CN118112958B - 一种数字化制孔仿真方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种数字化制孔仿真方法、装置、设备及介质，包括以下步骤：获取孔位偏差值R和摆角偏差θ；以理论制孔位置O为圆心、孔位偏差值R为半径构建基准圆，在基准圆上规划n个仿真点位，以形成第一仿真点位集P_i；基于第一仿真点位集P_i构建均匀分布在圆锥角为θ的圆锥面上的第二仿真点位集Q_i；构建数控机床运动仿真模型；根据第一仿真点位集P_i、第二仿真点位集Q_i以及数控机床运动仿真模型，分别获取第一仿真数据和第二仿真数据，本申请具有可对加工过程中的调整动作进行有效仿真、提高数字化制孔加工安全性的优点。

Description

一种数字化制孔仿真方法、装置、设备及介质

技术领域

本申请涉及数控仿真技术领域，尤其涉及一种数字化制孔仿真方法、装置、设备及介质。

背景技术

随着航空装备的跨代发展，其加工精度、加工质量等要求不断提高，针对大型零部件制孔加工而言，传统的人工手动制孔因其效率低、稳定性不足等因素，已难以满足越来越高的航空装备制造要求。另一方面，数字化加工技术及装备的快速发展，也促进了航空装备制造各环节中人工作业向数字化作业的快速转变，高精度、高效率、高稳定性的数字化加工模式是航空装备制造未来的发展趋势。

数字化加工在大型航空零部件制孔加工中的应用占比日益提高，通过数控机床、工业机器人等自动化设备来完成零部件的制孔工作。大型零部件加工时，因存在较多的工装支架等辅助装置，自动化加工设备运行环境较为复杂，为确保加工程序能够完整、安全的执行，通常在实际加工前会进行加工轨迹的仿真。而现有数控加工仿真方法中，数控机床的运动完全按照理论程序运行，实现了对理论加工程序的准确复现，但针对实际加工过程中基于检测数据的实时调整动作无法展开有效仿真，进而无法确保加工过程的安全性。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种数字化制孔仿真方法、装置、设备及介质，旨在解决现有数控加工仿真方法难以对加工过程中的调整动作进行有效仿真的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供一种数字化制孔仿真方法，包括以下步骤：

获取孔位偏差值R和摆角偏差θ；其中，孔位偏差值R为制孔加工时允许的最大孔位偏差值，摆角偏差θ为制孔加工时允许的最大刀具轴线摆角偏差；

以理论制孔位置O为圆心、孔位偏差值R为半径，在垂直于理论制孔法矢的平面上构建基准圆，在基准圆上规划n个仿真点位，以形成第一仿真点位集P_i；其中，i=1,2,...,n；

基于第一仿真点位集P_i中的每个点位，构建均匀分布在圆锥角为θ的圆锥面上的第二仿真点位集Q_i；其中，i=1,2,...,m，m为第二仿真点位集Q_i的仿真点位数量；

构建数控机床运动仿真模型；

根据第一仿真点位集P_i和数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据；其中，第一仿真数据为基于第一刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，第一刀具运动为刀具的刀尖点由理论制孔位置O移动到基准圆上第一个仿真点位，然后在保持刀具轴线方向不变的前提下，按照基准圆轨迹依次移动到第一仿真点位集P_i中每个仿真点位的运动；

根据第一仿真点位集P_i、第二仿真点位集Q_i以及数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据；其中，第二仿真数据为基于第二刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，第二刀具运动为刀具在第一仿真点位集P_i中每个仿真点位时，驱动刀具遍历第二仿真点位集Q_i中每个点位的运动。

可选地，根据第一仿真点位集P_i和数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据，包括：

控制刀具基于刀尖点由理论制孔位置O移动到基准圆上第一个仿真点位；

控制刀具以固定的刀具轴线方向按照基准圆轨迹依次移动到第一仿真点位集P_i中每个仿真点位；

获取刀具在移动过程中各机床部件运动干涉情况的仿真数据，即获得第一仿真数据。

可选地，根据第一仿真点位集P_i和第二仿真点位集Q_i，以及数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据，包括：

以刀具当前刀尖点所处仿真点位为原点，建立局部坐标系oxyz，且局部坐标系oxyz各坐标轴与当前加工坐标系各坐标轴平行，定义刀轴矢量(A,B,C)表示当前刀具轴线在局部坐标系oxyz中的位姿；

以刀轴矢量(A,B,C)和局部坐标系oxyz的X坐标轴构建平面P，并创建平面P的法向单位矢量(m,n,p)，则有：

(m,n,p)=(A,B,C)×(0,0,1)

在平面P上，构建通过局部坐标系oxyz原点的新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)，且新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)与刀轴矢量(A,B,C)夹角为摆角偏差θ；则有：

Ax₀+By₀+Cz₀=cosθ(1)

mx₀+ny₀+pz₀=0(2)

x₀ ²+y₀ ²+z₀ ²=1(3)

联立式（1）、式（2）和式（3），以求解新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)；

将新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)绕刀轴矢量(A,B,C)依次旋转角度β_i，形成第二刀具运动矢量集(x_i,y_i,z_i)，计算式如下：

（4）

式（4）中，i=1~m，β_i=iβ₀，β₀为新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)的旋转步距，且β₀=360°/m；

根据机床结构类型，采用后置处理算法，将第二刀具运动矢量集(x_i,y_i,z_i)转换为机床执行的第二仿真点位集Q_i，然后驱动数控机床运动仿真模型，以实施第二刀具运动，获取刀具在旋转过程中各机床部件运动干涉情况的仿真数据，即获得第二仿真数据。

可选地，以刀轴矢量(A,B,C)和局部坐标系oxyz的X坐标轴构建平面P的步骤中，当刀轴矢量(A,B,C)和局部坐标系oxyz的X坐标轴平行或存在夹角且夹角小于预设阈值时，则采用刀轴矢量(A,B,C)和局部坐标系oxyz的Y坐标轴构建平面P。

可选地，第一仿真点位集P_i中仿真点位的数量n存在一个最少数量n_min，n_min满足以下条件：

刀具在每个仿真点位基于摆角偏差θ进行刀轴回转运动形成的锥形区域与刀具在相邻两个仿真点位进行刀轴回转运动形成的锥形区域存在至少一半以上交叉；其中，锥形区域为由刀具以当前刀具轴线绕旋转轴线旋转一圈形成的区域，当前刀具轴线与旋转轴线的夹角为θ。

可选地，第二仿真点位集Q_i中的各个元素实际表示一种刀具在做第二刀具运动时的刀具姿态，且第二仿真点位集Q_i的仿真点位数量m应大于等于4，确保实施第二刀具运动时，刀具运动轨迹尽可能的接近所述圆锥面，进而对实际加工过程中所有可能的调整动作进行有效的仿真，确保制孔加工的安全实施。

可选地，构建数控机床运动仿真模型，包括：

基于数控机床拓扑结构，构建数控机床运动学模型；

获取数控机床三维模型；

根据数控机床运动学模型和数控机床三维模型，搭建数控机床运动仿真模型。

可选地，数控机床运动仿真模型满足以下要求：

数控机床运动仿真模型中三维模型的尺寸、相对位置关系与实际机床零部件尺寸、相对位置关系相同；

实际机床中各零部件以及进行工件加工时的工件、工装均在数控机床运动仿真模型中搭建；

在仿真环境中执行数控程序时的数控机床三维模型的运动情况与实际机床执行相同数控程序时的运动情况一致；

对数控机床运动进行仿真时支持以刀尖为驱动点的五轴联动仿真功能。

可选地，获取孔位偏差值R和摆角偏差θ，包括：

基于制孔工件状态的历史检测数据，获取制孔时孔位偏差与刀具法矢偏差的范围，或基于对应制造要求，以确定孔位偏差值R和摆角偏差θ。

为实现上述目的，本申请还提供一种数字化制孔仿真装置，包括：

第一获取模块，用于获取孔位偏差值R和摆角偏差θ；其中，孔位偏差值R为制孔加工时允许的最大孔位偏差值，摆角偏差θ为制孔加工时允许的最大刀具轴线摆角偏差；

第一仿真点位布局模块，用于以理论制孔位置O为圆心、孔位偏差值R为半径，在垂直于理论制孔法矢的平面上构建基准圆，在基准圆上规划n个仿真点位，以形成第一仿真点位集P_i；其中，i=1,2,...,n；

第二仿真点位布局模块，用于基于第一仿真点位集P_i中的每个点位，构建均匀分布在圆锥角为θ的圆锥面上的第二仿真点位集Q_i；其中，i=1,2,...,m，m为第二仿真点位集Q_i的仿真点位数量；

仿真系统构建模块，用于构建数控机床运动仿真模型；

第二获取模块，用于根据第一仿真点位集P_i和数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据；其中，第一仿真数据为基于第一刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，第一刀具运动为刀具的刀尖点由理论制孔位置O移动到基准圆上第一个仿真点位，然后在保持刀具轴线方向不变的前提下，按照基准圆轨迹依次移动到第一仿真点位集P_i中每个仿真点位的运动；

第三获取模块，用于根据第一仿真点位集P_i、第二仿真点位集Q_i以及数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据；其中，第二仿真数据为基于第二刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，第二刀具运动为刀具在第一仿真点位集P_i中每个仿真点位时，驱动刀具遍历第二仿真点位集Q_i中每个点位的运动。

为实现上述目的，本申请还提供一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现上述的方法。

为实现上述目的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现上述的方法。

本申请所能实现的有益效果如下：

本申请基于孔位偏差值R可规划出多个仿真点位，同时结合构建的数控机床运动仿真模型，可分别获取对刀具进行偏移运动时的第一仿真数据以及刀轴回转运动时的第二仿真数据，其中第二仿真数据是在第一刀具运动的基础上，再基于最大刀具轴线摆角偏差θ进行刀具轴线旋转运动仿真的数据，因此采用刀轴偏移运动仿真与刀轴回转运动仿真结合的方式可对实际制孔加工时所有的刀具调整运动情况进行了全面覆盖，确保了每一种可能出现的调整情况都被仿真到。同时，在刀具进行空间位姿调整时，结合数控机床运动学模型，可对机床整体运动情况、各部件之间的干涉碰撞情况以及调整时机床的极限位置等都进行了准确仿真。从而在对理论制孔加工程序仿真验证的基础上，有效地保证了数字化制孔安全实施。综上所述，本申请可在数控制孔加工前的加工仿真环节对实际制孔过程中可能出现的孔位调整与制孔法矢调整动作进行有效仿真，通过对所有的运动可能性进行仿真，避免了实际加工时因刀具位姿调整导致机床与工件、工装等部件的干涉碰撞情况，确保了数字化制孔加工的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请的实施例中一种数字化制孔仿真方法的流程示意图；

图2为数字化制孔孔位偏差与法矢偏差的示意图；

图3为本申请的实施例中规划形成的第一仿真点位集布局示意图；

图4为本申请的实施例中数控机床运动仿真模型的示意图；

图5为本申请的实施例中基于最大摆角偏差的仿真原理示意图；

图6为本申请的实施例中获取第二刀具运动矢量集(x_i,y_i,z_i)的空间关系示意图；

图7为本申请的实施例中基于最大摆角偏差的仿真过程示意图；

图8为本申请的实施例中进行最大摆角偏差仿真时的机床极限位置示意图。

附图标记：

1-机床主轴，2-理论制孔刀轴矢量，3-实际制孔刀轴矢量，4-工件实际位置，5-实际制孔位置，7-工件理论位置，8-理论制孔轴线，9-旋转轴线，10-当前刀具轴线。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

实施例1

参照图1-图8，本实施例提供一种数字化制孔仿真方法，包括以下步骤：

获取孔位偏差值R和摆角偏差θ；其中，孔位偏差值R为制孔加工时允许的最大孔位偏差值，摆角偏差θ为制孔加工时允许的最大刀具轴线摆角偏差；

以理论制孔位置O为圆心、孔位偏差值R为半径，在垂直于理论制孔法矢的平面上构建基准圆，在基准圆上规划n个仿真点位，以形成第一仿真点位集P_i；其中，i=1,2,...,n；

基于第一仿真点位集P_i中的每个点位，构建均匀分布在圆锥角为θ的圆锥面上的第二仿真点位集Q_i；其中，i=1,2,...,m，m为第二仿真点位集Q_i的仿真点位数量；

构建数控机床运动仿真模型；

根据第一仿真点位集P_i和数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据；其中，第一仿真数据为基于第一刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，第一刀具运动为刀具的刀尖点由理论制孔位置O移动到基准圆上第一个仿真点位，然后在保持刀具轴线方向不变的前提下，按照基准圆轨迹依次移动到第一仿真点位集P_i中每个仿真点位的运动；

根据第一仿真点位集P_i、第二仿真点位集Q_i以及数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据；其中，第二仿真数据为基于第二刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，第二刀具运动为刀具在第一仿真点位集P_i中每个仿真点位时，驱动刀具遍历第二仿真点位集Q_i中每个点位的运动。

当前环境下，基本采用基于理论模型的离线编程方式来完成自动化设备控制程序的编制，而实际加工时，因零部件装配问题、结构件受力变形等因素，导致零部件实物与理论模型存在差异。如图2所示，被制孔曲面的工件实际位置4与工件理论位置7出现了偏差，导致实际制孔位置5与理论制孔位置O之间存在孔位偏差d，实际制孔刀轴矢量3与理论制孔刀轴矢量2存在角度偏差α，因此机床主轴1按照理论加工程序进行加工时无法保证制孔的孔位与法矢精度要求，故通常会增加现场修正动作，基于加工前的现场检测数据，对孔位和制孔法矢进行修正，然后再进行加工，以确保加工后的孔位精度和法矢精度满足制造要求。大型零部件加工时，因存在较多的工装支架等辅助装置，自动化加工设备运行环境较为复杂，为确保加工程序能够完整、安全的执行，通常在实际加工前会进行加工轨迹的仿真。但因其缺乏现场测量结果，无法对加工过程中主轴部件因修正孔位与法矢而在加工空间中进行的平移和旋转动作进行准确仿真，故存在较大的干涉碰撞风险，进而无法有效保障大型零部件数字化制孔加工的安全性。针对上述问题，目前常采用现场实时关注的方式来确保加工的安全性，针对高风险的加工区域，常采用降低设备运行速度，实时观察的方式来保障加工安全，该方法存在严重依赖人工，加工效率低下，且无法完全保障加工安全的问题。故亟需一种安全可靠的加工仿真方法，能够在开展理论轨迹仿真的同时，对可能出现的孔位与法矢修正动作也进行有效的仿真，进而保障航空零部件数字化制孔的安全、高效实施。

因此，在本实施例中，通过预设制孔时允许的最大孔位偏差值R与法矢偏差值（即摆角偏差θ），基于孔位偏差值R可规划出多个仿真点位，从而在每个理论制孔位置规划最大摆角域仿真点位集，同时结合构建的数控机床运动仿真模型，可分别获取对刀具进行偏移运动时的第一仿真数据以及刀轴回转运动时的第二仿真数据，其中第二仿真数据是在第一刀具运动的基础上，再基于最大刀具轴线摆角偏差θ进行刀具轴线旋转运动仿真的数据，因此采用刀轴偏移运动仿真与刀轴回转运动仿真结合的方式可对实际制孔加工时所有的刀具调整运动情况进行了全面覆盖，确保了每一种可能出现的调整情况都被仿真到。同时，在刀具进行空间位姿调整时，结合数控机床运动学模型，可对机床整体运动情况、各部件之间的干涉碰撞情况以及调整时机床的极限位置等都进行了准确仿真。从而在对理论制孔加工程序仿真验证的基础上，有效地保证了数字化制孔安全实施。综上所述，本实施例可在数控制孔加工前的加工仿真环节对实际制孔过程中可能出现的孔位调整与制孔法矢调整动作进行有效仿真，通过对所有的运动可能性进行仿真，避免了实际加工时因刀具位姿调整导致机床与工件、工装等部件的干涉碰撞情况，确保了数字化制孔加工的安全性。

需要说明的是，形成仿真点位集P_i的布局后，可将其作为一个固定模式直接应用在每个理论制孔位置。

作为一种可选的实施方式，根据第一仿真点位集P_i和数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据，包括：

控制刀具基于刀尖点由理论制孔位置O移动到基准圆上第一个仿真点位；

控制刀具以固定的刀具轴线方向按照基准圆轨迹依次移动到第一仿真点位集P_i中每个仿真点位；

获取刀具在移动过程中各机床部件运动干涉情况的仿真数据，即获得第一仿真数据。

在本实施方式中，当刀具移动至任意理论制孔位置O时，刀具轴线在理论制孔轴线8位置，且与理论制孔法矢相重合，此时根据在理论制孔位置O周围规划多个仿真点位，以6个为例，即获得仿真点位集P_i（i=1-6），且仿真点位均匀分布在以理论制孔位置O为圆心、最大孔位偏差值R为半径的圆上，此时在机床摆角固定的的前提下，可采用X、Y、Z三轴联合驱动的方式使刀具按照O→P₁→P₂→P₃→P₄→P₅→P₆→O的轨迹完成仿真点位的遍历，并观察机床运动过程中的干涉、碰撞等异常情况，从而完成刀具进行偏移运动仿真，以获得第一仿真数据。

作为一种可选的实施方式，根据第一仿真点位集P_i、第二仿真点位集Q_i以及数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据，包括：

以刀具当前刀尖点所处仿真点位为原点，建立局部坐标系oxyz，且局部坐标系oxyz各坐标轴与当前加工坐标系各坐标轴平行，定义刀轴矢量(A,B,C)表示当前刀具轴线10在局部坐标系oxyz中的位姿；

以刀轴矢量(A,B,C)和局部坐标系oxyz的X坐标轴构建平面P，并创建平面P的法向单位矢量(m,n,p)，则有：

(m,n,p)=(A,B,C)×(0,0,1)

在平面P上，构建通过局部坐标系oxyz原点的新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)，且新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)与刀轴矢量(A,B,C)夹角为摆角偏差θ；则有：

Ax₀+By₀+Cz₀=cosθ(1)

mx₀+ny₀+pz₀=0(2)

x₀ ²+y₀ ²+z₀ ²=1(3)

联立式（1）、式（2）和式（3），以求解新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)；

将新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)绕刀轴矢量(A,B,C)依次旋转角度β_i，形成第二刀具运动矢量集(x_i,y_i,z_i)，计算式如下：

（4）

式（4）中，i=1~m，β_i=iβ₀，β₀为新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)的旋转步距，且β₀=360°/m；

根据机床结构类型，采用后置处理算法，将第二刀具运动矢量集(x_i,y_i,z_i)转换为机床执行的第二仿真点位集Q_i，然后驱动数控机床运动仿真模型，以实施第二刀具运动，获取刀具在旋转过程中各机床部件运动干涉情况的仿真数据，即获得第二仿真数据。

在本实施方式中，第二仿真点位集Q_i中的各个元素实际表示一种刀具在做第二刀具运动时的刀具姿态，且第二仿真点位集Q_i的仿真点位数量m应大于等于4，确保实施第二刀具运动时，刀具运动轨迹尽可能的接近所述圆锥面，进而对实际加工过程中所有可能的调整动作进行有效的仿真，确保制孔加工的安全实施，这里取第二仿真点位集Q_i中仿真点位的数量为m=4，则第二仿真点位集中，新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)旋转步距β₀=360°/4=90°；将当前刀具轴线10绕旋转轴线9分别旋转90°、180°、270°、360°，得到第二刀具运动矢量集(x_i,y_i,z_i)，并通过后置处理得到第二仿真点位集Q₄；然后驱动机床运动模型按照第二仿真点位集Q₄中轨迹运行，获取刀具在旋转过程中各机床部件运动干涉情况的仿真数据，即获得第二仿真数据。

需要说明的是，刀具按照O→P₁→P₂→P₃→P₄→P₅→P₆→O的轨迹运行时，当刀具移动到每一个仿真点位时，即进行一次第二刀具运动仿真检查，具体为：以当前刀具位于仿真点位P_i时的第一刀具轴线为旋转轴线9，在保持刀尖位置不动的前提下，驱动刀具轴线偏转，从而得到偏转后的刀具轴线，使最终刀具轴线与旋转轴线9夹角为最大刀具轴线摆角偏差θ，然后可在机床开启RTCP运动模式下，采用五轴联动的方式驱动刀具遍历第二仿真点位集Q₄中轨迹，完成刀轴摆角回转仿真，从而对刀具的运动、刀具运动时数控机床各部件的运动情况及运行过程中的极限位置进行准确的仿真（如图8所示），同时检查机床运动过程中的干涉、碰撞情况，从而获得第二仿真数据。

需要说明的是，刀轴摆角回转仿真应满足如下要求：

（1）刀具做第二刀具运动仿真时，始终保持刀尖点在旋转轴线9上，且刀轴始终与旋转轴线9具有夹角θ；

（2）刀具进行旋转运动仿真时，运动仿真系统中的数控机床应开启RTCP驱动模式，由平动轴与旋转轴共同驱动刀具的空间旋转运动。

作为一种可选的实施方式，以刀轴矢量(A,B,C)和局部坐标系oxyz的X坐标轴构建平面P的步骤中，当刀轴矢量(A,B,C)和局部坐标系oxyz的X坐标轴平行或存在夹角且夹角小于预设阈值时，则采用刀轴矢量(A,B,C)和局部坐标系oxyz的Y坐标轴构建平面P，从而避免出现刀轴与X轴重合的情况，确保能够构建唯一的平面P，以及其法向单位矢量（m,n,p）。

作为一种可选的实施方式，第一仿真点位集P_i中仿真点位的数量n存在一个最少数量n_min，n_min满足以下条件：

刀具在每个仿真点位基于摆角偏差θ进行刀轴回转运动形成的锥形区域与刀具在相邻两个仿真点位进行刀轴回转运动形成的锥形区域存在至少一半以上交叉；其中，锥形区域为由刀具以当前刀具轴线10绕旋转轴线9旋转一圈形成的区域，当前刀具轴线10与旋转轴线9的夹角为θ。

在本实施方式中，为提升仿真效率，仿真点位的数量应尽量少，即在基准圆上尽量以最少的仿真点位覆盖最大的范围，但存在一个最少数量n_min，可保证刀具在每个仿真点位进行刀轴回转运动形成的锥形区域与刀具在相邻两个仿真点位进行刀轴回转运动形成的锥形区域存在至少一半以上交叉，即保证了仿真数据的全面性，又提升了仿真效率。

作为一种可选的实施方式，构建数控机床运动仿真模型，包括：

基于数控机床拓扑结构，构建数控机床运动学模型；

获取数控机床三维模型；

根据数控机床运动学模型和数控机床三维模型，搭建数控机床运动仿真模型。

在本实施方式中，通过构建数控机床运动拓扑链，搭建出数控机床运动仿真模型，从而可配置准确的数控机床仿真环境，实现了在刀具进行空间运动时，对所有机床运动部件的运动情况、机床运行过程中设备与工装、工件等部件的碰撞、干涉等情况的准确仿真，确保对航空零部件数字化制孔加工过程中的各种运行情况全部仿真覆盖，进而支撑航空零部件数字化制孔的安全实施，避免了加工设备损坏与产品损伤等质量事故的发生。

作为一种可选的实施方式，数控机床运动仿真模型满足以下要求：

数控机床运动仿真模型中三维模型的尺寸、相对位置关系与实际机床零部件尺寸、相对位置关系相同；

实际机床中各零部件以及进行工件加工时的工件、工装均在数控机床运动仿真模型中搭建；

在仿真环境中执行数控程序时的数控机床三维模型的运动情况与实际机床执行相同数控程序时的运动情况一致；

对数控机床运动进行仿真时支持以刀尖为驱动点的五轴联动仿真功能。

基于上述要求，保证了仿真模型与真实机床运动情况的一致性，从而保证对机床运动仿真数据的准确性。

作为一种可选的实施方式，获取孔位偏差值R和摆角偏差θ，包括：

基于制孔工件状态的历史检测数据，获取制孔时孔位偏差与刀具法矢偏差的范围，或基于对应制造要求，以确定孔位偏差值R和摆角偏差θ。

实施例2

基于与前述实施例相同的发明思路，本实施例还提供一种数字化制孔仿真装置，包括：

第一获取模块，用于获取孔位偏差值R和摆角偏差θ；其中，孔位偏差值R为制孔加工时允许的最大孔位偏差值，摆角偏差θ为制孔加工时允许的最大刀具轴线摆角偏差；

第一仿真点位布局模块，用于以理论制孔位置O为圆心、孔位偏差值R为半径，在垂直于理论制孔法矢的平面上构建基准圆，在基准圆上规划n个仿真点位，以形成第一仿真点位集P_i；其中，i=1,2,...,n；

第二仿真点位布局模块，用于基于第一仿真点位集P_i中的每个点位，构建均匀分布在圆锥角为θ的圆锥面上的第二仿真点位集Q_i；其中，i=1,2,...,m，m为第二仿真点位集Q_i的仿真点位数量；

仿真系统构建模块，用于构建数控机床运动仿真模型；

第二获取模块，用于根据第一仿真点位集P_i和数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据；其中，第一仿真数据为基于第一刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，第一刀具运动为刀具的刀尖点由理论制孔位置O移动到基准圆上第一个仿真点位，然后在保持刀具轴线方向不变的前提下，按照基准圆轨迹依次移动到第一仿真点位集P_i中每个仿真点位的运动；

第三获取模块，用于根据第一仿真点位集P_i、第二仿真点位集Q_i以及数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据；其中，第二仿真数据为基于第二刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，第二刀具运动为刀具在第一仿真点位集P_i中每个仿真点位时，驱动刀具遍历第二仿真点位集Q_i中每个点位的运动。

本实施例的装置中各模块的相关解释和举例可参照前述实施例的方法，这里不再赘述。

实施例3

基于与前述实施例相同的发明思路，本实施例提供一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现上述的方法。

实施例4

基于与前述实施例相同的发明思路，本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现上述的方法。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种数字化制孔仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取孔位偏差值R和摆角偏差θ；其中，所述孔位偏差值R为制孔加工时允许的最大孔位偏差值，所述摆角偏差θ为制孔加工时允许的最大刀具轴线摆角偏差；

以理论制孔位置O为圆心、孔位偏差值R为半径，在垂直于理论制孔法矢的平面上构建基准圆，在所述基准圆上规划n个仿真点位，以形成第一仿真点位集P_i；其中，i=1,2,...,n；

基于所述第一仿真点位集P_i中的每个点位，构建均匀分布在圆锥角为θ的圆锥面上的第二仿真点位集Q_i；其中，i=1,2,...,m，m为所述第二仿真点位集Q_i的仿真点位数量；

构建数控机床运动仿真模型；

根据所述第一仿真点位集P_i和所述数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据；其中，所述第一仿真数据为基于第一刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，所述第一刀具运动为刀具的刀尖点由所述理论制孔位置O移动到所述基准圆上第一个仿真点位，然后在保持刀具轴线方向不变的前提下，按照所述基准圆轨迹依次移动到所述第一仿真点位集P_i中每个仿真点位的运动；

根据所述第一仿真点位集P_i、所述第二仿真点位集Q_i以及所述数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据；其中，所述第二仿真数据为基于第二刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，所述第二刀具运动为刀具在所述第一仿真点位集P_i中每个仿真点位时，驱动刀具遍历所述第二仿真点位集Q_i中每个点位的运动。

2.如权利要求1所述的一种数字化制孔仿真方法，其特征在于，所述根据所述第一仿真点位集P_i和所述数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据，包括：

控制刀具基于刀尖点由所述理论制孔位置O移动到所述基准圆上第一个所述仿真点位；

控制所述刀具以固定的刀具轴线方向按照所述基准圆轨迹依次移动到所述第一仿真点位集P_i中每个所述仿真点位；

获取所述刀具在移动过程中各机床部件运动干涉情况的仿真数据，即获得第一仿真数据。

3.如权利要求1或2所述的一种数字化制孔仿真方法，其特征在于，所述根据所述第一仿真点位集P_i、所述第二仿真点位集Q_i以及所述数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据，包括：

以刀具当前刀尖点所处仿真点位为原点，建立局部坐标系oxyz，且所述局部坐标系oxyz各坐标轴与当前加工坐标系各坐标轴平行，定义刀轴矢量(A,B,C)表示当前刀具轴线在所述局部坐标系oxyz中的位姿；

以所述刀轴矢量(A,B,C)和所述局部坐标系oxyz的X坐标轴构建平面P，并创建平面P的法向单位矢量(m,n,p)，则有：

(m,n,p)=(A,B,C)×(0,0,1)

在平面P上，构建通过所述局部坐标系oxyz原点的新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)，且所述新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)与所述刀轴矢量(A,B,C)夹角为所述摆角偏差θ；则有：

Ax₀+By₀+Cz₀=cosθ(1)

mx₀+ny₀+pz₀=0(2)

x₀ ²+y₀ ²+z₀ ²=1(3)

联立式（1）、式（2）和式（3），以求解新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)；

将所述新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)绕所述刀轴矢量(A,B,C)依次旋转角度β_i，形成第二刀具运动矢量集(x_i,y_i,z_i)，计算式如下：

（4）

式（4）中，i=1~m，β_i=iβ₀，β₀为所述新刀轴单位矢量(x₀,y₀,z₀)的旋转步距，且β₀=360°/m；

根据机床结构类型，将所述第二刀具运动矢量集(x_i,y_i,z_i)转换为机床执行的第二仿真点位集Q_i，然后驱动所述数控机床运动仿真模型，以实施第二刀具运动，获取刀具在旋转过程中各机床部件运动干涉情况的仿真数据，即获得第二仿真数据。

4.如权利要求3所述的一种数字化制孔仿真方法，其特征在于，所述以所述刀轴矢量(A,B,C)和所述局部坐标系oxyz的X坐标轴构建平面P的步骤中，当所述刀轴矢量(A,B,C)和所述局部坐标系oxyz的X坐标轴平行或存在夹角且夹角小于预设阈值时，则采用所述刀轴矢量(A,B,C)和所述局部坐标系oxyz的Y坐标轴构建平面P。

5.如权利要求3所述的一种数字化制孔仿真方法，其特征在于，所述第一仿真点位集P_i中仿真点位的数量n存在一个最少数量n_min，n_min满足以下条件：

所述刀具在每个所述仿真点位基于所述摆角偏差θ进行所述刀轴回转运动形成的锥形区域与所述刀具在相邻两个所述仿真点位进行所述刀轴回转运动形成的锥形区域存在至少一半以上交叉；其中，锥形区域为由刀具以当前刀具轴线绕旋转轴线旋转一圈形成的区域，当前刀具轴线与旋转轴线的夹角为θ。

6.如权利要求1所述的一种数字化制孔仿真方法，其特征在于，所述构建数控机床运动仿真模型，包括：

基于数控机床拓扑结构，构建数控机床运动学模型；

获取数控机床三维模型；

根据所述数控机床运动学模型和所述数控机床三维模型，搭建数控机床运动仿真模型。

7.如权利要求1或6所述的一种数字化制孔仿真方法，其特征在于，所述数控机床运动仿真模型满足以下要求：

所述数控机床运动仿真模型中三维模型的尺寸、相对位置关系与实际机床零部件尺寸、相对位置关系相同；

所述实际机床中各零部件以及进行工件加工时的工件、工装均在所述数控机床运动仿真模型中搭建；

在仿真环境中执行数控程序时的数控机床三维模型的运动情况与所述实际机床执行相同数控程序时的运动情况一致；

对数控机床运动进行仿真时支持以刀尖为驱动点的五轴联动仿真功能。

8.如权利要求1所述的一种数字化制孔仿真方法，其特征在于，所述获取孔位偏差值R和摆角偏差θ，包括：

基于制孔工件状态的历史检测数据，获取制孔时孔位偏差与刀具法矢偏差的范围，或基于对应制造要求，以确定孔位偏差值R和摆角偏差θ。

9.一种数字化制孔仿真装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取孔位偏差值R和摆角偏差θ；其中，所述孔位偏差值R为制孔加工时允许的最大孔位偏差值，所述摆角偏差θ为制孔加工时允许的最大刀具轴线摆角偏差；

第一仿真点位布局模块，用于以理论制孔位置O为圆心、孔位偏差值R为半径，在垂直于理论制孔法矢的平面上构建基准圆，在所述基准圆上规划n个仿真点位，以形成第一仿真点位集P_i；其中，i=1,2,...,n；

第二仿真点位布局模块，用于基于所述第一仿真点位集P_i中的每个点位，构建均匀分布在圆锥角为θ的圆锥面上的第二仿真点位集Q_i；其中，i=1,2,...,m，m为所述第二仿真点位集Q_i的仿真点位数量；

仿真系统构建模块，用于构建数控机床运动仿真模型；

第二获取模块，用于根据所述第一仿真点位集P_i和所述数控机床运动仿真模型，获取第一仿真数据；其中，所述第一仿真数据为基于第一刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，所述第一刀具运动为刀具的刀尖点由所述理论制孔位置O移动到所述基准圆上第一个仿真点位，然后在保持刀具轴线方向不变的前提下，按照所述基准圆轨迹依次移动到所述第一仿真点位集P_i中每个仿真点位的运动；

第三获取模块，用于根据所述第一仿真点位集P_i、所述第二仿真点位集Q_i以及所述数控机床运动仿真模型，获取第二仿真数据；其中，所述第二仿真数据为基于第二刀具运动的各机床部件运动干涉情况的仿真数据，所述第二刀具运动为刀具在所述第一仿真点位集P_i中每个仿真点位时，驱动刀具遍历所述第二仿真点位集Q_i中每个点位的运动。

10.一种计算机设备，其特征在于，该计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。

11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。