飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，屬于機械數(shù)控加工【技術領域】，包括：細碎曲面讀取模塊、約束直紋搜索模塊、直紋化擬合模塊和直紋面數(shù)據(jù)輸出模塊。在考慮輸入邊界約束、光順性度量、最大允許誤差約束的前提下，將輸入的飛機結構件細碎曲面轉化為直紋面，并輸出直紋面數(shù)據(jù)，用于飛機結構件的五軸側銑加工，提高加工效率。
【專利說明】飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)【技術領域】的方法，具體是一種使用完整的直紋面逼近飛機結構件中出現(xiàn)的細碎曲面的數(shù)學方法。
【背景技術】
[0002]飛機結構件上有許多細碎的表面(如圖1所示)，如果每個表面都單獨進行加工方案的編程，會導致編程花費過多時間，同時也會導致加工的不便利。在對飛機結構件上很多細碎表面進行研究之后，發(fā)現(xiàn)很多情況下，這些細碎表面實際分布在同一張光順的曲面上。如果可以在一定誤差的使用一整張直紋面來擬合這些細碎的曲面，就可以使用側刃銑一次性加工這些零件表面，使得加工編程更加快速便捷，加工過程更加流暢。
[0003]五軸側銑加工是指用刀具的側刃銑削去除材料，與球頭端銑的點接觸加工方式相t匕，側銑加工是線接觸加工方式，加工帶寬顯著增加，可以提高材料去除率，能夠減少刀具的磨損。此外，側銑加工還具有以下優(yōu)點:由于側銑加工時刀具軸線基本與設計曲面平行，可最大限度的避免干涉；側銑加工為一次加工成形，可顯著提高加工零件的表面質量。
[0004]現(xiàn)有的側銑刀具路徑規(guī)劃方法針對的對象往往集中于直紋面加工表面，對于可展直紋面，采用側銑方式可以實現(xiàn)精確加工；對于非可展直紋面，盡管采用側銑加工存在著原理性誤差，但也可以通過刀位優(yōu)化方法得到側銑刀具路徑，從而滿足加工精度要求。但是在實際航空結構件加工中，細碎的表面不一定是直紋面，而是類直紋面；而特別的，即使這些細碎的表面中有直紋面，這些直紋面沿參數(shù)切向擴展之后也不能保證所有的曲面都落在這張直紋面上。這就使得當前的側銑刀具路徑規(guī)劃方法并不適用，這使側銑加工的適用范圍受到了極大地限制。更為重要的是，并非所有的類直紋面都可以通過側銑加工來實現(xiàn)，因此提供一種能否側銑的判別依據(jù)至關重要。目前通用的CAM軟件沒有針對類直紋面的側銑加工提供這一功能。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種采用整張直紋面逼近細碎曲面并優(yōu)化誤差的算法，該算法具有計算效率高，運行穩(wěn)定，誤差小等特點。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0007]一種飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，包括:細碎曲面讀取模塊、約束直紋搜索模塊、直紋化擬合模塊和直紋面數(shù)據(jù)輸出模塊，其中:細碎曲面讀取模塊用于讀取飛機結構件的細碎曲面；細碎曲面讀取模塊與約束直紋搜索模塊相連接并傳輸細碎曲面列表；約束直紋搜索模塊與直紋化擬合模塊相連接并傳輸離散直線段序列，約束直紋搜索模塊包括約束輸入單元和直紋搜索單元，其中:約束輸入單元用于輸入邊界約束、光順性度量和最大允許誤差約束，直紋搜索單元用于約束條件下直紋線段序列搜索，直紋線段序列搜索包括直紋線段搜索過程和直紋線段確定過程，所述的直紋線段序列是指一組排好順序的直線段；直紋化擬合模塊與直紋面數(shù)據(jù)輸出模塊相連接并傳輸樣條直紋面數(shù)據(jù)，直紋化擬合模塊用于將離散直線段序列插值為直紋面，并減少直紋面與細碎曲面偏差；直紋面數(shù)據(jù)輸出模塊用于輸出直紋化獲得的直紋面數(shù)據(jù)。
[0008]上述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的細碎曲面包括:飛機結構件構建過程形成的曲面簇、以及飛機結構件曲面相交、求并和求差過程中形成的曲面簇。
[0009]上述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的邊界約束包括:直紋面的第一條直紋線和最后一條直紋線。
[0010]上述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的光順性度量包括:所述的光順性度量包括:直紋線段序列中直線角度的變化之和。
[0011]上述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的最大允許誤差約束是指:直紋化獲得的直紋面與輸入細碎曲面之間的最大允許偏差。
[0012]上述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的直紋線段搜索過程是指:用平面與輸入的細碎曲面求交獲得平面上的曲線，將曲線離散為一組點，然后用最小二乘法將這組點擬合為直線的過程。
[0013]上述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的直紋線段確定過程是指:確定在最大允許誤差約束下光順性度量最小的直紋線段。
[0014]上述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的減少直紋面與細碎曲面偏差包括:最小二乘擬合法和極差極小化擬合法。
[0015]上述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的直紋面數(shù)據(jù)包括:樣條直紋面的控制點、節(jié)點矢量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是細碎曲面簇和約束直線。
[0017]圖2是生成的直紋面。
[0018]圖3是確定搜索區(qū)域。
[0019]圖4 Ca)確定搜索路徑；(b)確定參考搜索方向。
[0020]圖5是確定直紋搜索區(qū)域。
[0021]圖6是平面與曲面相交。
[0022]圖7是算法流程圖。
[0023]圖8是細碎曲面簇。
[0024]圖9是生成的直線簇。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，包括細碎曲面讀取模塊、約束直紋搜索模塊、直紋化擬合模塊和直紋面數(shù)據(jù)輸出模塊。讀入曲面簇和約束直線(如圖1所示)，給出相應的直紋面(如圖2所示)。具體方法如下:
[0026]1、每一張曲面按一定(用戶設定)的參數(shù)密度取點，求取各離散點處曲面對應的外法向向量；求取所有法向量的平均向量，把它作為新的Z軸，根據(jù)這個單位向量與原來的Z軸代表的單位向量(O，O, 1)，計算出新的坐標系；
[0027]2、根據(jù)第I步得到的新坐標系，對細碎曲面進行齊次變換，并將細碎曲面簇投影到XY平面上，同時將約束直線也投影到XY平面上，此時可以得到一包含曲面投影區(qū)域的四邊形，該四邊形包圍的區(qū)域即為搜索區(qū)域，如圖3所示；
[0028]3、連接兩條投影約束直線的中點作為搜索路徑，在直線上按一定密度(用戶指定)均勻的取點，作為搜索點。以投影約束直線作為搜索區(qū)域的起始和終止直線段，根據(jù)光順的原則確定搜索路徑上搜索點處的參考搜索方向，如圖4所示；
[0029]4、以搜索點為中心，自動尋找搜索區(qū)域，相鄰搜索區(qū)域不能相交，如圖5所示；
[0030]5、搜索區(qū)域確定后，過搜索點作一平面，該平面同時垂直于新坐標系Z軸和參考搜索方向。該平面與曲面相交得到交線，把交線離散成點后，用主元分析法進行直線擬合，如果有數(shù)條直線的擬合誤差滿足用戶指定的擬合誤差，選擇其中和參考搜索方向夾角最小的一條直線作為最終的直紋線，如圖6所示；
[0031]6、重復4，5，直至完成所有的搜索中心的搜尋，得到對應的直紋簇；
[0032]7、用直紋面插值得到的直線簇；
[0033]8、使用優(yōu)化策略控制最大幾何偏差
[0034]將需要逼近的細碎曲面簇離散化為點云數(shù)據(jù)，將點云到直紋面的距離義作為優(yōu)化目標進行誤差控制。距離函數(shù)的詳細定義與求解可參考文獻《復雜曲面數(shù)字化制造的幾何學理論和方法》
[0035]曲面整體優(yōu)化模型，可以歸結為直紋面向細碎曲面簇離散化后得到的數(shù)據(jù)點云{Pi e □ 3，1≤i≤n}的最佳一致逼近問題，該優(yōu)化問題也稱為極差極小化問題或Chebyshev逼近問題
【權利要求】
1.一種飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征在于，包括:細碎曲面讀取模塊、約束直紋搜索模塊、直紋化擬合模塊和直紋面數(shù)據(jù)輸出模塊，其中:細碎曲面讀取模塊用于讀取飛機結構件的細碎曲面；細碎曲面讀取模塊與約束直紋搜索模塊相連接并傳輸細碎曲面列表；約束直紋搜索模塊與直紋化擬合模塊相連接并傳輸離散直線段序列，約束直紋搜索模塊包括約束輸入單元和直紋搜索單元，其中:約束輸入單元用于輸入邊界約束、光順性度量和最大允許誤差約束，直紋搜索單元用于約束條件下直紋線段序列搜索，直紋線段序列搜索包括直紋線段搜索過程和直紋線段確定過程，所述的直紋線段序列是指一組排好順序的直線段；直紋化擬合模塊與直紋面數(shù)據(jù)輸出模塊相連接并傳輸樣條直紋面數(shù)據(jù)，直紋化擬合模塊用于將離散直線段序列插值為直紋面，并減少直紋面與細碎曲面偏差；直紋面數(shù)據(jù)輸出模塊用于輸出直紋化獲得的直紋面數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的細碎曲面包括:飛機結構件構建過程形成的曲面簇、以及飛機結構件曲面相交、求并和求差過程中形成的曲面簇。
3.根據(jù)權利要求1所述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的邊界約束包括:直紋面的第一條直紋線和最后一條直紋線。
4.根據(jù)權利要求1所述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的光順性度量包括:直紋線段序列中直線角度的變化之和。
5.根據(jù)權利要求1所述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的最大允許誤差約束是指:直紋化獲得的直紋面與輸入細碎曲面之間的最大允許偏差。
6.根據(jù)權利要求1所述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的直紋線段搜索過程是指:用平面與輸入的細碎曲面求交獲得平面上的曲線，將曲線離散為一組點，然后用最小二乘法將這組點擬合為直線的過程。
7.根據(jù)權利要求1所述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的直紋線段確定過程是指:確定在最大允許誤差約束下光順性度量最小的直紋線段。
8.根據(jù)權利要求1所述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的減少直紋面與細碎曲面偏差包括:最小二乘擬合法和極差極小化擬合法。
9.根據(jù)權利要求1所述的飛機結構件細碎曲面的直紋化系統(tǒng)，其特征是，所述的直紋面數(shù)據(jù)包括:樣條直紋面的控制點、節(jié)點矢量。
【文檔編號】G05B19/4097GK103454977SQ201310428984
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2013年9月18日
【發(fā)明者】杜寶瑞, 畢慶貞, 初宏震, 王碧玲, 陳力, 沈力華, 朱利民, 周元莉, 趙丹, 丁漢, 李金龍, 劉本剛 申請人:沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司