飞机复杂构件快速数控加工准备系统及方法.pdf

飞机复杂构件快速数控加工准备系统及方法，系统以现有CAD/CAM系统为平台，包括工艺资源与知识库管理模块、快速毛坯生成模块、零件分类与工艺方案分析模块、自动编程模块、快速工装生成模块、应力分析及变形控制模块、前后置处理模块以及工艺数据生成模块八部分，该系统建立在三维数字化零件模型基础上，较系统和准确地体现并支持飞机复杂构件数控加工工艺准备及编程的专业化流程，可大量减少工艺准备及编程过程中所需的人机交互操作，有效解决由于工艺员经验不足导致编制的程序不稳定，加工工艺方案设计不合理等问题，并能有效控制零件加工过程中以及加工后的变形量，能显著提高数控加工准备和编程的效率与质量，提升CAD/CAM系统的专业化和智能化水平。

1.  一种飞机复杂构件快速数控加工准备系统，该系统是建立在现有CAD/CAM系统平台上，其特征在于：由工艺资源与知识库管理模块、快速毛坯生成模块、零件分类与工艺方案分析模块、自动编程模块、快速工装生成模块、应力分析及变形控制模块、前后置处理模块以及工艺数据生成模块八部分组成，其中：
所述的现有CAD/CAM系统平台，为“飞机复杂构件快速数控加工准备系统”提供平台支撑，系统首先在该平台上建立飞机复杂构件三维零件模型，并与系统的八大模块进行数据交换，辅助实现工装模型的定位、夹紧及生成，辅助生成零件的毛坯模型；然后利用CAD/CAM系统平台的“变形分析”模块实现结构件加工过程中以及加工完后的变形分析；最后根据自动编程模块所构建的加工单元应用CAD/CAM系统平台的“数控加工”模块辅助生成加工操作树并进行刀轨计算和加工仿真；
所述的工艺资源与知识库管理模块，为系统提供基础支撑数据、支撑数据与其他模块进行数据交换的接口，以及支撑数据库的管理，其中支撑数据库包括工艺知识库、机床参数库、工件材料库、刀具参数及材料库、数控加工切削参数库、工装标准件库、工装典型件库、工装检验样板模型库、工装设计知识库；另外通过建立其他模块与支撑数据库的数据接口，实现不同模块间的数据传输、调用与管理，完成支撑数据库与整个“飞机复杂构件快速数控加工准备系统”的连接，将支撑数据库与整个系统关联在一起，实现数据资源的共享与管理；支撑数据库的管理包括各种支撑数据的查询、删除、插入、修改、保存以及推理，方便各种支撑数据的查看与更新；
所述的快速毛坯生成模块，根据零件模型、毛坯类型以及其它工艺约束条件自动确定零件各个部位的加工余量，生成毛坯模型；
所述的零件分类与工艺方案分析模块，首先对现有的飞机复杂构件进行分类并定义出这些零件中不同的典型特征及结构；然后结合工艺资源与知识库管理模块中的工艺知识库确定各种零件对应的加工方案，包括确定各种特征、结构的加工方法、装夹方法、刀具推荐、切削参数推荐以及机床推荐；
所述的自动编程模块，首先根据飞机复杂构件的数字化三维模型进行整体零件的加工特征识别，获取零件的所有加工特征；其次根据零件模型、零件类型、加工侧个数、毛坯类型、毛坯模型以及特征识别结果，再结合工艺资源与知识库管理模块中的支撑数据，进行知识推理生成零件的加工方案，其中加工方案采用多叉树进行表示，与实际的加工工艺过程相对应，即生成加工方案结构树；然后根据不同加工阶段及加工特征几何参数自动选取各加工阶段不同特征采用的刀具，并根据不同零件的加工工艺知识自动进行知识推理确定结构件中不同特征的加工顺序；再根据特征识别结果、刀具选取结果以及加工方案结构树，自动在CAD/CAM系统的“数控加工”模块中生成加工操作树，并对每个加工操作自动设置加工几何参数、加工策略参数、刀具参数、切削参数以及加工过渡连接，进而实现加工文件的自动生成；最后进行刀轨计算和加工仿真，并在加工过程中进行切削参数分析，实现切削参数的优化选取；
所述的快速工装生成模块，首先快速确定当前工序需要的夹紧和定位位置，快速确定零件的装夹方案，其次由应力分析及变形控制模块对这种装夹方案进行变形分析获取优化的工装方案，再结合人机交互快速确定夹紧与定位器类型，最后从工艺资源与知识库管理模块的工装典型件库、工装标准件库中调用对应的定位及夹紧装置模型，并进行相应的定位与安装；
所述的应力分析及变形控制模块，用于优化工装和切削参数，作为系统的辅助模块，在工装装夹完成后，模拟分析加工过程中工件表面应力分布，并分析加工完成后工件表面残余应力分布和工件上各夹紧点位置的材料变形，然后计算出零件在加工后工件的变形量；根据分析和计算结果，调整工装的结构方案和切削参数，以控制工件的变形；
所述的前后置处理模块，用于实现不同数控程序之间的转换，其中前置处理用于CAD/CAM系统加工文件转换成中间代码APT文件，后置处理用于将APT转换成不同数控系统的加工代码，并且针对不同数控系统的数控程序，实现其相互之间的自由转换；
所述的工艺数据生成模块，提取出零件加工工艺规程中的各项内容，然后添加到工艺报表中，生成加工工艺卡、加工工序卡、数控刀具卡、装夹图及零件设定卡。

2.  根据权利要求1所述的飞机复杂构件快速数控加工准备系统实现方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1)：进入CAD/CAM系统平台的“数控加工”模块，并进入飞机复杂构件快速数控加工准备系统，载入已有的飞机复杂构件零件模型；
步骤2)：进行零件基本信息的设定，具体有：(1)零件的类型：包括壁板、框、梁、肋、长桁、接头以及缘条；(2)加工侧个数：包括单面、双面以及多面；(3)毛坯类型：包括板材、型材、锻件以及铸件；
步骤3)：结合零件模型的工艺特点对零件模型进行质量检测，并对不能满足实际工艺要求的局部错误结构进行相应的修正，使零件模型满足加工工艺要求，以保证输入到系统八大模块中的零件模型的正确性；
步骤4)：进入快速毛坯生成模块，由步骤2)中设定的零件类型确定该零件的毛坯类型，首先对零件模型进行毛坯加工余量分析，然后结合毛坯类型和毛坯加工余量，再辅以适当的人机交互，在零件模型的基础上快速生成毛坯模型，最后由零件模型和毛坯模型组成加工模型；
步骤5)：进入自动编程模块，首先需要根据步骤2)中设定的零件类型与加工侧信息为每个加工侧设定对应的加工坐标系，然后在每个加工坐标系下对零件的所有拓扑面进行面类型识别，并按照面类型识别结果进行组孔操作，包括埋头孔、沉头孔、锥孔、圆柱直孔的识别与构建，对组成的横向孔和斜向孔进行删除操作，以方便后续的特征识别；在当前加工坐标系下，采用基于分层思想的广义槽特征识别方法对零件进行加工特征识别，即创建分层层面与零件实体求交并获取出每层的交线环，然后提取出交线环中边线依赖的面，再由交线环中不同边线之间的连接关系将这些边线依赖的面进行组合，进而组成广义槽特征，再根据纵向面之间的关联关系构建出飞机结构件广义槽特征结构树；
步骤6)：经过步骤5)中的特征识别后，人工交互设定是否载入现有的相似零件加工方案，如果选择“是”则从加工方案库中自动匹配相似零件的加工方案，以列表形式在系统界面上表现出来，再次由人工交互进行优化选取；否则进入零件分类及工艺方案分析模块，根据工艺经验知识和零件类型进行知识推理，确定当前零件的基本加工方案，包括机床信息、加工侧信息、总体的加工阶段划分等，再根据零件特征信息以及加工阶段划分，自动选取刀具，确定各加工阶段过程中加工不同特征所需要的刀具参数和切削参数，将基本加工方案和刀具选取结果进行合并，即生成推荐的零件加工方案；通过上述两种方式生成零件加工方案后，进入加工方案交互修改界面，该界面采用多叉树结构表达零件整个加工工艺过程，该树包含零件节点、机床节点、加工侧节点、工序节点、工步节点、程序节点、刀具节点，然后人工对加工方案进行交互修改与检查，最后确认保存；如果为初次加工的零件，其加工方案自动添加到加工方案库中，以供下次相似零件的调用，保证方案的统一性和规范性；
步骤7)：再次进入自动编程模块，首先从步骤6)生成的加工方案中提取出各工序工步中使用的刀具信息，并用这些刀具匹配步骤5)中提取的加工特征信息，使加工特征与刀具进行关联，保证加工特征在不同的加工阶段有合适的刀具进行加工；然后结合加工方案，以及特征与刀具的对应信息，构建零件的加工单元，主要有：<1>粗加工单元构建：采用分层粗加工思想，首先对加工特征进行优化分层，然后获取每个层面的加工几何导引线环，并进行相应的修正，另外再结合底面、顶面、刀具参数、切削参数、加工策略参数以及加工过渡连接，即完成粗加工单元的构建；<2>侧壁精加工单元构建：参照粗加工单元构建方式，获取加工特征精加工的加工几何导引线，再结合底面、顶面、刀具参数、切削参数、加工策略参数以及加工过渡连接，构建精加工单元；最后根据加工方案树，自动在CAM系统中生成加工操作树，其中加工操作是一个具体加工单元信息的集合，包含加工当前特征的加工策略参数、加工参数、几何参数、刀具参数以及加工宏过渡连接，再对加工操作树中所有的加工操作进行刀轨计算和加工仿真，并对存在问题的刀轨进行修正；
步骤8)进入快速工装生成模块，首先自动计算当前工序需要的夹紧和定位位置，其次从自动编程模块生成的刀轨信息中提取离散的切削点，并进行夹紧力、支撑力与切削力的计算；然后进入到应力分析及变形控制模块，在该模块中根据夹紧位置、定位位置、以及作用于这些位置上的力，建立零件加工过程应力应变分析模型，由程序自动进行应力应变分析，如果变形结果不满足要求，则继续调整夹紧点和定位点进行下一个方案的分析，直到获取到一个优化的工装方案，然后从工艺资源与知识库管理模块的工装典型件库、工装标准件库中调用对应的定位及夹紧装置模型，并进行相应的定位与安装；
步骤9)工装三维模型生成完后，需要判断是否需要修正刀轨，如果是则需要对刀轨进行修正，防止与工装模型产生干涉；如果不需要，则进入步骤10)；
步骤10)进入前后置处理模块，首先由前置处理程序将CAM系统的加工文件转换成APT中间代码，然后再结合特定的数控机床代码格式，对其进行语义分析与解析，经过后置处理程序生成相应的数控机床代码，保存到文件；将生成的机床代码进行加工仿真，查看是否存在过切或残留区域，如果是则再次修改刀轨，直到生成的代码完全正确；
步骤11)最后进入工艺数据生成模块，首先根据自动编程模块生成的中间件模型自动实现由中间件三维模型生成工序草图，其中工序草图包含中间件投影草图、加工坐标系、局部细节说明以及局部尺寸标注；然后根据实际工艺表单中的内容和格式，以及自动编程模块生成的加工方案，提取出加工方案中的工艺数据信息，工艺数据信息包括机床、加工侧向、工序、工步、程序、刀具以及工装，并将其内容及工序草图自动添加到对应的工艺表单中，进而生成结构件加工工艺规程中的相关卡片，包括加工工艺卡、加工工序卡、数控刀具卡以及装夹图与零件设定卡。

飞机复杂构件快速数控加工准备系统及方法
技术领域
本发明涉及一种飞机复杂构件快速数控加工准备系统及方法，应用于飞机复杂构件的快速数控加工工艺准备及编程，进而实现飞机复杂构件的高效高质数控加工，属于飞机结构件数字化智能加工技术领域。
背景技术
现代飞机结构中大量采用整体结构件以缩短加工与装配周期以及减轻重量来提高飞机性能。但是飞机复杂构件具有结构复杂，制造精度要求高，加工难度大等特点，而当前数控加工工艺准备及数控编程存在很多问题：(1)加工经验知识没有进行规则化，统一化，没有发挥继承性；(2)采用现有CAD/CAM系统，毛坯生成功能简单，无法满足实际加工需要，并且编程交互量巨大，周期长；(3)加工工艺规划很大程度上取决于工艺员的个人经验与知识水平，随意性较大，造成程序质量不稳定；(4)结构件在数控加工过程中易变形，影响零件加工质量和加工精度；(5)工装设计也是凭借个人经验，设计周期长，质量不稳定；(6)后置处理程序无法完成不同数控系统之间的代码转换；(7)尤其是缺乏在数字化三维模型基础上实现数控加工工艺准备和数控编程的一整套专业化流程，导致工艺方案规划、数控加工编程、加工变形分析、夹紧构型设计、夹紧方案、毛坯生成等环节相互之间缺乏协调与关联，进而影响到飞机结构件的加工效率和质量，延长了飞机制造周期。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种飞机复杂构件快速数控加工准备系统及方法；
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种飞机复杂构件快速数控加工准备系统及方法，该系统是建立在现有CAD/CAM系统平台上，由工艺资源与知识库管理模块、快速毛坯生成模块、零件分类与工艺方案分析模块、自动编程模块、快速工装生成模块、应力分析及变形控制模块、前后置处理模块以及工艺数据生成模块八部分组成，其中：
所述的现有CAD/CAM系统平台，为“飞机复杂构件快速数控加工准备系统”提供平台支撑，系统首先在该平台上建立飞机复杂构件三维零件模型，并与系统的八大模块进行数据交换，辅助实现工装模型的定位、夹紧及生成，辅助生成零件的毛坯模型；然后利用CAD/CAM系统平台的“变形分析”模块实现结构件加工过程中以及加工完后的变形分析；最后根据自动编程模块所构建的加工单元应用CAD/CAM系统平台的“数控加工”模块辅助生成加工操作树并进行刀轨计算和加工仿真；
所述的工艺资源与知识库管理模块，为系统提供基础支撑数据、支撑数据与其他模块进行数据交换的接口，以及支撑数据库的管理，其中支撑数据库包括工艺知识库、机床参数库、工件材料库、刀具参数及材料库、数控加工切削参数库、工装标准件库、工装典型件库、工装检验样板模型库、工装设计知识库；另外通过建立其他模块与支撑数据库的数据接口，实现不同模块间的数据传输、调用与管理，完成支撑数据库与整个“飞机复杂构件快速数控加工准备系统”的连接，将支撑数据库与整个系统关联在一起，实现数据资源的共享与管理；支撑数据库的管理包括各种支撑数据的查询、删除、插入、修改、保存以及推理，方便各种支撑数据的查看与更新；
所述的快速毛坯生成模块，根据零件模型、毛坯类型以及其它工艺约束条件自动确定零件各个部位的加工余量，生成毛坯模型；
所述的零件分类与工艺方案分析模块，首先对现有的飞机复杂构件进行分类并定义出这些零件中不同的典型特征及结构；然后结合工艺资源与知识库管理模块中的工艺知识库确定各种零件对应的加工方案，包括确定各种特征、结构的加工方法、装夹方法、刀具推荐、切削参数推荐以及机床推荐；
所述的自动编程模块，首先根据飞机复杂构件的数字化三维模型进行整体零件的加工特征识别，获取零件的所有加工特征；其次根据零件模型、零件类型、加工侧个数、毛坯类型、毛坯模型以及特征识别结果，再结合工艺资源与知识库管理模块中的支撑数据，进行知识推理生成零件的加工方案，其中加工方案采用多叉树进行表示，与实际的加工工艺过程相对应，即生成加工方案结构树；然后根据不同加工阶段及加工特征几何参数自动选取各加工阶段不同特征采用的刀具，并根据不同零件的加工工艺知识自动进行知识推理确定结构件中不同特征的加工顺序；再根据特征识别结果、刀具选取结果以及加工方案结构树，自动在CAD/CAM系统的“数控加工”模块中生成加工操作树，并对每个加工操作自动设置加工几何参数、加工策略参数、刀具参数、切削参数以及加工过渡连接，进而实现加工文件的自动生成；最后进行刀轨计算和加工仿真，并在加工过程中进行切削参数分析，实现切削参数的优化选取；
所述的快速工装生成模块，首先快速确定当前工序需要的夹紧和定位位置，快速确定零件的装夹方案，其次由应力分析及变形控制模块对这种装夹方案进行变形分析获取优化的工装方案，再结合人机交互快速确定夹紧与定位器类型，最后从工艺资源与知识库管理模块的工装典型件库、工装标准件库中调用对应的定位及夹紧装置模型，并进行相应的定位与安装；
所述的应力分析及变形控制模块，用于优化工装和切削参数，作为系统的辅助模块，在工装装夹完成后，模拟分析加工过程中工件表面应力分布，并分析加工完成后工件表面残余应力分布和工件上各夹紧点位置的材料变形，然后计算出零件在加工后工件的变形量；根据分析和计算结果，调整工装的结构方案和切削参数，以控制工件的变形；
所述的前后置处理模块，用于实现不同数控程序之间的转换，其中前置处理用于将CAD/CAM系统加工文件转换成中间代码APT文件，后置处理用于将APT转换成不同数控系统的加工代码，并且针对不同数控系统的数控程序，实现其相互之间的自由转换；
所述的工艺数据生成模块，提取出零件加工工艺规程中的各项内容，然后添加到工艺报表中，生成加工工艺卡、加工工序卡、数控刀具卡、装夹图及零件设定卡。
飞机复杂构件快速数控加工准备系统实现方法的具体步骤如下：
步骤1)：进入CAD/CAM系统平台的“数控加工”模块，并进入飞机复杂构件快速数控加工准备系统，载入已有的飞机复杂构件零件模型；
步骤2)：进行零件基本信息的设定，具体有：(1)零件的类型：壁板、框、梁、肋、长桁、接头以及缘条；(2)加工侧个数：包括单面、双面以及多面；(3)毛坯类型：包括板材、型材、锻件以及铸件；
步骤3)：结合零件模型的工艺特点对零件模型进行质量检测，并对不能满足实际工艺要求的局部错误结构进行相应的修正，使零件模型满足加工工艺要求，以保证输入到系统八大模块中的零件模型的正确性；
步骤4)：进入快速毛坯生成模块，由步骤2)中设定的零件类型确定该零件的毛坯类型，首先对零件模型进行毛坯加工余量分析，然后结合毛坯类型和毛坯加工余量，再辅以适当的人机交互，在零件模型的基础上快速生成毛坯模型，最后由零件模型和毛坯模型组成加工模型；
步骤5)：进入自动编程模块，首先需要根据步骤2)中设定的零件类型与加工侧信息为每个加工侧设定对应的加工坐标系，然后在每个加工坐标系下对零件的所有拓扑面进行面类型识别，并按照面类型识别结果进行组孔操作，包括埋头孔、沉头孔、锥孔、圆柱直孔的识别与构建，对组成的横向孔和斜向孔进行删除操作，以方便后续的特征识别；在当前加工坐标系下，采用基于分层思想的广义槽特征识别方法对零件进行加工特征识别，即创建分层层面与零件实体求交并获取出每层的交线环，然后提取出交线环中边线依赖的面，再由交线环中不同边线之间的连接关系将这些边线依赖的面进行组合，进而组成广义槽特征，再根据纵向面之间的关联关系构建出飞机结构件广义槽特征结构树；
步骤6)：经过步骤5)中的特征识别后，人工交互设定是否载入现有的相似零件加工方案，如果选择“是”则从加工方案库中自动匹配相似零件的加工方案，以列表形式在系统界面上表现出来，再次由人工交互进行优化选取；否则进入零件分类及工艺方案分析模块，根据工艺经验知识和零件类型进行知识推理，确定当前零件的基本加工方案，包括机床信息、加工侧信息、总体的加工阶段划分等，再根据零件特征信息以及加工阶段划分，自动选取刀具，确定各加工阶段过程中加工不同特征所需要的刀具参数和切削参数，将基本加工方案和刀具选取结果进行合并，即生成推荐的零件加工方案；通过上述两种方式生成零件加工方案后，进入加工方案交互修改界面，该界面采用多叉树结构表达零件整个加工工艺过程，该树包含零件节点、机床节点、加工侧节点、工序节点、工步节点、程序节点、刀具节点，然后人工对加工方案进行交互修改与检查，最后确认保存；如果为初次加工的零件，其加工方案自动添加到加工方案库中，以供下次相似零件的调用，保证方案的统一性和规范性；
步骤7)：再次进入自动编程模块，首先从步骤6)生成的加工方案中提取出各工序工步中使用的刀具信息，并用这些刀具匹配步骤5)中提取的加工特征信息，使加工特征与刀具进行关联，保证加工特征在不同的加工阶段有合适的刀具进行加工；然后结合加工方案，以及特征与刀具的对应信息，构建零件的加工单元，主要有：<1>粗加工单元构建：采用分层粗加工思想，首先对加工特征进行优化分层，然后获取每个层面的加工几何导引线环，并进行相应的修正，另外再结合底面、顶面、刀具参数、切削参数、加工策略参数以及加工过渡连接，即完成粗加工单元的构建；<2>侧壁精加工单元构建：参照粗加工单元构建方式，获取加工特征精加工的加工几何导引线，再结合底面、顶面、刀具参数、切削参数、加工策略参数以及加工过渡连接，构建精加工单元；最后根据加工方案树，自动在CAM系统中生成加工操作树，其中加工操作是一个具体加工单元信息的集合，包含加工当前特征的加工策略参数、加工参数、几何参数、刀具参数以及加工宏过渡连接，再对加工操作树中所有的加工操作进行刀轨计算和加工仿真，并对存在问题的刀轨进行修正；
步骤8)进入快速工装生成模块，首先自动计算当前工序需要的夹紧和定位位置，其次从自动编程模块生成的刀轨信息中提取离散的切削点，并进行夹紧力、支撑力与切削力的计算；然后进入到应力分析及变形控制模块，在该模块中根据夹紧位置、定位位置、以及作用于这些位置上的力，建立零件加工过程应力应变分析模型，由程序自动进行应力应变分析，如果变形结果不满足要求，则继续调整夹紧点和定位点进行下一个方案的分析，直到获取到一个优化的工装方案，然后从工艺资源与知识库管理模块的工装典型件库、工装标准件库中调用对应的定位及夹紧装置模型，并进行相应的定位与安装；
步骤9)工装三维模型生成完后，需要判断是否需要修正刀轨，如果是则需要对刀轨进行修正，防止与工装模型产生干涉；如果不需要，则进入步骤10)；
步骤10)进入前后置处理模块，首先由前置处理程序将CAM系统的加工文件转换成APT中间代码，然后再结合特定的数控机床代码格式，对其进行语义分析与解析，经过后置处理程序生成相应的数控机床代码，保存到文件；将生成的机床代码进行加工仿真，查看是否存在过切或残留区域，如果是则再次修改刀轨，直到生成的代码完全正确；
步骤11)最后进入工艺数据生成模块，首先根据自动编程模块生成的中间件模型自动实现由中间件三维模型生成工序草图，其中工序草图包含中间件投影草图、加工坐标系、局部细节说明以及局部尺寸标注；然后根据实际工艺表单中的内容和格式，以及自动编程模块生成的加工方案，提取出加工方案中的工艺数据信息，工艺数据信息包括机床、加工侧向、工序、工步、程序、刀具以及工装，并将其内容及工序草图自动添加到对应的工艺表单中，进而生成结构件加工工艺规程中的相关卡片，包括加工工艺卡、加工工序卡、数控刀具卡以及装夹图与零件设定卡。
本发明的有益效果：本发明是建立在零件的三维数字化模型基础上，较系统和准确地体现并支持飞机复杂构件数控加工工艺准备及编程的专业化流程，应用该系统，可直接在构件三维模型上开展并实现从工艺方案规划、数控加工编程、加工变形分析、夹紧构型设计、毛坯和半成品件三维建模到夹紧方案、加工过程优化及夹具智能化设计等完整的数控加工准备过程，，能大量减少工艺准备及编程过程中所需的人机交互操作，可有效解决由于工艺员经验不足导致编制的程序不稳定，加工工艺方案设计不合理等问题，能显著提高数控加工准备和编程的效率与质量，进而提升CAD/CAM系统的专业化和智能化水平，对加快当前和未来航空型号的研制以满足我国国防建设的迫切需要将发挥重要的作用。
附图说明
图1飞机复杂构件快速数控加工准备系统功能结构图；
图2飞机复杂构件快速数控加工准备系统实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明，本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的实现过程，但是本发明的保护范围不限于下述实施实例。
图1是飞机复杂构件快速数控加工准备系统功能结构图，该系统是基于现有CAD/CAM系统的“数控加工”模块，集工艺资源与知识库及其相应的智能接口，用于直接在飞机复杂构件三维模型上开展并实现从工艺方案规划、数控加工编程、加工变形分析、夹紧构型设计、毛坯和半成品件三维建模到夹紧方案、加工过程优化及夹具智能化设计等完整的数控加工准备过程，其包含八大模块，具体为：工艺资源与知识库管理模块①、快速毛坯生成模块②、零件分类与工艺方案分析模块③、自动编程模块④、快速工装生成模块⑤、应力分析及变形控制模块⑥、前后置处理模块⑦以及工艺数据生成模块⑧，其中：
所述现有CAD/CAM系统平台，为“飞机复杂构件快速数控加工准备系统”提供平台支撑，系统首先在该平台上建立飞机复杂构件三维零件模型，并与系统的八大模块进行数据交换，辅助实现工装模型的定位、夹紧及生成，辅助生成零件的毛坯模型；然后利用CAD/CAM系统平台的“变形分析”模块实现结构件加工过程中以及加工完后的变形分析；最后根据自动编程模块④所构建的加工单元应用CAD/CAM系统平台的“数控加工”模块辅助生成加工操作树并进行刀轨计算和加工仿真；
所述的工艺资源与知识库管理模块①，为系统提供基础支撑数据、支撑数据与其他模块进行数据交换的接口，以及支撑数据库的管理，其中支撑数据库包括工艺知识库、机床参数库、工件材料库、刀具参数及材料库、数控加工切削参数库、工装标准件库、工装典型件库、工装检验样板模型库、工装设计知识库；另外通过建立其他模块与支撑数据库的数据接口，实现不同模块间的数据传输、调用与管理，完成支撑数据库与整个“飞机复杂构件快速数控加工准备系统”的连接，将支撑数据库与整个系统关联在一起，实现数据资源的共享与管理；支撑数据库的管理包括各种支撑数据的查询、删除、插入、修改、保存以及推理，方便各种支撑数据的查看与更新；
所述快速毛坯生成模块②，即根据零件模型、毛坯类型以及其它工艺约束条件自动确定零件各个部位的加工余量，然后生成毛坯模型，该模块包含三种毛坯的快速生成：<1>板材、型材毛坯的自动生成；<2>锻件毛坯快速生成；<3>铸件毛坯快速生成；
所述零件分类与工艺方案分析模块③，首先对现有的飞机复杂构件进行分类并定义出这些零件中不同的典型特征及结构；然后结合工艺资源与知识库管理模块中的工艺知识库确定各种零件对应的加工方案，包括确定各种特征、结构的加工方法、装夹方法、刀具推荐、切削参数推荐以及机床推荐；
所述自动编程模块④，首先根据飞机复杂构件的数字化三维模型进行整体零件的加工特征识别，获取零件的所有加工特征；其次根据零件模型、零件类型、加工侧个数、毛坯类型、毛坯模型以及特征识别结果，再结合工艺资源与知识库管理模块中的支撑数据，进行知识推理生成零件的加工方案，其中加工方案采用多叉树进行表示，与实际的加工工艺过程相对应，即生成加工方案结构树；然后根据不同加工阶段及加工特征几何参数自动选取各加工阶段不同特征采用的刀具，并根据不同零件的加工工艺知识自动进行知识推理确定结构件中不同特征的加工顺序；再根据特征识别结果、刀具选取结果以及加工方案结构树，自动在CAD/CAM系统的“数控加工”模块中生成加工操作树，并对每个加工操作自动设置加工几何参数、加工策略参数、刀具参数、切削参数以及加工过渡连接，进而实现加工文件的自动生成；最后进行刀轨计算和加工仿真，并在加工过程中进行切削参数分析，实现切削参数的优化选取；
所述快速工装生成模块⑤，首先快速确定当前工序需要的夹紧和定位位置，快速确定零件的装夹方案，其次由应力分析及变形控制模块⑥对这种装夹方案进行变形分析获取优化的工装方案，再结合人机交互快速确定夹紧与定位的具体装夹方式，最后从工艺资源与知识库管理模块①的工装典型件库、工装标准件库中调用对应的定位及夹紧装置模型，并进行相应的定位与安装；
所述应力分析及变形控制模块⑥，用于优化工装和切削参数，作为系统的辅助模块，在工装装夹完成后，模拟分析加工过程中工件表面应力分布，并分析加工完成后工件表面残余应力分布和工件上各夹紧点位置的材料变形，然后计算出零件在加工后工件的变形量；根据分析和计算结果，调整工装的结构方案和切削参数，以控制工件的变形；
所述前后置处理模块⑦，用于实现不同数控程序之间的转换，其中前置处理用于CAD/CAM系统加工文件转换成中间代码APT文件，后置处理用于将APT转换成不同数控系统的加工代码，并且针对不同数控系统的数控程序，实现其相互之间的自由转换；
所述工艺数据生成模块⑧，提取出零件加工工艺规程中的各项内容，然后添加到工艺报表中，生成加工工艺卡、加工工序卡、数控刀具卡、装夹图及零件设定卡；
图2是飞机复杂构件快速数控加工准备系统实现的总流程，各个模块之间并不是严格意义上的串行过程，而是一个相互交错的互为依赖的过程，其具体实现的步骤为：
步骤1)：进入CAD/CAM系统平台的“数控加工”模块，并进入到飞机复杂构件快速数控加工准备系统(S1)，然后载入飞机复杂构件零件模型(S2)；
步骤2)：交互设定零件的类型(S3)，飞机复杂构件包括以下类型：壁板、框、梁、肋、长桁、接头以及缘条；
步骤3)：首先编程员结合零件模型的工艺特点对零件模型进行质量检测(S4)，并对不能满足实际工艺要求的局部错误结构进行相应的模型修正(S5)，使零件模型满足加工工艺要求，以保证输入到系统八大模块中的零件模型的正确性；然后进行零件信息的设定(S6)，包括(1)加工侧个数：包括单面，双面以及多面；(2)毛坯类型：包括板材、型材、锻件以及铸件；
步骤4)：进入快速毛坯生成模块②，首先由步骤2)中设定的零件类型确定该零件的毛坯类型，其次进行毛坯信息的设定(S7)，然后对零件模型进行毛坯余量分析，最后结合毛坯类型和毛坯余量，再辅以适当的人机交互，在零件模型的基础上快速生成毛坯模型(S8)，最后再经过局部修正确认生成最终的毛坯模型(S9)，并载入生成的毛坯模型(S10)，由零件模型和毛坯模型组成加工模型，另外再设置默认的机床资源(S11)；
步骤5)：进入自动编程模块④，首先需要根据步骤2)中设定的零件类型与加工侧向信息为每个加工侧设定对应的加工坐标系(S12)，然后在每个加工坐标系下对零件的所有拓扑面进行面类型识别(S13)，并按照面类型识别结果进行组孔操作，包括埋头孔、沉头孔、锥孔、圆柱直孔的识别与构建，对组成的横向孔和斜向孔进行删除操作(S14)，以方便后续的特征识别；在当前加工坐标系下，采用基于分层思想的广义槽特征识别方法对零件进行加工特征识别，即创建分层层面与零件实体求交并获取出每层的交线环(S15)，然后提取出交线环中边线依赖的面(S16)，再由交线环中不同边线之间的连接关系将这些边线依赖的面进行知识推理与规则匹配(S17)，进而组成广义槽特征(S18)，再根据纵向面之间的关联关系构建出飞机结构件广义槽特征结构树；
步骤6)：经过步骤5)中的特征识别后，人工交互设定是否载入现有的相似零件加工方案(S19)，如果选择“是”则从加工方案库中自动匹配相似零件的加工方案，以列表形式在系统界面上表现出来，再次由人工交互进行优化选取，然后直接载入相似加工方案(S241)；否则进入零件分类及工艺方案分析模块③，根据工艺经验知识和零件类型进行知识推理，确定当前零件的基本加工方案(S20)，包括机床信息、加工侧信息、总体的加工阶段划分，再根据零件特征信息以及加工阶段划分，自动选取刀具(S21)，确定各加工阶段过程中加工不同特征所需要的刀具参数和切削参数(S22)，将基本加工方案和刀具选取结果进行合并(S23)，即生成推荐的零件加工方案(S242)；通过上述两种方式生成零件加工方案后，弹出加工方案交互编辑界面，该界面采用多叉树结构表达零件整个加工工艺过程，包含零件节点、机床节点、加工侧节点、工序节点、工步节点、程序节点以及刀具节点，人工可以对这种方案进行交互修改与检查(S25)，最后确认保存及输出(S26)；如果为初次加工的零件，其加工方案自动添加到加工方案库中，以供下次相似零件的调用，保证方案的统一性和规范性；
步骤7)：再次进入自动编程模块④，首先从步骤6)生成的加工方案中提取出各工序工步中使用的刀具信息，并用这些刀具匹配步骤5)中提取的加工特征信息，使加工特征与刀具进行关联(S27)，保证特征在不同的加工阶段有合适的刀具进行加工；然后结合加工方案，以及特征与刀具的对应信息，构建结构件加工的加工单元(S28)，其主要包括：<1>粗加工单元构建：采用分层粗加工思想，首先对加工特征进行优化分层，然后获取每个层面的加工几何导引线环(S29)，并进行相应的修正(S30)，另外再结合底面、顶面、刀具参数、切削参数、加工策略参数以及加工过渡连接，即完成粗加工单元的构建；<2>侧壁精加工单元构建：参照粗加工单元构建方式，获取加工特征精加工的加工几何导引线(S29)，并进行相应的修正(S30)，再结合底面、顶面、刀具参数、切削参数、加工策略参数以及加工过渡连接，构建精加工单元；最后根据加工方案树，自动在CAM系统中生成加工操作树(S31)，其中加工操作是一个具体加工单元信息的集合，包含加工当前特征的几何参数(S32)、加工策略参数(S33)、加工参数(S33)、刀具参数(S33)以及加工宏过渡连接(S33)，再对加工操作树中所有的加工操作进行刀轨计算(S34)和加工仿真(S35)，并对存在问题的刀轨进行修正(S35)；
步骤8)进入快速工装生成模块⑤，首先系统自动计算当前工序需要的夹紧和定位位置(S37)，并从自动编程模块④生成的刀轨信息中提取离散的切削点，以及进行夹紧力、支撑力与切削力的计算(S38)；然后进入到应力分析及变形控制模块，在该模块中根据夹紧位置、定位位置、以及作用于这些位置上的力，建立零件加工过程应力应变分析模型(S39)，由程序自动进行应力应变分析(S40)，提取变形结果(S41)，并判断变形是否符合要求(S42)，如果变形结果不满足要求，则继续调整夹紧和定位位置(S37)进行下一个方案的分析，直到获取到一个优化的工装方案(S43)，否则直接获取当前工装方案为优化方案(S43)，然后输出二维的工装方案(S44)，并交互设定定位夹紧器类型(S45)，再从工艺资源与知识库管理模块的工装典型件库、工装标准件库中调用对应的定位及夹紧装置模型(S46)，并进行相应的定位和安装(S47)，最后生成工装三维模型(S48)；
步骤9)工装三维模型生成完后，需要判断是否需要修正刀轨，即重新生成加工操作(S49)，如果是则重新进入到步骤7)的(S31)，此时需要在加工操作中设定工装信息，防止产生干涉；否则直接进行刀轨分析并修正刀轨(S50)；
步骤10)前后置处理模块⑦，首先由前置处理程序(S51)将CAM系统中的加工文件转换成APT中间代码(S52)，然后再结合特定的数控机床代码格式，对其进行语义分析与解析，经过后置处理程序(S53)生成相应的数控机床代码(S54)，保存到文件；最后将生成的机床代码进行加工仿真(S55)，查看是否存在过切或残留区域(S56)，如果是则再次修改刀轨，直到生成的代码完全正确，否则直接进行代码的输出(S57)；
步骤11)最后进入工艺数据生成模块⑧，首先根据自动编程模块④生成的中间件模型自动实现由中间件三维模型生成工序草图，其中工序草图包含中间件投影草图、加工坐标系、局部细节说明以及局部尺寸标注；然后根据实际工艺表单中的内容和格式，以及自动编程模块④生成的加工方案，提取出加工方案中的工艺数据信息，工艺数据信息包括机床、加工侧向、工序、工步、程序、刀具以及工装，并将其内容及工序草图自动添加到对应的工艺表单中，进而生成结构件加工工艺规程中的相关卡片，包括加工工艺卡(S58)、加工工序卡(S59)、数控刀具卡(S60)、装夹图以及零件设定卡(S61)。