基于特征的快速編程技術在飛機蒙皮工件中的應用*

胡　敏　向兵飛　李迎光　徐　明　祝小軍

(①中國人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西 南昌 330024；②江西洪都航空工業股份有限公司，江西 南昌 330024；③南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

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基于特征的快速編程技術在飛機蒙皮工件中的應用*

胡敏①向兵飛②③李迎光③徐明②祝小軍②

(①中國人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西 南昌 330024；②江西洪都航空工業股份有限公司，江西 南昌 330024；③南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

蒙皮鏡像頂撐銑削制造技術實現了飛機蒙皮的精確綠色制造，但其特殊的加工工藝對刀具軌跡提出了等步距、無交叉、無抬刀等特殊要求，在滿足特殊的刀具軌跡條件下實現復雜蒙皮結構的快速編程是一個難題。為采用基于蒙皮特征的快速編程技術解決以上難題，重點對蒙皮特征加工定義、特征識別和刀軌生成技術進行研究。以具有典型特征的蒙皮工件對基于特征的蒙皮快速編程系統進行驗證，結果表明，采用快速編程系統能實現蒙皮特征的自動識別和刀具軌跡的自動生成，提高了大型蒙皮工件的編程效率，并已在航空制造企業得到成功應用。

蒙皮；特征識別；刀軌生成；數控編程

蒙皮鏡像頂撐銑削技術[1-3]帶來蒙皮制造技術的變革，避免了傳統化銑工藝存在的環境污染、能耗較高、消耗的鋁材無法回收等固有弊端。蒙皮鏡像頂撐銑技術通過銑削刀具和頂撐裝置的協同運動有效防止加工顫振；超聲波厚度在線檢測與控制系統保證蒙皮工件的加工精度；多柔性裝夾系統保證其加工剛性和裝夾穩定性。集厚度減薄、切邊、鉆孔于一體的蒙皮鏡像頂撐銑削技術實現一次裝夾狀態下的蒙皮工件加工，是21世紀最新制造技術。

蒙皮鏡像頂撐銑削技術實現了蒙皮工件的精確綠色制造，但對數控編程提出了很高的要求，商品化的CAM軟件編程效率低，嚴重依賴技術人員的經驗。因此本文應用快速編程技術，融入企業已有的鏡像頂撐銑削工藝知識，實現基于蒙皮特征的刀具軌跡快速生成，達到高效和高質量的要求。

蒙皮工件曲面特征在設計過程中由于曲率變化造成了許多碎面[4-5]，且包含大量相交特征，為特征識別增加了難度，如圖1所示。部分學者對相交特征的識別開展了深入研究，如基于體分解的相交特征識別方法[6]、基于Step-NC的相交特征識別方法[7-9]、混合式相交特征識別方法[10]。受蒙皮曲面特性的相交特征影響及工藝限制，上述特征識別方法不能用于蒙皮的數控編程，因此需要一種幾何與工藝融合，并且特征識別結果可以迭代的特征識別方法。

數控加工刀具軌跡算法種類較多，但主要以最大切寬、最小跳刀次數或最短路徑為優化目標進行刀位軌跡計算，刀軌生成算法依賴特征的幾何拓撲信息。在蒙皮鏡像頂撐銑削過程中，要求刀具軌跡滿足等步距、無交叉、無重疊、無殘留等特殊要求，目前已有的算法只能滿足無殘留、等步距的要求，因此需要在考慮加工特征的拓撲信息的基礎上生成滿足要求的刀具軌跡。

1　蒙皮鏡像頂撐銑數控編程技術

1.1鏡像頂撐銑削加工技術原理

蒙皮鏡像頂撐銑主要由8自由度的臥式數控機床、5自由度的背部頂撐裝置和高柔性化的立式夾具系統組成，三者集成后協同完成飛機蒙皮的精確切邊、精確開窗口、精確制孔和蒙皮厚度的精確加工。鏡像頂撐銑削臥式機床本體切削刀具與背部頂撐裝置末端執行器的位置和姿態時刻成鏡像關系，其加工原理如圖2所示。

蒙皮切邊和切通窗加工過程中，在機床銑頭端部集成了防震顫裝置，目的是避免在蒙皮切邊工藝過程中的震顫。在蒙皮厚度減薄銑削加工過程中，背部頂撐裝置受柔性排架的限制，無法一次完成蒙皮的精確加工。通過設計柔性夾具多次運動方案，進行數次組合，得到能為頂撐裝置提供一個開放、可接近且無支撐桿的加工窗口的組合方案，并設計位置全回退功能，確保其能安全橫穿柔性排架。置于頂撐裝置內部的超聲波厚度在線控制系統實時檢測加工厚度并進行厚度補償，閉環控制銑削厚度，實現蒙皮厚度減薄精確加工。

1.2鏡像頂撐銑削數控編程

為了迎合蒙皮鏡像頂撐銑削設備的功能原理和提高蒙皮工件的加工質量，避免加工過程中的過切或殘余、超聲波測厚系統異常等，蒙皮鏡像頂撐銑削數控編程需要滿足等步距、無交叉、無殘留、無抬刀、刀軸沿曲面法線5個基本要求，與飛機典型結構件的編程相比，大幅增加了編程工作量和編程難度。其編程主要包括創建輔助幾何、手動繪制刀具軌跡和添加機床控制指令。

(1)創建輔助幾何。蒙皮鏡像頂撐銑削數控編程中需要撿取大量特征，由于蒙皮工件設計模型包含大量碎面信息，對數控編程帶來較大影響，因此在撿取特征過程中需要重新創建工藝曲面代替碎面。蒙皮工件中間層特征通常與其他特征相交導致驅動幾何不完整或幾何拓撲被破壞，需要手動創建大量輔助幾何，重新構造特征驅動面，用于中間層特征的數控編程，影響編程效率。

(2)手動繪制刀具軌跡。由于蒙皮工件在加工過程中會出現階刀差，當其厚度監測裝置監測帶有階刀差位置時，會出現信號紊亂的情況，因此在加工過程中，避免出現刀軌交叉或刀軌間距過密的情況，刀軌最小間距Dismin=RE+RF，其中RE為刀具有效切削半徑，RF為超聲波檢測孔半徑。零件加工過程中需要保證無殘留，因此刀軌最大間距Dismax=2×RE。在刀具軌跡范圍內滿足等步距的要求，傳統的編程方式只能通過手動創建引導線的方式來繪制刀具軌跡，如圖3所示。

(3)添加機床控制指令。與典型結構件多個數控加工程序不同，蒙皮鏡像頂撐銑采用1個程序對機床銑削、頂撐裝置協同運動及柔性裝夾系統運動進行控制，完成機床、頂撐裝置和柔性夾具之間協同運動。其協同運動需要在數控編程過程中添加蒙皮鏡像頂撐銑設備專用機床控制指令，通過后置處理編譯成機床可識別的數控加工程序。

蒙皮鏡像頂撐銑加工技術在為復雜蒙皮工件加工提供高效率、低成本綠色解決方案的同時，增加了數控編程難度，目前商品化CAM軟件里沒有自動滿足蒙皮鏡像頂撐銑削要求的刀軌生成方法。為了滿足蒙皮鏡像頂撐銑削刀具軌跡要求，本文應用快速編程技術，實現基于蒙皮特征的快速編程。

2　基于特征的快速編程技術研究

2.1飛機蒙皮工件特征識別技術

2.1.1飛機蒙皮工件加工特征定義

蒙皮工件加工特征均為曲面相交特征，且凹凸特征并存，同時，蒙皮加工特征包含大量的邊信息，且需要對廣泛存在的碎面進行處理，其幾何復雜性為蒙皮工件的特征識別帶來了難點。飛機蒙皮工件結構上存在大量的下陷、通窗和孔，通過對其結構特性和典型工藝方法分析，將蒙皮工件加工特征總結為：下陷特征、通窗特征、孔特征和輪廓特征，如圖4所示，以通窗特征為例對其進行定義。

通窗指的是蒙皮工件上的窗口或腰形孔，由壁面(Side)、頂面(Top)、底面(Bottom)構成。結合蒙皮通窗幾何結構特性及典型加工工藝，將通窗特征(W)定義為：

W=WGeo∪WProcess

(1)

WGeo=WSide∪WTop∪WBottom

(2)

WProcess=WPara∪WTool∪WToolpath

(3)

WGeo表示通窗特征的幾何信息，其中WSide、WTop、WBottom分別表示通窗特征的壁面、頂面、底面；WProcess表示加工工藝信息，其中WPara、WTool、WToolpath分別表示下陷特征的切削參數信息、刀具信息和刀軌信息。

2.1.2基于再拓展屬性面邊圖的特征識別

將飛機蒙皮工件裝配過程中保證飛機氣動外形的一面定義為蒙皮工件的反面，在通過提取蒙皮工件幾何信息，得到工件上每個加工曲面后，通過判斷曲面是否等厚度，將蒙皮工件加工特征的底面與底角面區分，再根據連接關系找到加工特征的所有驅動面，實現蒙皮工件基于再拓展屬性面邊圖的特征識別。其具體方法為：

(1)構建屬性面邊圖。①定義工件模型，建立加工坐標系、標識面及模型輸入定義。②獲取工件模型的拓撲元素，按照拓撲類型+標識碼的方式重新命名拓撲元素，保持拓撲元素的唯一性。③構建蒙皮模型的環特性圖，包含有無內環、內環數量、內環邊的數量等特性。④構建蒙皮模型的屬性面邊圖，即在環特性的基礎上增加邊信息和面信息。

(2)加工特征種子面提取。① 定義加工特征種子面。②基于反面標識面選擇和種子面定義，遍歷蒙皮模型的所有曲面，進行種子面匹配。

(3)構建加工特征。蒙皮工件所有通窗特征、孔特征全部與下陷特征相交，并且通窗特征、孔特征的輪廓邊界均為下陷特征的內環邊，因此需要先構建下陷特征，根據下陷特征構建通窗特征、孔特征，最后構建輪廓特征，完成所有加工特征構建。

(4)提取特征信息，得到特征識別結果，并將識別結果存入XML文件。

2.2基于特征的蒙皮加工刀軌生成算法

2.2.1基于特征的刀軌生成策略

對于不同特征存在不同的刀軌生成策略，以下陷特征為例進行說明，首先獲得待加工下陷特征的驅動幾何，分析其輪廓凸凹特點并基于下陷底面曲率特性，再結合加工資源庫確定加工刀具、優選加工方向和切削寬度等刀軌生成策略，如圖5所示。

刀軌生成策略為：①確定優選加工方向，下陷的刀軌沿曲率變化較小的方向，減少刀軸的連續擺動，提高加工效率。②考慮蒙皮所具有單曲/雙曲率的特性，將與優選加工方向類似平行的驅動邊提取，作為等距方向類平行線，并記錄其個數LPal。③刀具的選擇，刀具有效切削半徑RE及刀具底角cr需滿足RE′

RE+RF

(4)

2.2.2基于特征的刀軌自動生成方法

根據等距線連接規則，將三類等距線有序地首尾連接，形成一條曲線，作為蒙皮工件銑削高效加工的刀軌。圖6為加工特征等距線生成示意圖。刀軌自動生成方法如下：

(1)將加工特征驅動邊Lcont向下陷內部偏移Offset1距離，作為下陷銑削最終環切一刀的刀軌，并存入Lcont_Offset1。

(2)找到偏移后的輪廓線Lcont_Offset1中與LPal相對應的兩條，計算兩線之間沿下陷底面的最遠距離D。

(3)將Lcont_Offset1中各線繼續向下陷內部偏移Offset2距離，Offset2=CWmin，偏移后的各線段存入Lcont_Offset2中，并找到對應于LPal的兩條線段，存入LineI，將Lcont_Offset2中類圓弧線段存入LineII，其余存類直線線段存入LineIII。

(5)判斷LineI’中的每條線是否與LineII及LineIII列表中的線段相交，若有相交將LineII和LineIII中的對應線段分割打斷，并替換存入LineII和LineIII，同時將LineI’中的線段存入LineI中。

3　快速編程系統應用實例

蒙皮鏡像頂撐銑削快速數控編程系統包含工件特征識別、蒙皮工件加工區域劃分、分區域特征識別結果輸出、刀具軌跡自動生成及加工操作自動生產模塊等各個功能模塊，系統基于CATIAV5平臺，用VS/CAA/XML開發實現。

自動特征識別模塊對典型特征進行自動識別，加工參數自動提取。特征識別首先獲取設計模型信息，通過拓撲檢索，逐層搜索下陷、通窗、孔的特征，形成特征列表，高亮顯示特征，如圖7a所示的下陷特征和通窗特征。蒙皮特征識別結果以XML文件保存，通過將加工特征中需要加工的驅動面標識值輸入到XML文件中保存，讀取XML文件即可得到工件模型的加工特征，并獲取待加工的驅動面和驅動邊。刀軌生成模塊根據特征識別模塊提供的幾何對象和工藝知識，在CATIA平臺生成滿足無干涉、無殘留、無重疊、無中途抬刀的蒙皮鏡像頂撐銑刀具路徑要求，生成的刀具軌跡如圖7b所示。

采用蒙皮鏡像頂撐銑快速數控編程系統完成蒙皮工件數控編程，并用蒙皮鏡像頂撐銑削設備進行實際加工，加工效果如圖8所示。對加工后的蒙皮工件進行加工精度、表面粗糙度測量，測量結果表明，采用蒙皮鏡像頂撐銑快速數控編程系統編制的程序滿足蒙皮鏡像頂撐銑加工的質量要求。

4　結語

本文圍繞蒙皮數控鏡像頂撐銑削加工，針對蒙皮鏡像頂撐銑切設備對數控編程提出的特殊需求，開展蒙皮鏡像頂撐銑快速數控編程技術研究及應用。①通過對蒙皮鏡像頂撐加工原理及數控編程技術的分析，得出蒙皮鏡像頂撐銑刀具軌跡的特殊要求。②采用特征識別技術和自動刀軌生成技術等關鍵技術，實現蒙皮特征的自動識別和刀具軌跡的自動生成。③蒙皮快速數控編程系統已在航空制造企業得到成功應用，突破國外機床廠商的復雜編程技術，提高大型蒙皮工件的數控編程效率和加工質量。

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[3]張志國,徐學民. MMS:新型綠色蒙皮加工系統 [J]. 航空制造技術, 2010(19): 84-86.

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[6]Wang E，Kim Y S．Form feature recognition using convex decomposition: Results presented at the 1997 ASME CIE Feature Panel Session[J]．Computer-Aided Design，1998，30(13)：983～989．

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Application of feature-based rapid programming technology for aircraft panels

HU Min①，XIANG Bingfei②③，LI Yingguang③，XU Ming②，ZHU Xiaojun②

(①Military Representative Office of 320 Factory, PLA, Nanchang 330024, CHN；②Hong Du Aviation Industry Group, Nanchang 330024, CHN；③Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, CHN)

The mirror milling manufacturing technology for aircraft panels meets the demand for precision efficient machining and greenhouse machining, but its particular process puts forward special demands on machining tool path, including equal tool path interval, non-cross, no tool retractions, so it’s a difficult issue to come to the rapid programming for complex structural aircraft panels. In order to solve the problem, the technology of feature recognition and tool path generation for aircraft panels are studied so as to meet the requirements of NC programming of mirror milling for aircraft panels. A typical complex aircraft skin part is used to verify the feature based NC programming, and the result proves that the automatic feature recognition and tool paths meeting the tool path requirements can be achieved, and the technology has been successfully deployed in aviation enterprises.

aircraft panels; feature recognition; tool path generation; NC programming

TG666

A

胡敏，男，1979年生，工程師，從事航空裝備質量監督和技術應用工作。

(編輯汪藝)(2015-10-21)

160140

*高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項:國產高檔數控機床與數控系統在飛機筋肋梁等加工單元中的應用(2013ZX04001-021)