)組合創(chuàng)建完畢；以凸邊連接邊對應(yīng)的且不屬于已創(chuàng)建輪廓特征初分區(qū)組合的輪廓幾何面為初始輪廓幾何面，重復(fù)上述步驟，創(chuàng)建下一個輪廓特征初分區(qū)組合，直到所有輪廓幾何面均已計算完畢；對已創(chuàng)建的輪廓特征初分區(qū)組合中輪廓幾何面進行重復(fù)性篩查，確保同一輪廓幾何面只出現(xiàn)在一個輪廓特征初分區(qū)組合中。

采用上述初分區(qū)創(chuàng)建方法，圖5所示結(jié)構(gòu)件輪廓特征初分區(qū)結(jié)果如表1所示。

表1 輪廓面初分區(qū)結(jié)果

4 基于虛擬邊界的輪廓加工區(qū)域劃分

在實際加工中，為確保輪廓特征的加工質(zhì)量，在輪廓周圍設(shè)置了大量工藝凸臺，壓板等干涉物。因此在對輪廓特征進行分區(qū)時，不僅需要考慮輪廓幾何面的幾何特性，還需要考慮干涉物與輪廓特征的位置關(guān)系。

4.1 干涉物單元

為有效獲取凸臺、壓板等干涉物信息，建立干涉物與輪廓特征的位置關(guān)系，構(gòu)建一種干涉物單元，包含干涉物位置、干涉物形狀、干涉物與輪廓特征關(guān)聯(lián)關(guān)系等信息，如圖7所示。

圖7 干涉物單元

干涉物單元具體包括干涉物最小長方體包絡(luò)體IE、干涉物中心點PBC、匹配的輪廓幾何面FG、干涉物關(guān)聯(lián)點PC以及干涉物與輪廓幾何面間的連接單元UJ。其中干涉物中心點PBC為干涉物最小長方體包絡(luò)體IE的幾何中心；干涉物關(guān)聯(lián)點PC為輪廓幾何面FG上的點，干涉物中心點PBC與干涉物關(guān)聯(lián)點PC連線方向同輪廓幾何面FG在干涉物關(guān)聯(lián)點PC處的法矢相同。

干涉物連接單元同時與零件輪廓和干涉物包絡(luò)體連接，在加工過程中僅起到支撐零件輪廓，增加零件結(jié)構(gòu)剛性的目的。為增加輪廓特征可加工性，降低輪廓特征編程難度，干涉物連接單元截面均設(shè)置為矩形。因此干涉物與輪廓幾何面間的連接單元UJ屬性信息由連接單元寬度d，起始面FS，終止面FE，上表面FT，下表面FD組成。

4.2 虛擬邊界

在輪廓特征加工過程中，需避讓干涉物，因此在對輪廓特征加工區(qū)域劃分時，為充分考慮干涉物與輪廓特征的位置關(guān)系，基于干涉物連接單元信息構(gòu)建加工區(qū)域虛擬邊界。

將輪廓幾何面展開在同一平面內(nèi)，得到所有輪廓幾何面邊界。獲取與輪廓幾何面對應(yīng)的干涉物連接單元，依據(jù)所有干涉物連接單元的上、下表面、起始和終止面創(chuàng)建虛擬邊界。

如圖8所示，GT、GD、GS、GE為展開后輪廓幾何面的邊界，A、B、C為輪廓對應(yīng)的干涉物連接單元，每一個干涉物連接單元均存在4條虛擬邊界。由虛擬邊界劃分的每個區(qū)域由4條邊界組成。對于具體某個區(qū)域而言，當某一邊界與干涉物連接單元實際邊界重合時，則該邊界為硬邊界，否則為軟邊界。由于為確保零件加工剛性，干涉物連接單元在加工過程中不進行切削，因此對于硬邊界而言，加工時刀具不能超出該邊界范圍。

如圖8所示區(qū)域(a)由邊界AT、BD、BS、BE包絡(luò)而成，其中邊界BD與干涉物B的實際下邊界重合，在加工區(qū)域(a)時，刀具不能超出邊界BD的范圍，否則干涉物B將會被切削，因此邊界BD為硬邊界，而邊界AT、BS、BE為軟邊界。

圖8 虛擬邊界

4.3 輪廓加工區(qū)域劃分

4.3.1 橫向區(qū)域劃分

如圖9所示，沿主方向，依據(jù)干涉物連接單元的上、下表面從上往下依次構(gòu)建虛擬邊界，將輪廓幾何面劃分為7個區(qū)域，每個區(qū)域均由4個邊界包絡(luò)而成。

圖9 橫向區(qū)域劃分

4.3.2 縱向區(qū)域劃分

在橫向區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上，沿主方向從上到下依次對每個橫向區(qū)域進行縱向區(qū)域劃分。在縱向區(qū)域劃分時，如該區(qū)域中或該區(qū)域以上區(qū)域中存在干涉物連接單元，則對該橫向區(qū)域進行縱向區(qū)域劃分。

如圖10所示，圖9中7個區(qū)域劃分為28個子區(qū)域。各區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖10 縱向區(qū)域劃分

表2 橫向與縱向區(qū)域劃分匹配關(guān)系

4.3.3 區(qū)域合并

如果不同子區(qū)域邊界重疊，且加工過程中需要避讓的干涉物連接單元相同則可進行合并，合并原則為：依據(jù)橫向區(qū)域劃分結(jié)果，從上往下依次將橫向區(qū)域設(shè)為當前區(qū)域，對當前區(qū)域所屬子區(qū)域進行區(qū)域合并計算；將當前橫向區(qū)域?qū)?yīng)的子區(qū)域同已計算的橫向區(qū)域子區(qū)域進行比對，如果子區(qū)域邊界中存在三條相同邊界，則將子區(qū)域進行合并；同一橫向區(qū)域所屬子區(qū)域之間不進行區(qū)域合并。

基于上述子區(qū)域合并原則，對28個子區(qū)域進行合并計算，如子區(qū)域(2)和(4)的邊界中存在相同的三條邊界，分別是GS、BS、BD，因此子區(qū)域(4)可合并至(2)，得到合并后的子區(qū)域(2)，子區(qū)域(7)同合并后的子區(qū)域(2)存在相同的三條邊界，子區(qū)域(7)可合并至合并后的區(qū)域(2)，同理子區(qū)域(11)也可與合并后的區(qū)域(2)合并。如圖11所示，經(jīng)過計算28個子區(qū)域最終合并為10個加工區(qū)域，分別為R1～R10。

圖11 加工區(qū)域劃分結(jié)果

5 基于干涉物信息的輪廓二次分區(qū)

5.1 輪廓分區(qū)組合

輪廓特征分區(qū)的目的在于構(gòu)建輪廓加工區(qū)域，為輪廓特征刀軌生成提供驅(qū)動幾何元素。因此，輪廓分區(qū)組合中包括該加工區(qū)域沿順時針方向的起始元素、終止元素，幾何面以及沿腹板面法矢的限制元素。其中起始元素、終止元素及限制元素可為幾何線或幾何面。

如圖12所示虛線區(qū)域為典型輪廓分區(qū)組合，其中幾何邊LS為起始元素，幾何邊LE為終止元素，①、② 為所屬幾何面，結(jié)構(gòu)件頂面LT、干涉物連接單元上表面FT為限制元素。該輪廓分區(qū)組合可為輪廓加工刀軌生成提供驅(qū)動幾何信息。

圖12 典型輪廓分區(qū)組合示意圖

5.2 二次分區(qū)

為實現(xiàn)輪廓特征分區(qū)組合創(chuàng)建，提供輪廓加工刀軌生成所需的驅(qū)動幾何信息，在輪廓特征初分區(qū)基礎(chǔ)上，考慮輪廓幾何面對應(yīng)的干涉物單元信息，對輪廓特征進行二次分區(qū)。圖5所示飛機結(jié)構(gòu)件輪廓特征初分區(qū)組合對應(yīng)的干涉物單元如表3所示。

表3 輪廓面初分區(qū)及干涉物信息

基于輪廓面初分區(qū)結(jié)果及對應(yīng)的干涉物信息，采用第3節(jié)輪廓加工區(qū)域劃分方法對每個初分區(qū)組合進行加工區(qū)域劃分，得到輪廓特征分區(qū)組合。以其中初組合2為例，說明輪廓特征二次分區(qū)計算過程。

初組合2包括 ③、④、⑤ 三個幾何面，對應(yīng) ?、? 兩個干涉物。兩干涉物頂面在同一水平面上，采用基于虛擬邊界的輪廓加工區(qū)域劃分方法，該組合可劃分為G1～G6共6個加工區(qū)域。依據(jù)當前初組合所屬幾何信息及對應(yīng)的干涉物信息，可獲取各加工區(qū)域?qū)?yīng)的幾何面及約束信息，進而創(chuàng)建輪廓分區(qū)組合。初組合2對應(yīng)輪廓分區(qū)組合如圖13及表4所示。

表4 輪廓分區(qū)組合幾何信息

圖13 初組合2對應(yīng)的分區(qū)組合

6 典型結(jié)構(gòu)件應(yīng)用實例

輪廓面初分區(qū):圖14所示飛機結(jié)構(gòu)件輪廓特征的14個幾何面，采用基于凸臺約束的輪廓面初分區(qū)方法，可劃分為7個初分區(qū)組合，如表5所示，初分區(qū)對話框如圖15所示。依據(jù)幾何面與干涉物的位置關(guān)系，得到初分區(qū)組合對應(yīng)的干涉物信息。

圖14 典型結(jié)構(gòu)件輪廓面

圖15 輪廓面初分區(qū)

表5 輪廓面初分區(qū)結(jié)果

輪廓二次分區(qū):基于輪廓面初分區(qū)結(jié)果，采用基于干涉物信息的輪廓二次分區(qū)方法，對輪廓特征進行分區(qū)，如圖16所示。7個初分區(qū)組合共劃分為19個區(qū)域，如圖17所示，各分區(qū)組合信息如表6所示。

圖16 輪廓特征分區(qū)對話框

圖17 輪廓特征分區(qū)組合

表6 輪廓分區(qū)結(jié)果

7 結(jié) 論

1)提出了綜合考慮凸邊約束原則和凸臺等干涉物信息的輪廓幾何面加工自動分區(qū)方法，可為輪廓幾何面加工程序提供驅(qū)動幾何信息，也為實現(xiàn)輪廓特征加工自動數(shù)控編程提供了技術(shù)支撐。

2)提出的輪廓特征加工自動分區(qū)算法適用于包含復(fù)雜輪廓曲面的框、梁、肋、壁板等飛機結(jié)構(gòu)件，且對干涉物形式無要求。

3)根據(jù)提出的方法開發(fā)了飛機結(jié)構(gòu)件輪廓特征加工自動分區(qū)系統(tǒng)，可為輪廓特征加工程序編制提供支撐，經(jīng)過多項典型飛機結(jié)構(gòu)件測試，提出的方法穩(wěn)定可靠。

下一步將開展輪廓特征加工工藝參數(shù)決策技術(shù)研究，進一步實現(xiàn)輪廓特征自動數(shù)控編程。