● 摘要
目前飞机结构件的数控加工编程存在工作量大、周期长、质量不稳定及加工效率低等问题，并已成为影响飞机快速研制的主要瓶颈之一，而实现数控加工自动编程是解决这一瓶颈问题的有效技术途径。本论文围绕这一目标，在国家重大科技专项等课题的支持下，对飞机结构件数控加工编程中最基本加工对象（简称加工单元）的构造方法开展系统深入的研究。在详细分析典型飞机结构件数控加工工艺及其编程方法的基础上，提出和建立数控加工单元自动构造的专门理论、技术和算法，突破基于残留域及刀具可加工能力的自动特征加工技术，解决数控加工自动编程中从加工特征、刀具资源到加工程序间数据自动映射与生成等关键问题，为实现飞机结构件数控加工自动编程提供核心理论和技术支持。本文主要包含以下内容：1、研究和建立加工单元自动构造理论。在深入分析飞机结构件的结构及其工艺特点的基础上，提出工艺方案驱动的加工单元自动构造原理。其中，首先引入加工单元概念，提出和建立工艺方案模型及其构建规则、以及数控加工链模型；然后，构建基于残留域的加工单元自动构造理论，并提出可避免加工过程中干涉与过切的实时补加工方法。这些模型、理论和方法将为加工单元的自动构造和优化排序奠定坚实的基础。2、研究和构建加工单元自动构造技术。以加工单元自动构造原理为基础，提出和建立基于残留域的加工单元自动构造技术。即：首先，提出域元等概念，将零件的加工域分解成若干个域元，并将域元分解为直域元和曲域元。对于直域元，通过计算残留域中的可加工域完成加工；而对曲域元，通过铣削特征曲面完成加工。其次，提出和建立直域元构造方法——环域扩展与修正法，自动实现初始残元的构造。然后，提出和建立操作元自动求解方法——二次滚圆法以及基于边界拓展和骨架的加工导动元优化计算方法。最后，综合操作元、加工操作类型及导动元等参数，完成粗加工、腹板、平筋顶及内外形等加工单元的自动构造，以突破基于残留模型的自动零件加工技术瓶颈。3、研究和建立转角加工单元构造算法。深入分析常见转角结构的几何特点，并提出和设计基于主元的转角加工单元构造算法。其中：首先，引入主元、侧R、底R及切深增大区等新概念，并利用侧R与底R定义转角特征。然后，在综合几何类型、几何属性及可加工性等特性的基础上，提出和建立主元识别方法，并给定一系列准则，建立转角识别及其有效性判断方法。最后，针对转角特征，建立其加工导动元及分层参数的计算方法，以实现转角加工单元自动构造。这些方法不仅解决了飞机结构件转角的快速数控加工编程问题，而且为基于特征的快速数控加工编程提供一种有效的技术思路。4、研究和建立加工单元优化排序算法。为保证数控加工程序的质量以及提高其加工效率，提出一种基于工艺过程的加工单元优化排序算法，即：首先，以工艺方案为基础，进行机床、工位、工序、工步、程序及刀具节点的宏观排序；然后，对刀具可加工的加工单元进行四级分组，并根据工艺过程进行加工单元组的排序；最后，对同组内的加工单元，以加工路径最短为目标，应用模拟退火算法进行路径优化，以减少加工单元间的空走刀轨迹。这种排序方法综合考虑了宏观工艺流程及工步内走刀过程，有效融合了工艺级和几何级的排序，可显著提升数控加工程序质量及加工效率。根据上述理论、技术和算法，设计并开发“加工单元自动构造”子系统，并集成于“飞机结构件快速数控加工编程系统”中。通过实际应用，验证了本文所提出和建立的各项理论、技术及算法的正确性，并可有效解决飞机结构件的自动特征加工问题，以及显著提升飞机结构件数控加工编程的自动化水平。