專利名稱：飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是ー種飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線(刀軌)計算方法，用于飛機復(fù)雜構(gòu)件數(shù)控加工中加工刀軌的計算，為專業(yè)化、智能CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)“飛機復(fù)雜構(gòu)件快速數(shù)控加工準(zhǔn)備系統(tǒng)”提供刀軌計算中的距線計算，屬于飛機數(shù)字化數(shù)控編程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
計算機、編程以及高速切削加工等數(shù)控相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用推動了飛機結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機普遍采用性能優(yōu)越的整體薄壁結(jié)構(gòu)件(范玉青.航空宇航制造工程[M].重慶重慶出版社，2001)。刀具軌跡的生成是數(shù)控加工技術(shù)中最重要也是研究最為廣泛的內(nèi)容。因此，研究和開發(fā)飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線(刀軌)計算方法，對于提高數(shù)控編程智能化水平、實現(xiàn)飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效高質(zhì)的制造具有重要意義。數(shù)控加工中刀具距線的計算是刀軌計算中非常重要的內(nèi)容，通過距線的計算可以得到刀具端面中心的軌跡，實現(xiàn)數(shù)控加工走刀軌跡的仿真與優(yōu)化，有效地提高數(shù)控編程的智能化水平。如何得到有效的刀軌距線是數(shù)控加工中一個急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供ー種飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線(刀軌)計算方法，可根據(jù)數(shù)控加工時刀軌觸線計算出加工時刀具端面中心軌跡，實現(xiàn)數(shù)控編程的智能化，從而提高數(shù)控加工效率。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的ー種飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加エ距線計算方法，其特征在于該方法包括如下步驟I)距線計算，包括a觸邊距線計算根據(jù)刀軌加工時的觸邊計算相應(yīng)的距線段；b凸基點距線計算根據(jù)觸線鏈上的凸頂點計算相應(yīng)的距線圓弧；c跨弧距線計算根據(jù)觸線鏈中的有效跨弧計算相應(yīng)的距線；2)距線鏈構(gòu)造，根據(jù)首位關(guān)系，依次選擇各段距離，構(gòu)造相應(yīng)的距線鏈。所述的觸邊距線計算滿足下列條件(I)若觸邊為直線段，則距線段亦為直線段，且與觸邊等長、平行，兩線段之間距離等于滾圓的半徑。距線與滾圓位于觸邊的同側(cè)；(2)若觸邊為圓弧，滾圓在觸邊圓弧外側(cè)，則距線亦為圓弧，且觸邊圓弧和距線圓弧同心，距線圓弧半徑等于觸邊圓弧半徑與滾圓半徑之和，距線圓弧與觸邊圓弧有相同的扇形角度；
(3)若觸邊為圓弧，滾圓在圓弧內(nèi)側(cè)且滾元直徑小于圓弧直徑，則距線亦為圓弧，且觸邊圓弧和距線圓弧同心，距線圓弧半徑等于觸邊圓弧半徑與滾圓半徑之差，距線圓弧與觸邊圓弧有相同的扇形角度；
(4)若觸邊為圓弧，滾圓在圓弧內(nèi)側(cè)且滾元直徑等于圓弧直徑，則距線退化為ー個點；(5)若觸邊為圓弧,滾圓在圓弧內(nèi)側(cè),觸邊圓弧的直徑必定不小于滾兀直徑。所述的凸基點距線計算滿足下列條件
觸線鏈中的頂點分為凸基點和平基點，對于觸線鏈中的平頂點，其距線退化為ー點；對于凸頂點，其距線為一段以凸頂點為圓心、以滾圓大小的二分之ー為半徑的一段圓弧；圓弧的角度確定如下圓弧的起點與圓心的連線垂直于以凸頂點為終點的觸線在終點處的切矢，圓弧的終點與圓心的連線垂直于以凸頂點為起點的觸線在起點處的切矢。所述的跨弧距線計算滿足下列條件跨弧方向為正時表示跨弧從觸點逆時針過渡到礙點；跨弧半徑方向為負(fù)時表示跨弧從觸點順時針過渡到礙點；若將每一段跨弧看做一段圓弧線段，其半徑大小等于滾圓大小的二分之一，故跨弧相應(yīng)的距線均退化為一點。的半徑大小為滾圓大小的二分之一，跨弧半徑方向有正負(fù)，跨弧半徑距線鏈構(gòu)造滿足下列條件(I):一條觸線鏈有且僅有一條距線鏈與之對應(yīng)；(2):觸線與距線為等距偏置線。即觸線上點/弧到距線上相應(yīng)的點/弧距離相
坐寸ο所述的距線鏈構(gòu)造過程如下(I)依次提取觸邊距線和凸基點距線，存入緩存邊表中；(2)提取和刪除當(dāng)前緩存邊表中的第一條邊，以此邊作為當(dāng)前邊和新構(gòu)造距線鏈的首邊；(3)從緩存邊表中捜索和刪除當(dāng)前邊的后續(xù)邊，插入到當(dāng)前距線鏈的末尾位置中；(4)以此后續(xù)邊為當(dāng)前邊，重復(fù)(3)，直到緩存邊表結(jié)束。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供的飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線(刀軌)計算方法，可根據(jù)數(shù)控加工刀軌觸線計算出加工時刀軌距線，有效地解決了數(shù)控自動編程中刀具端面中心軌跡的求解問題，顯著提高了數(shù)控程序編制效率與加工效率，對于智能數(shù)控加工編程的實現(xiàn)具有重要意義。


圖I為距線計算總流程圖；圖2為應(yīng)用本發(fā)明提供的算法計算距線的ー個實例。
具體實施例方式本發(fā)明中涉及的概念如下給定ー組線段ei(i = 1,2, ···，n)，若同時滿足Dei與ei+1(i = 1,2, , n-1)間當(dāng)且僅當(dāng)有一個端點重合；2)e1中未與e2重合的端點或僅與en中未與Θμ重合的端點重合，或不與其它任何線段的端點重合；3) en中未與eiri重合的端點或僅與ei中未與e2重合的端點重合，或不與其它任何線段的端點重合，則稱這組線段為一條線鏈，表示為C (e1; e2, , en)。其中ち也可稱為c的第i條邊。c正向沿邊的連接次序所定義的方向；0負(fù)向與c正向相反的方向。正邊ei和c的正向一致，則稱ei*c的正邊；反之，則稱ei為c的負(fù)邊。在空間運動的幾何単元，稱為動元mg。常見的動元類型有圓和直線段，前者稱為滾圓，后者稱為滑線。將滾圓直徑和滑線長度統(tǒng)稱為動元的大小。將滾圓圓心和滑線中點統(tǒng)稱為動元的中心。滾圓的參數(shù)化表示為^^匕/^らルパ其中r為半徑(靜態(tài)參數(shù))，P。為圓心，η。為圓平面法矢(動態(tài)參數(shù))，V為圓心移動方向。滑線的參數(shù)化表示為<(ゴ,凡,の,V)，其中d為長度(靜態(tài)參數(shù))，P1位置點，H1為滑線指向，V為滑線滑動方向(動態(tài)參數(shù))。給定ー個點和ー個動元，若動元繞這個點轉(zhuǎn)動,則稱這個點為該動元的基點。給定一條線段和ー個動元，若動元沿這條線段運動，則稱這條線段為該動元的基邊。給定一條線鏈和ー個動元，若動元沿這條線鏈運動，則稱這條線鏈為該動元的基線鏈。沿基線段正向，若動元運動過程中始終位于基線段e左側(cè)，則稱動元位于基線段左側(cè)或左位，稱該基線段為動元的左基線段，表示為e+。若動元運動過程中始終位于基線段e右側(cè),則稱動元位于基線段右側(cè)或右位，稱該基線段為動元的右基線段，表示為e_。無論動元位于基線段e左側(cè)或右側(cè)，若其運動方向與基線段正向一致，則稱動元沿該基線段正向運動，或動元沿該基線段的運動方向為正向，表示為+e ;反之，為負(fù)向運動或運動方向是負(fù)向，表示為_e。滾圓滾動過程中與e+/e_或頂點的接觸點，稱為當(dāng)前時刻滾圓的左/右觸點，表示為P:(左觸點)和/^ (右觸點)。ズ和/^統(tǒng)稱為觸點。前者，滾動過程中觸點一直前移；而后者，觸點位置不變，一直重合于頂點。在某時刻，基線在觸點位置的切矢方向定義了下一時刻滾圓滾動的方向，簡稱滾圓的滾向。當(dāng)前滾圓與基線/頂點的接觸位置是觸點的充要條件是所有基線段不與滾圓相交(但可相切)。由連續(xù)左/右觸點形成的線段稱為滾圓在左/右基線段上的左/右觸線段，表示為t+(左觸線段)和t_(右觸線段)。t+和t_統(tǒng)稱為觸線段(簡稱觸線)。t+和t_線也可認(rèn)為是對曲線進(jìn)行左/右光順的結(jié)果。tVt-的始末點或是端觸點或是內(nèi)觸點，并依次稱為t+/V的始觸點和終觸點。觸線的定義始點、終點,分別稱為絕對始點和絕對終點，簡稱始點和終點。觸線相對動向的始點和終點，分別稱為相對始點和相對終點。由依次連接的觸線段和跨弧(統(tǒng)稱觸線邊)組成的一條組合曲線，稱為這條組合曲線為觸線鏈。表示為CtU1,t2，…，tn)，其中ti也可稱為Ct的第i條邊。Ct正向沿邊的連接次序所定義的方向；ct負(fù)向與Ct正向相反的方向。正邊ti和Ct的正向一致，則稱ti為Ct的正邊；反之，則稱ti為Ct的負(fù)邊。觸線邊類型包括觸線段和跨元等兩類。在滾圓沿e+/e-滾動或繞ー個頂點轉(zhuǎn)動過程中，阻礙滾圓繼續(xù)沿當(dāng)前滾向滾動或轉(zhuǎn)動、且離此時的觸點最遠(yuǎn)的點，稱為此刻滾圓的左/右礙點，表示為ズ(左礙點)和；^ (右礙點)。W和;^統(tǒng)稱為礙點。在滾圓沿基線滾動或繞ー個頂點轉(zhuǎn)動過程中，滾圓受到阻礙無法繼續(xù)沿當(dāng)前滾向滾動，此時滾圓的觸點和礙點稱為觸礙點對，簡稱點對。從點對中的觸點沿滾向方向過渡到礙點的圓弧，稱為此點對的跨弧，跨弧的結(jié)構(gòu)表示為跨弧(觸點，礙點，弧心，半徑)，其中半徑含正負(fù)號，并規(guī)定若r為正號，則跨弧從觸點逆時針過渡到礙點；反之，則跨弧從觸點順時針過渡到礙點。
滾圓沿e+/e_滾動過程中圓心形成的連續(xù)軌跡稱為距線。沿e+和e_滾動形成的距線分別稱為左距線和右距線，表示為i+(左距線)和Γ(右距線)。i+和Γ統(tǒng)稱為距線。若滾圓滾動過程中某時刻存在遇到礙點，則此時也是距線的拐點。依據(jù)上述概念，本發(fā)明飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法的總流程圖如圖I所示，主要步驟包括1)距線計算；2)距線鏈構(gòu)造。其中距線計算包括(I)觸邊距線計算；(2)凸基點距線計算；(3)跨弧距線計算。具體實施步驟如下步驟I):距線計算需滿足如下法則法則(I):若某線段e為直線段，則V滾圓d t+ = e\ t_ = e_且i+與i均存在。法則⑵若某線段e為圓，且規(guī)定圓方向為逆時針方向，則V滾圓d:t_ = e_i
Γ 一定存在。法則(3):若某線段e為圓，且規(guī)定圓方向為逆時針方向，則V滾圓d:若滾圓直徑不大于圓線段e的直徑，則存在t+，t+ = e+且i+ —定存在。法則(4):若某線段e為圓，且規(guī)定圓方向為逆時針方向，則V滾圓d:若滾圓直徑大于圓線段e的直徑，則不存在t+，i+也存在。觸線距線滿足如下法則給定ー個滾圓d和一條線段e，若t+/t_存在，則一定有唯一一段i+/i_與之對應(yīng)。距線計算的具體內(nèi)容如下(I)觸邊距線計算觸邊距線計算的主要內(nèi)容有根據(jù)刀軌加工時的觸邊計算距線。<1>若觸邊為直線段，則距線段亦為直線段，且與觸邊等長；〈2>若觸邊為圓弧，滾元在圓弧外側(cè)，則距線亦為圓弧，且觸邊圓弧和距線圓弧同心；〈3>若觸邊為圓弧，滾元在圓弧內(nèi)側(cè)且滾元直徑小于圓弧直徑，則距線亦為圓弧，且觸邊圓弧和距線圓弧同心；〈4>若觸邊為圓弧，滾元在圓弧內(nèi)側(cè)且滾元直徑等于圓弧直徑，則距線退化為ー個點；<5>若觸邊為圓弧，滾元在圓弧內(nèi)側(cè)，觸邊圓弧的直徑必定不小于滾元直徑。(2)凸基點距線計算凸基點距線計算具體為根據(jù)觸線鏈上的凸頂點計算相應(yīng)的距線圓弧。法則⑴觸線鏈中所有頂點一定是凸或平的。根據(jù)法則(I)，觸線鏈中的頂點只有兩類凸基點和平基點。對于觸線鏈中的平頂 點，其距線退化為一點。對于凸頂點，其距線為一段以凸頂點為圓心、以滾圓大小的二分之ー為半徑的一段圓?。粓A弧的角度確定如下圓弧的起點與圓心的連線垂直于以凸頂點為終點的觸線在終點處的切矢，圓弧的終點與圓心的連線垂直于以凸頂點為起點的觸線在起點處的切矢。(3)跨弧距線計算法則(I):跨弧的半徑大小為滾圓大小的二分之一?？缁“霃椒较蛴姓?fù)，跨弧半徑方向為正時表示跨弧從觸點逆時針過渡到礙點；跨弧半徑方向為負(fù)時表示跨弧從觸點順時針過渡到礙點。
每一段跨弧可以看做一段圓弧線段，其半徑大小等于滾圓大小的二分之一，故跨弧相應(yīng)的距線均退化為一點步驟2):距線鏈構(gòu)造距線鏈構(gòu)造的主要內(nèi)容有根據(jù)首尾關(guān)系，依次選擇各段距線，構(gòu)造距線鏈。法則(I):一條觸線鏈有且僅有一條距線鏈與之對應(yīng)。法則(2):觸線與距線為等距偏置線。即觸線上點/弧到距線上相應(yīng)的點/弧距離相等。距線鏈計算過程如下(I)依次提取觸邊距線和凸基點距線，存入緩存邊表中；(2)提取和刪除當(dāng)前緩存邊表中的第一條邊，以此邊作為當(dāng)前邊和新構(gòu)造距線鏈的首邊；(3)從緩存邊表中捜索和刪除當(dāng)前邊的后續(xù)邊，插入到當(dāng)前距線鏈的末尾位置中；(4)以此后續(xù)邊為當(dāng)前邊，重復(fù)(3)，直到緩存邊表結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法，其特征在于該方法包括如下步驟 1)距線計算，包括 a觸邊距線計算根據(jù)刀軌加工時的觸邊計算相應(yīng)的距線段； b凸基點距線計算根據(jù)觸線鏈上的凸頂點計算相應(yīng)的距線圓?。? c跨弧距線計算根據(jù)觸線鏈中的有效跨弧計算相應(yīng)的距線； 2)距線鏈構(gòu)造，根據(jù)首位關(guān)系，依次選擇各段距離，構(gòu)造相應(yīng)的距線鏈。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法，其特征在于 所述的觸邊距線計算滿足下列條件 (1)若觸邊為直線段，則距線段亦為直線段，且與觸邊等長、平行，兩線段之間距離等于滾圓的半徑。距線與滾圓位于觸邊的同側(cè)； (2)若觸邊為圓弧，滾圓在觸邊圓弧外側(cè)，則距線亦為圓弧，且觸邊圓弧和距線圓弧同心，距線圓弧半徑等于觸邊圓弧半徑與滾圓半徑之和，距線圓弧與觸邊圓弧有相同的扇形角度； (3)若觸邊為圓弧，滾圓在圓弧內(nèi)側(cè)且滾元直徑小于圓弧直徑，則距線亦為圓弧，且觸邊圓弧和距線圓弧同心，距線圓弧半徑等于觸邊圓弧半徑與滾圓半徑之差，距線圓弧與觸邊圓弧有相同的扇形角度； (4)若觸邊為圓弧，滾圓在圓弧內(nèi)側(cè)且滾元直徑等于圓弧直徑，則距線退化為一個點； (5)若觸邊為圓弧，滾圓在圓弧內(nèi)側(cè)，觸邊圓弧的直徑必定不小于滾元直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法，其特征在于所述的凸基點距線計算滿足下列條件 觸線鏈中的頂點分為凸基點和平基點，對于觸線鏈中的平頂點，其距線退化為一點；對于凸頂點，其距線為一段以凸頂點為圓心、以滾圓大小的二分之一為半徑的一段圓弧；圓弧的角度確定如下圓弧的起點與圓心的連線垂直于以凸頂點為終點的觸線在終點處的切矢，圓弧的終點與圓心的連線垂直于以凸頂點為起點的觸線在起點處的切矢。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法，其特征在于所述的跨弧距線計算滿足下列條件 跨弧方向為正時表示跨弧從觸點逆時針過渡到礙點；跨弧半徑方向為負(fù)時表示跨弧從觸點順時針過渡到礙點； 若將每一段跨弧看做一段圓弧線段，其半徑大小等于滾圓大小的二分之一，故跨弧相應(yīng)的距線均退化為一點。的半徑大小為滾圓大小的二分之一，跨弧半徑方向有正負(fù)，跨弧半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法，其特征在于距線鏈構(gòu)造滿足下列條件 (1):一條觸線鏈有且僅有一條距線鏈與之對應(yīng)； (2):觸線與距線為等距偏置線。即觸線上點/弧到距線上相應(yīng)的點/弧距離相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法，其特征在于所述的距線鏈構(gòu)造過程如下(1)依次提取觸邊距線和凸基點距線，存入緩存邊表中 (2)提取和刪除當(dāng)前緩存邊表中的第一條邊，以此邊作為當(dāng)前邊和新構(gòu)造距線鏈的首邊； (3)從緩存邊表中搜索和刪除當(dāng)前邊的后續(xù)邊，插入到當(dāng)前距線鏈的末尾位置中； (4)以此后續(xù)邊為當(dāng)前邊，重復(fù)(3)，直到緩存邊表結(jié)束。
全文摘要
一種飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件平面輪廓數(shù)控加工距線計算方法，主要步驟包括1)距線計算；2)距線鏈構(gòu)造。其中距線計算包括(1)觸邊距線計算；(2)凸基點距線計算；(3)跨弧距線計算。本發(fā)明可根據(jù)數(shù)控加工刀軌觸線計算出加工時刀軌距線，有效地解決了數(shù)控自動編程中刀具端面中心軌跡的求解問題，顯著提高了數(shù)控程序編制效率與加工效率，對于智能數(shù)控加工編程的實現(xiàn)具有重要意義。
文檔編號G05B19/18GK102621925SQ20121005866
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者初宏震, 唐云龍, 杜寶瑞, 王德生, 王碧玲, 趙皇進(jìn), 鄭國磊 申請人:沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司