一种AC转角刀路优化方法、装置、设备及存储介质

一种ac转角刀路优化方法、装置、设备及存储介质
技术领域
1.本发明涉及镜像铣加工领域，更具体地说，它涉及一种针对双五轴镜像铣路径规划ac转角刀路优化方法及装置。


背景技术：

2.镜像铣削技术，作为一种飞机蒙皮加工的新技术，是一种高效、绿色的加工方法，具有逐步取代化铣加工的趋势，涉及许多基础理论与关键技术，现在我国已经研制出的双五轴镜像铣机床还处在迭代优化过程中，针对双五轴镜像铣加工中的问题还需要持续优化。
3.飞机外壳这类蒙皮零件具有尺寸大、形状复杂、厚度薄、刚性差等特点，现在的镜像铣加工过程中，由于需要超声波实时测厚补偿来保证零件的减薄厚度精度要求，所以对蒙皮零件的加工路径提出等步距、无交叉、无残留、无抬刀等要求，但是在实际加工过程中，双五轴镜像铣存在ac摆角过大问题，导致刀轴偏离法向，从而发生加工过程中的过切或欠切问题，现在急需针对加工过程的质量问题，提出补偿优化方案，保证蒙皮加工质量。
4.目前，对于飞机多曲率蒙皮加工，采用的镜像铣削加工出现的ac大摆角问题，所采用的方法是对零件进行重新扫描匹配，在前置处理中更换补偿算法，而扫描匹配及重新补偿计算都需要消耗大量时间且前处理全局优化效果良莠不齐。


技术实现要素：

5.第一方面，本发明的目的是提供一种ac转角刀路优化方法，达到对ac转角刀路优化的目的，进而提高零件的加工质量。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种ac转角刀路优化方法，包括如下步骤：获取原始刀路文件，所述刀路文件包括刀路路径信息；判断刀路中优化区段；所述判断方式为，某区段支撑侧与铣削侧对应轴转动时间差超过阈值；通过刀轴矢量优化，进而实现对优化区段刀路的优化，得到优化后的刀路文件。
7.在一种可选的实施方式中，所述刀路路径信息包括刀位点以及刀轴矢量。
8.在一种可选的实施方式中，所述原始刀路文件获取方法如下：制定加工工艺规程，在理论数模上生成初始刀路；对刀路考虑等步距、无交叉、无残留、无抬刀的要求进行优化，生成满足镜像铣加工特征的理论刀路；对装夹好的零件进行激光扫描，生成实际零件轮廓；将理论刀路与实际零件轮廓拟合，在实际轮廓上生成原始刀路。
9.在一种可选的实施方式中，所述判断刀路中优化区段的方法包括如下步骤：将原始刀路数据导入vericut进行仿真，获取后置刀路文件；后置刀路文件包含支撑侧和铣削侧各轴的位置及abc摆角信息；从刀路起点开始，计算刀路任意连续路径上支撑侧a轴和b轴的转动时间，以及铣削侧a轴和c轴的转动时间；判断该段路径铣削侧a轴与支撑侧a轴转动时间差是否小于阈值；或该段路径铣削侧c轴与支撑侧b轴转动时间差是否小于阈值；如任意转动时间差小于阈值则表示该连续路径为待优化区段；选择下一个起始点，重复上述步骤，
不断迭代直至遍历整个刀路。
10.在一种可选的实施方式中，所述阈值为机床超声测厚信息采样时间差；或机床超声测厚信息采样时间差的倍数。
11.在一种可选的实施方式中，所述待优化区段的刀轴矢量优化计算方法如下：
[0012][0013]
其中，
[0014][0015]
式中，v1表示优化区间起始点刀轴矢量；vn表示优化区间结束点刀轴矢量；θq表示刀轴矢量v1和vn之间的夹角；e表示优化区间起始点编号；f表示优化区间结束点编号；vi表示对应点优化后的刀轴矢量。
[0016]
第二方面，本发明提供了一种ac转角刀路优化装置，所述装置包括获取单元，判断单元和优化单元；获取单元用于获取原始刀路文件，所述刀路文件包括刀路路径信息；判断单元用于判断刀路中优化区段；所述判断方式为，某区段支撑侧与铣削侧对应轴转动时间差超过阈值；优化单元用于通过刀轴矢量优化，进而实现对优化区段刀路的优化，得到优化后的刀路文件。
[0017]
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：处理器；以及，用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器通过运行所述可执行指令实现第一方面所述方法中的步骤。
[0018]
第四方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法中的步骤。
[0019]
综上所述，本发明提供一种针对处理镜像铣ac摆角问题造成的前处理时间长和处理效果不均衡，提供一种处理流程方法。与现有技术相比具有至少以下一种优点：
[0020]
1、本发明针对飞机机翼与机身连接处的多曲率蒙皮加工效率和机床利用率得到提升，现在针对ac大摆角问题所使用处理流程耗时耗力耗成本。
[0021]
2、本发明对ac大摆角问题路径段，在后处理上针对性的局部优化，能更精确解决问题，现在所使用的前处理优化方法，在全局优化，优化效果平均水平一般
[0022]
3、此优化流程方法可作为多数机身与机翼连接处多曲率蒙皮ac摆角大问题处理流程方法。
附图说明
[0023]
图1是实施例方法流程图
[0024]
图2是前置刀路文件示意图
[0025]
图3是后置刀路文件示意图
[0026]
图4是刀轴矢量优化示意图
[0027]
图5是刀轴矢量优化后刀路示意图
[0028]
图6是实施例一种ac转角刀路优化装置所在的电子设备示意图
具体实施方式
[0029]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0030]
双五轴镜像铣设备本质上属于五轴机床研究范围。对其实际结构分析，铣削侧为(c-a)双摆头五轴机床，标定旋转轴分别为c1和a1，支撑侧为(b-a)双摆头五轴机床，标定支撑侧旋转轴分别为b2和a2。
[0031]
对于铣削侧ac型五轴机床逆运动学求取已经很成熟。铣削侧刀轴矢量为：
[0032][0033]
逆运动学变换得到a1、c1转角的公式为：
[0034][0035]
式中，a1的值范围为[-90
°
，90
°
]，c1的值范围为[-360
°
，360
°
]。
[0036]
根据文献支撑侧刀轴矢量为：
[0037][0038]
逆运动学变换得到a2、b2转角的公式为
[0039][0040]
式中，a2的值范围为[-65
°
，65
°
]，b1的值范围为[-360
°
，360
°
]；
[0041]
在实际镜像铣加工过程中，刀路轨迹很难通过函数来表达，故将整段路径轨迹离散成各个刀触点，轨迹信息用点的位置和刀轴矢量表示，通过对轨迹信息进行逆运动学变换得到刀位文件，得到平动轴的位移和旋转轴的转角。
[0042]
有限差分方法计算角速度具体过程为：假设路径上存在n个刀触点，pci为第i个刀触点，{p，vi}＝{x,y,z,i,j,k}当刀触点从pci到pci+1时，旋转轴的转角从θi变化到θi+1，而由于镜像铣加工步长l一定，即相邻刀点长度变化一致，当进给速度v保持相同时，相邻位置处加工时间也不同。从而可以得到机床旋转轴角速度和角加速度的计算公式为：
[0043][0044][0045]
其中w
ai
为a轴在i点的角速度；w
ci
为c轴在i点的角速度；α
ai
为a轴在i点的角加速度；α
ci
为c轴在i点的角加速度。
[0046]
在复杂曲面五轴数控加工过程中，曲面曲率的急剧变化会导致刀轴矢量变化较大，这可能使旋转进给轴角速度和角加速度发生很大变化，从而影响机床寿命和加工质量。
[0047]
如图1所示，为了克服这一问题，本节针对加工提出了一种以减小机床旋转进给轴角速度为目标的刀轴矢量优化方法。由于航空薄壁件尺寸大、厚度薄的特点，刀位文件数据量大，且大部分区域不需要进行优化，故而基于镜像铣机床同步运动和实时测厚进行补偿加工的特性，提出基于旋转轴转动时间限制的优化区间判定方法。包括如下步骤：
[0048]
步骤一：获取原始刀路文件，所述刀路文件包括刀路路径信息。
[0049]
步骤1.1制定加工工艺规程，提取轮廓边界，在理论数模上生成初始刀路；对刀路考虑等步距、无交叉、无残留、无抬刀的要求进行优化，生成满足镜像铣加工特征的理论刀路；
[0050]
步骤1.2对装夹好的零件进行激光扫描，生成实际零件轮廓；将理论刀路与实际零件轮廓拟合，在实际轮廓上生成原始刀路；
[0051]
步骤1.3在catia中将原始刀路生成前置刀路文件，刀位文件中包含了主轴转速、切削速度、轮廓速度、刀位点以及刀位矢量等内容。如图2所示。每一行均表示一个刀触点的信息，其中{i、j、k}表示刀轴矢量。
[0052]
步骤二：判断刀路中优化区段；所述判断方式为，某区段支撑侧与铣削侧对应轴转动时间差超过阈值。
[0053]
步骤2.1将前置刀位文件导入vericut后置处理软件转换成双五轴镜像铣后置刀路文件，其中包括了铣削侧和支撑侧各轴的位置及ac摆角等内容。如图3所示。前置刀路文件和后置刀路文件刀触点信息属于一一对应关系。
[0054]
步骤2.2根据后置刀路文件以及公式五和公式六计算机床旋转轴的在相应刀触点的角加度和角加速度。
[0055]
步骤2.3由路径起始刀触点开始，计算在一段路径上，旋转轴的转动时间，计算公式如下：
[0056][0057]
其中，a1为该路径铣削侧a轴转动的角度；w
a1
为该路段平均角速度；t
a1
该路径上铣削侧a轴转动的时间。
[0058]
同理，可以获t
c1
该路径上铣削侧c轴转动的时间；t
a2
该路径上支撑侧a轴转动的时间；t
b2
该路径上支撑侧b轴转动的时间。
[0059]
需要说明的是，路径由多个刀触点决定。由于刀触点之间的距离即加工步长一定，因此路径长度可以根据实际情况选择刀触点的数量。依次，可以满足不同曲率或者不同大小零件的判断需求。
[0060]
步骤2.4判断上述路径上，支撑侧与铣削侧对应轴转动时间差超过阈值；如超过则判定该区段待优化。判断方式如下：
[0061][0062]
其中，阈值δ根据机床超声波测厚的信息采样频率来决定。在一种可能的实施例中，δ为采样的间隔时间，或者采样间隔时间的倍数。当两侧转动时间差超过阈值，则可表示该段路径上两侧旋转轴运动幅度偏差大，或存在旋转轴运动摆角大两侧跟随不一致，影响
测厚对加工精度有影响。
[0063]
步骤2.5根据选择的路径长度，由刀路起始刀触点开始，依次迭代遍历整个后置刀路文件，找出所有待优化区段。
[0064]
步骤2.6将找出的待优化区段，将具有重合路径的优化区段合并为新的待优化区段。如刀触点为[8,15]的区段与[10,20]的区段部分重合，则合并为新的待优化区段[8,20]。
[0065]
步骤三：通过刀轴矢量优化，进而实现对优化区段刀路的优化，得到优化后的刀路文件。
[0066]
步骤3.1确定刀轴矢量优化约束条件。为保证机床运动的稳定性，旋转轴角速度角加速度应限制在机床可接受范围内。约束条件为：
[0067][0068][0069]
步骤3.2使用四元数法对优化区段刀轴矢量插值，进而优化前置刀路文件。具体方法如下：
[0070]
对于复杂曲面加工刀轴矢量优化过程中，通过步骤2的方法确定刀轴矢量优化区段[e,f]，假设在起始刀触点p
ce
处刀轴矢量为v1，在结束刀触点p
cf
处刀轴矢量为vn。在刀轴矢量优化区间[e,f]内，由于不同刀位点的反解而铣削侧和支撑侧运动学反解得到的摆角结果都不唯一，a1的转角与铣削侧刀轴矢量w1相关，c1的转角与刀轴矢量u1，v1相关，通过四元数插值方法，可得到优化后的刀轴矢量vi。如图4所示。
[0071]
θq表示刀轴矢量v1和vn之间的夹角，λθq表示刀轴矢量v1和vi之间的夹角，(1-λ)θq表示刀轴矢量vi和vn之间的夹角。通过公式十一的差值算法可得：
[0072][0073]
式中：
[0074][0075]
在刀轴矢量优化区段内可以得到优化后的刀轴矢量计算方法如下：
[0076][0077]
通过上面的计算，可以得到在优化区段[e,f]中各个刀触点位置优化后的刀轴矢量。将优化后的各刀触点的刀轴矢量替换原始前置刀路文件中的刀轴矢量，即可完成刀路文件优化。
[0078]
步骤四：通过对插值后的数据进行运动学逆变换，计算转动时间，得到两侧运动同步差。满足同步差则优化完成，不满足则重复步骤三。直至所有到位均满足ac摆角优化要求。上述逆变换步骤为本领域常规技术方案，此处不再赘述。优化后的刀轴如图5所示。
[0079]
综上所述，本方法步骤概括如下，首先进行基于刀路蒙皮减薄要求，在等距偏置的刀路规划理论上，提取轮廓边界，生成原始刀路，其次将原始刀路生成程序在vericut仿真，在仿真过程记录ac大摆角发生路径段位置及数据；最后将ac摆角发生路径位置段数据进行优化处理，将优化后的刀位数据，替换原仿真路径的缺陷数据，再进行仿真，直至所有的数据均满足镜像铣加工运动特性，完成刀路规划进行加工。所提出的优化方案可大大提高编程人员的工作效率，减少机床的空置问题，提高了机床使用效率，提升蒙皮加工精度，对未来航空航天事业发展有重大意义。
[0080]
本实施例还提供了一种ac转角刀路优化装置，所述装置包括获取单元，判断单元和优化单元。
[0081]
获取单元用于获取原始刀路文件，所述刀路文件包括刀路路径信息；具体方法如前述步骤一所示。
[0082]
判断单元用于判断刀路中优化区段；所述判断方式为，某区段支撑侧与铣削侧对应轴转动时间差超过阈值；具体方法如前述步骤二所示。
[0083]
优化单元用于通过刀轴矢量优化，进而实现对优化区段刀路的优化，得到优化后的刀路文件。具体方法如前述步骤三所示。
[0084]
本技术一示例性实施例提供的一种ac转角刀路优化装置所在电子设备的结构示意图。请参考图6，在硬件层面，该设备包括处理器602、内部总线604、网络接口606、内存608以及非易失性存储器610，当然还可能包括其他业务所需要的硬件。本技术一个或多个实施例可以基于软件方式来实现，比如由处理器602从非易失性存储器610中读取对应的计算机程序到内存608中然后运行。当然，除了软件实现方式之外，本发明一个或多个实施例并不排除其他实现方式，比如逻辑器件抑或软硬件结合的方式等等，也就是说本实施例中处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。
[0085]
本技术一示例性实施例提供存储有计算机程序/指令的计算机可读存储介质，当计算机程序/指令被处理器执行时，致使处理器能够实现以上所述方法中的步骤，此处不再赘述。
[0086]
本技术一示例性实施例提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，当计算机程序/指令被处理器执行时，致使处理器能够实现以上所述方法中的步骤，此处不再赘述。
[0087]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0088]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0089]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0090]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0091]
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0092]
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
[0093]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。
[0094]
计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0095]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0096]
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种ac转角刀路优化方法，其特征是，包括如下步骤：获取原始刀路文件，所述刀路文件包括刀路路径信息；判断刀路中优化区段；所述判断方式为，某区段支撑侧与铣削侧对应轴转动时间差超过阈值；通过刀轴矢量优化，进而实现对优化区段刀路的优化，得到优化后的刀路文件。2.根据权利要求1所述的一种ac转角刀路优化方法，其特征是：所述刀路路径信息包括刀位点以及刀轴矢量。3.根据权利要求1所述的一种ac转角刀路优化方法，其特征是所述原始刀路文件获取方法如下：制定加工工艺规程，在理论数模上生成初始刀路；对刀路考虑等步距、无交叉、无残留、无抬刀的要求进行优化，生成满足镜像铣加工特征的理论刀路；对装夹好的零件进行激光扫描，生成实际零件轮廓；将理论刀路与实际零件轮廓拟合，在实际轮廓上生成原始刀路。4.根据权利要求3所述的一种ac转角刀路优化方法，其特征是，所述判断刀路中优化区段的方法包括如下步骤：将原始刀路数据导入vericut进行仿真，获取后置刀路文件；后置刀路文件包含支撑侧和铣削侧各轴的位置及abc摆角信息；从刀路起点开始，计算刀路任意连续路径上支撑侧a轴和b轴的转动时间，以及铣削侧a轴和c轴的转动时间；判断该段路径铣削侧a轴与支撑侧a轴转动时间差是否小于阈值；或该段路径铣削侧c轴与支撑侧b轴转动时间差是否小于阈值；如任意转动时间差小于阈值则表示该连续路径为待优化区段；选择下一个起始点，重复上述步骤，不断迭代直至遍历整个刀路。5.根据权利要求4所述的一种ac转角刀路优化方法，其特征是，所述阈值为机床超声测厚信息采样时间差；或机床超声测厚信息采样时间差的倍数。6.根据权利要求4所述的一种ac转角刀路优化方法，其特征是，所述待优化区段的刀轴矢量优化计算方法如下：其中，式中，v1表示优化区间起始点刀轴矢量；v
n
表示优化区间结束点刀轴矢量；表示刀轴矢量v1和v
n
之间的夹角；e表示优化区间起始点编号；f表示优化区间结束点编号；表示对应点优化后的刀轴矢量。7.根据权利要求6所述的一种ac转角刀路优化方法，其特征是，还包括判断优化后的刀路文件是否仍然存在待优化的区段，如存在则对待优化区段的刀轴矢量进行优化；直至刀路文件中不存在待优化的区段。
8.一种ac转角刀路优化装置，其特征是：所述装置包括获取单元，判断单元和优化单元；获取单元用于获取原始刀路文件，所述刀路文件包括刀路路径信息；判断单元用于判断刀路中优化区段；所述判断方式为，某区段支撑侧与铣削侧对应轴转动时间差超过阈值；优化单元用于通过刀轴矢量优化，进而实现对优化区段刀路的优化，得到优化后的刀路文件。9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器；以及，用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器通过运行所述可执行指令实现权利要求1-7中任一项所述方法中的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述方法中的步骤。

技术总结
本发明公开了镜像铣AC转角刀路的优化方法，涉及镜像铣加工领域，解决了AC转角摆动过大导致的加工瑕疵问题，其技术方案要点是：一种AC转角刀路优化方法，包括如下步骤：获取原始刀路文件，所述刀路文件包括刀路路径信息；判断刀路中优化区段；所述判断方式为，某区段支撑侧与铣削侧对应轴转动时间差超过阈值；通过刀轴矢量优化，进而实现对优化区段刀路的优化，得到优化后的刀路文件。达到优化刀路，提高加工质量的目的。加工质量的目的。加工质量的目的。


技术研发人员：刘钢 林俊 李军利 杨青平 戴时飞
受保护的技术使用者：上海工程技术大学 上海交通大学四川研究院
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/6