数控加工中半精加工特征的识别及其应用

1 引 言

　　数控编程是目前 CAD／CAPP／CAM 系统中最能发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。针对模具电极加工的数控自动编程系统的研究已取得不少成果，然而在半精加工的处理上效果不甚理想，大大制约了数控加工自动化程度的提高。

　　数控铣削中，为了提高加工效率、降低加工成本，首先用大刀快速粗加工。为了获得零件准确形状、精确的尺寸和良好的表面质量，往往要用合适的刀具进行精加工。高效率的粗加工后要获得高精度的精加工，合理地安排半精加工至关重要。研究半精加工的特征识别，减少自动编程系统的人机交互，对模具制造的效率提升具有重要意义。因此提出一种利用截面法获得模型的截面线形状并通过对截面线形状的分析来识别半精加工特征的算法。

2 半精加工特征识别

　　在精加工之前，为了去除由于粗加工刀具直径较大或转角半径大而遗留的材料，使精加工时零件的加工余量较小且较为均匀而进行的加工称为半精加工。是否需要半精加工操作，取决于粗加工刀具尺寸和待加工零件（以下简称模型）的形状。例如粗加工刀具为D10，是否需要半精加工要看待加工模型是否存在粗加工刀具D10加工不到的方，若存在8 mm宽的凹槽则需要半精加工。数控加工中半精加工特征的识别实质上是识别刀具无法到达的内R角、凹槽以及孔洞。综上所述，半精加工特征识别转化为模型的凹槽、孔洞最小尺寸Dmin以及内R角的最小尺寸Rmin的识别。半精加工特征识别算法的具体流程如图1所示，该算法主要由三部分组成：轮廓的获取、轮廓的表达和参数的识别。下面具体介绍关键算法。

图1 半精加工特征识别算法流程

　　2.1 截面轮廓的获取

　　待加工模型的加工坐标系确定后，模型的凹槽或内R角是以顺着Z轴负方向的视线看到的模型轮廓内凹的部分，因而截面方向选为Z轴正向。截面数量的选取如图2所示。模型由2个台阶面组成（台阶面和基准面），在每个台阶顶面上抬0.01 mm的高度做截面（目的是避免截面位于临界处，导致截面的形状无法确定），截面数量取决于模型的平面的数量。采用该方法确定截面数量是保证获得的截面轮廓能够遍历到模型所有的内R角和凹槽的前提下的最少数目。

　　算法步骤：

　　（1）统计模型在基准面以上（包含基准面）的电极头部包含的所有水平面，沿Z轴正向从低到高作面的排序，用一个有序数组an记面的对应的Z轴坐标，同一高度面的高度值记一次。

　　（2）将数组an的每一项值加0.01mm。分别以an的每一项数值为高度，Z轴正向为截面法向，对模型作截面，得到截平面与模型轮廓形成的交线。图2所示模型包含2个台阶面：基准面和台阶面，获得的截面轮廓如图3所示。

图2 待加工模型切片示意

（a）基准面处截面线 （b）台阶面处截面线
图3 截面线组

　　2.2 截面线轮廓的表达

　　为了便于对截面线轮廓进行分析，需要设计合适的数据结构表达截面线轮廓。主要需要表达各元素的几何信息，各几何元素之间的相对位置关系，各个直（曲）线之间的连接关系等。

　　作截面获得的构成轮廓的各曲线段tag（句柄）数组是随机无序排列的，为了将二维轮廓用数据结构形式表达出来，需要对该曲线段数组进行处理，用封闭轮廓搜索算法将这些实体按照构成封闭环归类，并且形成有向、顺序排列tag数组。将组成轮廓的曲线段集进行封闭轮廓搜索分类后，再建立对应的链表数据结构来表达截面轮廓。表达截面轮廓的数据结构如图4所示。

图4 表达截面轮廓的数据结构

　　截面轮廓按图4链表数据结构框架搭建完成后，需要计算其几何属性，如环的方向、内外环判断、轮廓节点凹凸性等，具体算法如下：

　　（1）环方向判别。环方向的判断是通过计算环的面积是正值还是负值来确定环的方向，简称求面积法。

　　（2）内外环的判断。对于任意一个外环的所有内环中，有可能是外环的一级内嵌、二级内嵌，甚至有几个内嵌的环，在半精加工的特征识别时需要区分内外环主要目的是判断轮廓的凹凸性，为了便于分析，将轮廓按嵌套关系标上层号，即最外层的外

　　轮廓层号为0，其一级内嵌层号为1，二级内嵌环层号为2……，处于偶数层的环定义为外环，位于奇数层的环则为内环，有了以上的定义后，则可介绍判断内外环的算法。以图3中基准面处截面线轮廓为例，环L1没有内环，环L2镶嵌内环L3和L4，同时环L4又镶嵌环L5，关系较为复杂，如图5所示。

图5 轮廓的多环关系及其射线P

　　1~ P5的分布环关系树建立过程为：①过环i的最左点作Y轴正向平行且同向的射线；②计算该射线和其他各环交点的Y坐标，并记录交点所在的环；③将所有交点按照Y坐标值的大小（从小到大）进行排序；④删除与射线相交次数为偶数的环的全部交点；⑤若没有一个交点，则环i没有父环；若有交点，则Y坐标值最小的交点所在的环即为环i的父环。在实现该步骤过程中，可能含有大量短直线和小曲线的环划分为严格的单调链和平行单调链。在求射线与环交点过程中，当射线刚好通过两条单调链的交点时，需要作特别设定：（a）两条单调链同时位于射线左侧，按零交点处理；（b）两条单调链位于射线两侧，按照一个交点处理；（c）两条单调链同时位于射线右侧，按照2个交点处理；⑥从左至右考察各环，依据

　　环与其父环建立环关系树，如图6所示。环关系树构建完成后，通过环所属的层值可以判断内外环，关系树的层值设置如图7所示。位于偶数层的环为外环，位于奇数层的环为内环，图7中L1、L2、L4为外环，根据内外环的几何关系，图7中的阴影部分即为模型的截面。

图6 环关系树的构建过程示意图

图7 环关系树的层值设置以及截面