复杂零件加工余量优化：基于CMM检测的工件定位方法

þþHOS T E D B Y可在www.sciencedirect.com网站上查阅计算设计与工程学报2（2015）248www.elsevier.com/locate/jcde一种整体结构张颖n，张定华，吴宝海西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，Xi接收日期：2015年3月20日;接收日期：2015年5月30日;接受日期：2015年6月12日2015年6月19日在线发布摘要线性摩擦焊+数控加工等复合制造工艺是目前制造和修复整体结构复杂零件的主要方法复杂零件在数控加工过程中，由于基准位置不同，加工过程中不可避免会产生变形，因此保证足够的加工余量是非常重要的。提出了一种基于CMM检测的复杂零件加工余量优化的工件定位方法。该技术涉及一个对齐过程，以确保单个零件以及整个集成零件的足够库存余量。首先建立了约束线形的数学模型实验结果表明，该方法在复杂零件的自适应加工中，对单个零件和整体零件的加工余量进行合理分配是可行的&2015 年 CAD/CAM 工 程 师 协 会 。 由 Elsevier 制 作 和 主 持 。 这 是 一 个 在 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：自适应加工;三坐标测量机;复杂零件;加工余量优化;工件定位1. 介绍叶轮、整体叶盘等高精度、大批量的复杂集成零件广泛应用于军用和民用航空航天领域的重大装备中。工业对这些零件的高效精密加工的要求越来越高[1]。目前，复合制造工艺是复杂零件制造的主要方法，包括精密锻造+数控加工、精密铸造+数控加工和精密焊接+数控加工[1此外，特别是与常规结构件相比，对于具有整体结构的复杂零件，修复技术是关键问题，影响其使用寿命，制约其应用水平[3]。目前，线性摩擦焊是n通讯作者。联系电话：86 2988493232 x409;传真：86 2988491576。电子邮件地址：zhangyingcdim@nwpu.edu.cn（Y. 张）。同行评审由CAD/CAM工程师协会负责。是制造和维修复杂集成部件的理想解决方案。因为它可以节省大量的贵金属，减少加工时间，综合性能高。但与传统加工方法不同，复杂集成零件数控加工的加工区域、定位基准、余量分配和刀具轨迹生成都依赖于前道工序的实际加工结果因此设计模型将不再适用于多轴数控编程，必须自适应地构造工艺几何模型来描述复杂零件的实际位置和形状。它被称为自适应加工或自适应修复，许多研究人员已经解决了复杂零件的相关主题[3Gao等人[5，6]提出了一种通过几何重构的复杂航空航天部件一体化自适应修复方案，但仅针对弯曲叶片。由于航空航天零部件几何形状的变化，很难重建几何模型以最佳地拟合实际几何形状。Zhang等[3]提出了一种基于自适应过程模型的整体叶盘精密加工自适应加工方法，http://dx.doi.org/10.1016/j.jcde.2015.06.0072288-4300/2015 CAD/CAM工程师协会。&由Elsevier制作和主持。这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。Y. Zhang等人/计算设计与工程学报2（2015）248249公司简介¼.你...ΣΣN我NðÞ.Σð ð ÞÞ¼为整体叶盘数控加工提供了精确的工件定位、余量分配和误差补偿描述。但没有给出具体的模型和求解方法。实际上，除了几何建模，工件定位和公差优化是复杂零件自适应加工或修复的重要技术[3，7- 10]。通过测量雕塑曲面的特征点，并执行定位算法，确定工件的精确位置，从而优化加工余量的分配ICP（Iterative Closest Point，迭代最近点）方法是目前比较常用的方法，在模型对齐、图像处理和模式识别等领域，已有学者对该方法进行了改进[7]。Zhu等人[8]提出了一个统一的框架，用于通过调整其位置（位置/方向）将复杂刚性表面最佳拟合到测量的3D坐标数据Sun等人[9]开发了一种用于雕刻曲面加工的统一定位技术。 该技术涉及一个对准过程，以满足用户定义的一组约束条件，用于优先保证加工余量的某些特定表面。遗憾的是，上述研究对复合制造工艺的数控加工还没有给予足够的重视，对具有整体结构的复杂零件的加工余量优化还没有建立有 效 的 方 法 [3]。为大幅度提高复杂整体零件的数控加工精度，提出了一种加工余量优化的统一模型。以整体叶盘为研究对象，首先介绍了加工余量优化模型。第三节讨论了整体叶盘的对称分块求解策略。在第四节中，实验证明了这种创新的优化方法比传统的方法的优点。2. 加工余量众所周知，自适应加工方法是关键Fig. 1. 转化关系。图二.距离函数。(a)无加工余量。(b)加工余量δ40。点qi的面法向量，δ为加工余量，通过如下变换可得到点集Q的等距点集，并可得到加工点集Q0的q0ii1;N;N：根据对应点p0i和q0i，方向距离函数可以定义为dixp0i-q0iUniRxUpitx-qiUni-δ1其中R是旋转变换，t是平移变换，x（α，β，γ，Δx，Δy，Δz）T是变换参数;α，β和γ表示关于xw，yw和zw的旋转分量，同时Δx，Δy和Δz表示沿着xw，yw和zw的平移分量。因此，基于复杂零件的测量特征点，可以建立统一的加工余量优化模型，并表示为：整体叶盘的高精度制造和维修点在航空航天工业的复合材料制造过程中，8>最小fx¼iX¼1 d2×104 iX¼1. . .RxUpitx-qiα-δα2遇到的一个常见问题是，设计人员提供的标称CAD模型与其相应的“加工”模型不同>：s：t：xAD¼.xj-μrgdixrε;i<$1;2;：：：;Nð2Þ数控加工不同工序的基准位置不同，可能导致夹紧位置不准确。对于复杂零件的复合制造过程，加工余量优化的目的是满足加工要求，即实现余量的均匀或非均匀分布，改善前道工序不可避免的变形。其实质是确定复杂零件的位置，用刚体转动和工件坐标系与测量坐标系之间的平移变换来描述（见图1）。①的人。假设在测量坐标系中设置的测量点为P<$fpiji <$1;N;g，而在工件坐标系中设置的测量点为P0<$fp0iji<$1;N;g。 如图所示。2，点qi是工件表面上与点p0i距离最短的点。对于点集P0，可以定义相应的点集Q<$fqiji<$1;N;Ng设ni为单位在该模型中，D是x的可行域，由距离分布控制函数gdix定义，其上偏差和下偏差分别为ε和μ当目标函数达到其最小值时，定位变换Rn;tn被称为最优定位变换（OLT），并且对应的xn是最优变换参数（OTP）。加工余量优化的约束条件可分为四类：区域公差约束条件G1（x）：xAD1¼xj-μrdixrε;i¼1;2;：;N 3δ0时，该区域为设计面，δ40时，该区域为等距面。存在加工余量G2（x）：xAD2¼。xjdixZ0;i¼1;2;：;N4250Y. Zhang等人/计算设计与工程学报2（2015）248¼N.Σ其中δ δmin是最小加工余量，它是G1（x）的特殊情况。不均匀加工余量G3（x）：xAD3¼xjdixZ0;-μrhdixrε;i¼1;2;：;Nð5Þ其中h（di）表示非均匀加工余量。加工余量均匀分布约束G4（x）：xAD4¼fx. dxZ0;-μrdx-1Xdxrε;i<$1; 2;：;N和测量结果，可能导致约束冲突，可行域可能为空，无法得到最优解因此，根据水平由低到高的变化，常规定位-然后用洛克菲勒法正确使用乘数法[11]。i iN我1/1ð6Þ3.2. 整体叶盘的对称分块策略加工余量优化的优点是提高了定位精度和效率，而不需要任何细节。3. 对称分块求解策略该加工余量优化模型不仅适用于复杂的单叶片，也适用于复杂的整体叶盘。然而，由于复合材料制造技术的特点，提出了一种对称块求解策略，以适应复杂整体叶盘的零件间变化[3]。3.1. 基于级别的本地化策略加工余量优化模型统一了各种优化目标和约束条件。在实际应用中，由于余量分布的差异，图三. 基于级别的本地化策略图。与传统的单个零件不同，具有集成结构的复杂零件应具有足够的加工余量用于整个集成零件[3]。整体叶盘是一个轴对称零件，对每个叶片进行余量优化会破坏整体叶盘的对称性。多层次分组优化方法是合适的。因此，根据线性摩擦焊毛坯的三坐标检测结果，首先要确定是否采用统一的定位基准进行加工。如果不满足，则根据对称块体原理，确定叶片的相对定位基准，从而保证整体叶盘的加工一致性，满足加工误差要求（见图1）。4）.4. 试验与分析以线性摩擦焊整体叶盘为对象，利用该模型进行了加工余量优化。 五比七仿真模型有20个叶片，每个叶片首先在叶片过渡区偏移6 mm，在叶片根部偏移3 mm。 然后，将整体叶盘的每个焊接叶片在相对坐标系中绕z轴旋转一个任意角度，模拟焊接变形（见图）。5）。测量点是从初始点集获得的，初始点集是通过在四个区域中进行等参数离散化来实现的，并添加了随机噪声（见图1）。 6）。图7是整体叶盘加工余量优化的比较。结果表明，在不同的定位参数下，相对定位基准发生了变化，距离误差减小SS21S22SM1SM2SMMS*1S*2S*M见图4。 整体叶盘的对称分块策略。Y. Zhang等人/计算设计与工程学报2（2015）248251图五.余量优化仿真模型。(a)整体叶盘设计模型。(b)整体叶盘焊接毛坯模型见图6。 仿真模型的测量点。见图7。加工余量优化的比较。(a)优化前。(b)优化后图 8. 协调 测量 为 叶盘 部分 （一） CMM 整体叶盘（b）一个叶片测点的分布见图9。 优化的错误比较地区从焊接变形的角度对提高加工精度有重要意义。图图8 - 10为复杂整体叶盘零件加工余量优化的实际实验。图8给出了整体叶盘的CMM检测。图9是整体叶盘加工余量优化的误差比较。结果表明，整体叶盘各叶片的均方误差均明显图10是整体叶盘的最终加工结果。经最终检验，加工位置及精度均满足设计要求。每个刀片的位置精确，连接质量良好。同时也表明了该方法在复杂零件自适应加工余量分配中的可行性。252Y. Zhang等人/计算设计与工程学报2（2015）248见图10。 整体叶盘的实际加工结果5. 结论线性摩擦焊+数控加工等复合制造工艺是目前制造整体结构复杂零件的主要方法由于不同的基准位置和不同工艺不可避免的变形，在加工过程中，确保复杂零件有建立了基于三坐标测量机检测的复杂零件加工余量优化模型。 该技术涉及一个对齐过程，以确保不仅单个零件，而且整个集成零件都有足够的库存余量。首先建立了约束线形的数学模型，然后提出了对称分块求解策略对优化模型进行求解。实验结果表明，该方法对复杂零件的单个零件和整体零件的加工余量分配是合理可行的利息负债表作者没有利益冲突致谢本 课 题 得 到 了 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 批 准 号 ：51305353 ） 、 航 空 科 学 基 金 （ 批 准 号 ：2000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000020141653024），和中央高校基础研究经费（批准号：3102014JCS05011）。引用[1] 杨文，杨文，高军，等.航空发动机零部件的修理与大修方法.北京：机械工业出版社，2000; 机器人Comput.积分制造商2 0 1 0 ; 26（2）190-201.[2] 杨文，王文，等.金属零件的加工与修复.机械工程学报，2001，14（1）：133 - 134. Aircr.工程师Aerosp. 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