CN101493683A - 一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件数控精加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件交点数控精加工的方法。首先建立其准静态运动误差模型，测得所有原始误差，并实现准静态运动误差的补偿；对所有加工任务在实际工况下进行加工，测得在第一次补偿后剩余的综合性加工误差；综合得到总的误差补偿值，并建立对应的数字化误差补偿模板。同一机型多架次飞机翼身交点的加工精度由加工中心的重复运动精度予以保证。优点在于：可采用精密级数控加工中心实现飞机大部件交点精加工；实时性高；不需要更改数控程序和加工中心的软硬件；充分发挥了数控加工中心重复运动精度高的优势；降低了对车间环境温度的控制要求。

Description

一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件数控精加工的方法

技术领域

本发明属于数控机床应用领域，涉及一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件交点数控精加工的方法。

背景技术

在现代飞机制造领域，为了实现最佳质量的机身对接装配，提升飞机空气动力学性能，在对合装配前对飞机机身等大部件进行数字化调姿，使其前起交点、翼身交点和航炮交点等重要点的位置偏差控制在±0.3mm以内。对于要求具有突出空气动力性能的高速飞机，翼身交点采用螺栓连接，其设计孔-轴-孔配合为φ12～φ30H8/h7/H8。与之对应的理论间隙为“零”，最大的理论间隙为54μm，平均间隙为27μm。据此可确定交点孔允许的位置偏差为±0.01mm，同轴度误差为φ0.01mm。对于飞机大部件对接装配来说，这一要求是很高的，因此，除要求严格控制大部件的制造、调姿和对接误差外，还需对该类飞机的翼身交点进行数控精加工，以保证对接装配的协调性。

目前我国的飞机装配中，翼身交点精加工的全部协调参数均按实物传递和检验。飞机大部件采用专用型架定位与装夹，通过实物模板来保证交点孔的加工精度。这种装配方法存在一定的强迫定位与装夹，使飞机零部件在装配过程中，尤其是在总装生产过程中，产生较大的内应力。大部件对接与精加工完成后的应力释放过程会产生较大的外形偏差，最终导致装配中的不协调、不互换问题。若进行强迫装配或对接，就会在飞机结构内产生对使用安全和寿命非常有害的装配残余应力或局部应力集中，严重的情况下要进行损坏性的补加工(如将交点孔扩孔到超过其设计直径)，降低了结构的强度，这些都要严重影响飞机的制造质量和性能。

无型架数字化装配基于数字量传递协调参数，采用无型架装配工艺、可重构柔性工装、精确测量技术和自动钻铆技术等，有效避免了强迫定位与装夹，将内力控制在容许范围内，从而克服了传统装配方法的缺点，保证了飞机装配质量与安全，是目前飞机装配技术发展的方向。在飞机无型架数字化装配系统中，翼身交点采用无实物模板的数字化精加工协调方法，以数字量传递其理论数模作为协调参数，并按一定的准确度要求分别加工机身交点和机翼交点。无实物模板数字化加工的对象是大型组合部件，任务要求在长2～3m、宽0.5m的区域内实现精加工后的孔位误差不超过±0.01mm(以数模为基准)，同轴度误差不超过φ0.01mm。影响翼身交点精加工孔位误差的因素主要有数控加工设备、环境温度变化、工件夹持变形、加工振动、基础沉降与直线导轨误差等。机床的定位误差直接影响加工件的孔位精度。一般来说，只有在机床的定位精度高于工件加工精度要求的2～3倍时，才有可能加工出合格的产品，从这一角度考虑，目前国内精密级数控机床还不能直接满足型号飞机翼身交点精加工的要求。由于设备与柔性工装主要是由钢材制造的，而飞机主体的材料是高强度铝合金，两者的线膨胀系数相差一倍，每米长度温度变化一度，其变形误差值可达0.015mm左右，超过给定的翼身交点孔位容差，而设计的车间温度变动范围为±3℃。加工时需要对飞机大部件进行定位夹持，不当的夹持会使工件产生变形，当夹持放开后弹性变形恢复，将失去加工精度。在飞机大部件交点加工中，如果基础在机床立柱移动载荷的作用下产生不均匀沉降，会使加工后的交点孔产生同数量级的移位。直线导轨是加工设备移动部件的直接安装基础，如果其安装基础面和导轨面的平面度、垂直度和平行度等存在较大的误差，则该部分误差将直接传递给加工后的交点孔位。对接装配应力在精加工前若未得到充分释放，则精加工后该部分应力将引起一定程度的交点变形。

在当前技术水平下，针对这些影响因素采取了如下措施：(1)定制代表国内最高精度水平的精密级专用数控机床：设计的单轴运动定位精度为±0.005mm/m，全程为±0.01mm，重复定位精度为±0.004mm/m。(2)在机身和机翼加工工作区分别布置测量精度优于0.1℃的温度传感器，并保证同一架次相配合的两个部件的交点孔精加工在相同温度下进行。(3)机身加工采用11个分布在底部的三坐标定位器支撑固定，两边增加一对离加工区域较远的辅助夹紧装置，增加固持稳定性与可靠性的同时保证其压紧变形不会破坏交点加工形位精度。机翼、垂尾加工的夹紧部位远离加工部位，以避免夹紧变形破坏交点孔的形位精度。三坐标定位器采用自适应球头夹紧机构，防止入位时球头轴线与夹紧机构锥面轴线不共线所产生的夹紧应力，避免三坐标定位器固持机身工艺球头导致机身产生连接变形。三坐标定位器Z向安装力传感器，监控机身工艺球头入位夹紧时对机身产生的向下拉或向上顶的力。(4)通过多点支撑固持机身或机翼在100Hz以下低频区存在多阶主要振型，采用高速切削使交点加工激振频率远离这一低频区，且在同样的切削效率下能明显减小切削力。(5)在安装设备前对基础进行预压，直至基础不再有沉降现象。(6)选用精密级直线滚动导轨，并进行严格的找正与找水平，同时要求其安装基面精度等于或高于导轨精度：平面度0.01mm、安装面之间的平行度0.015mm左右、侧定位面对于底面安装面的垂直度0.005mm。(7)在机身对接完成后、精加工前安排应力释放工艺过程，通过测量确定变形已终止，即应力得到充分释放后，再进行整机姿态调整。

虽然采取了上述一系列的措施，但是在当前技术水平下，并不能保证飞机翼身交点精加工达到位置偏差为±0.01mm、同轴度误差为φ0.01mm的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于面向任务的数字化误差补偿模板实现飞机大部件交点数控精加工的方法，分为准静态条件下基于误差模型的专用数控机床运动误差补偿和实际切削工况下基于加工试验测量结果的剩余加工误差综合补偿两步。目的是要解决我国当前精密级精度水平的专用数控机床的运动定位精度不能满足型号飞机大部件交点精加工要求的问题。

基于数字化误差模板实现飞机大部件交点数控精加工补偿的步骤包括：1)准静态条件下6轴专用卧式数控加工中心运动误差建模；2)各项原始误差标定；3)6轴专用卧式数控加工中心运动误差的综合与补偿；4)实现初步补偿后，对飞机大部件各交点按实际切削工况进行加工试验，通过测量得到加工中心与各交点加工任务对应的综合性剩余加工误差；5)叠加上述两部分误差，建立整架飞机所有加工任务的误差补偿数字化模板，并保存到数据库中；6)由主控计算机根据加工任务编号调用对应的数字化误差模板，并下传至数控加工中心的NC控制器；7)NC控制器根据模板中的误差值，通过参考原点平移实现交点精加工的误差补偿。

所述专用数控机床为6轴卧式数控加工中心，两台卧式数控加工中心分别在机身柔性支撑调姿平台两侧的导轨上运动，6个伺服轴分别为X、Y、Z、U、A和B轴，其中Y轴平行于飞机机身逆航向，Z轴竖直向上，X轴用于当机型改变以后调整立柱相对机身的位置，U轴用于切削进给。

所述6轴卧式数控加工中心运动误差模型为基于多体系统运动学理论和准刚体条件的数控机床误差模型。采用低序体阵列来描述6轴卧式数控加工中心这一典型的多体系统的关联关系。令L为低序体算子，多体系统中典型体S的n阶低序体定义为

Lⁿ(S)＝L(L^n-1(S))＝V

L⁰(S)＝S

L⁰(0)＝0

为了研究该多体系统中各体间的位置和运动问题，对所有体建立它自己的体坐标系，将多体系统中高低序体间的关联关系转化为它们的体坐标系之间的空间转换关系，并采用D-H齐次矩阵来描述该坐标变换关系。于是，多体系统中各体间的实际位置和运动状况可采用位置特征矩阵、运动特征矩阵、初始误差矩阵、运动误差矩阵来确定。位置特征矩阵和运动特征矩阵表示理想情况下各体间的初始相对位置和相对运动关系。初始误差矩阵表征各种因素引起的初始相对位置误差，运动误差矩阵表征各种几何结构因素引起的实际相对运动量与理论相对运动量间的差异。

以矢量A_I＝[a_Ib_Ic_Iα_Iβ_Iγ_I]表示相邻体间的初始相对位姿关系，各个元素直接取机床结构设计的理论值；Δ_AIe(A_I，ΔT)＝[δ_aI(A_I，ΔT)δ_bI(A_I，ΔT)δ_cI(A_I，ΔT)δ_αI(A_I，ΔT)δ_βI(A_I，ΔT)δ_γI(A_I，ΔT)]表示相邻体间的初始相对位姿误差矢量，6个元素即为机床初始结构误差包含的6项原始误差，分别为X相对位置误差、Y相对位置误差、Z相对位置误差、相对滚动角度误差、相对偏转角度误差和相对俯仰角度误差；矢量Δ_AK＝[a_Kb_Kc_Kα_Kβ_Kγ_K]表示相邻体间的相对运动理论位姿变化量；Δ_AKe(A_K，ΔT)＝[δ_aK(A_K，ΔT)δ_bK(A_K，ΔT)δ_cI(A_K，ΔT)δ_αK(A_K，ΔT)δ_βk(A_K，ΔT)δ_γK(A_k，ΔT)]表示相邻体间的相对运动位姿误差矢量，6个元素即为机床运动误差包含的6项原始误差，分别为X向定位误差、Y向定位误差、Z向定位误差、滚动角度定位误差、偏转角度定位误差和俯仰角度定位误差。

于是有位置特征矩阵T_i-1 ^iI、运动特征矩阵T_i-1 ^iK、初始误差矩阵T_i-1 ^iIe、运动误差矩阵T_i-1 ^iKe：

$T_{i-1}^{\mathrm{iI}}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{c\α}}_{I}c{\mathrm{\β}}_I& {\mathrm{c\α}}_{I}s{\mathrm{\β}}_{I}s{\mathrm{\γ}}_I-s{\mathrm{\α}}_{I}c{\mathrm{\γ}}_I& {\mathrm{c\α}}_{I}s{\mathrm{\β}}_{I}c{\mathrm{\γ}}_I+s{\mathrm{\α}}_{I}s{\mathrm{\γ}}_I& a_I\\ s{\mathrm{\α}}_{I}c{\mathrm{\β}}_I& {\mathrm{s\α}}_I{\mathrm{s\β}}_I{\mathrm{s\γ}}_I+{\mathrm{c\α}}_I{\mathrm{c\γ}}_I& {\mathrm{s\α}}_{I}s{\mathrm{\β}}_I{\mathrm{c\γ}}_I-{\mathrm{c\α}}_I{\mathrm{s\γ}}_I& b_I\\ -s{\mathrm{\β}}_I& {\mathrm{c\β}}_I{\mathrm{s\γ}}_I& {\mathrm{c\β}}_I{\mathrm{c\γ}}_I& c_I\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_{i-1}^{\mathrm{iK}}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{c\α}}_{K}c{\mathrm{\β}}_K& {\mathrm{c\α}}_{K}s{\mathrm{\β}}_{K}s{\mathrm{\γ}}_K-s{\mathrm{\α}}_{K}c{\mathrm{\γ}}_K& {\mathrm{c\α}}_{K}s{\mathrm{\β}}_{K}c{\mathrm{\γ}}_K+s{\mathrm{\α}}_{K}s{\mathrm{\γ}}_K& a_K\\ s{\mathrm{\α}}_{K}c{\mathrm{\β}}_K& {\mathrm{s\α}}_K{\mathrm{s\β}}_K{\mathrm{s\γ}}_K+{\mathrm{c\α}}_K{\mathrm{c\γ}}_K& {\mathrm{s\α}}_{K}s{\mathrm{\β}}_K{\mathrm{c\γ}}_K-{\mathrm{c\α}}_K{\mathrm{s\γ}}_K& b_K\\ -s{\mathrm{\β}}_K& {\mathrm{c\β}}_K{\mathrm{s\γ}}_K& {\mathrm{c\β}}_K{\mathrm{c\γ}}_K& c_K\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_{i-1}^{\mathrm{iIe}}=\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}\\ {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_{i-1}^{\mathrm{iKe}}=\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bK}}\\ {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cK}}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

从序号为i的体坐标系变换到序号为i-1的体坐标系的坐标变换矩阵为：

$T_{i-1}^i=T_{i-1}^{\mathrm{iI}}{T}_{i-1}^{\mathrm{iIe}}{T}_{i-1}^{\mathrm{iK}}{T}_{i-1}^{\mathrm{iKe}}$

上式为典型相邻体间体坐标系变换矩阵的一般化通式，没有相对运动关系的高低序体是典型相邻体的退化情况，即T_i-1 ^iK、T_i-1 ^iKe均为4阶单位矩阵。

以支撑机身的中间底座的体坐标系为公共的固定参考基准(飞机装配系统的参考坐标系建立在该底座的中部)，分别沿刀具分支和工件分支建立切削点位置的坐标变换关系。在飞机数字化装配过程中，翼身交点精加工是以理论数模为加工目标，则有6轴卧式数控加工中心的误差模型：

$e=P_{10}-T_1^2{T}_2^3{T}_3^4{T}_4^5{T}_5^6{T}_6^7{T}_7^8{T}_8^9{P}_9$

式中，P₁₀为理论切削点在系统参考坐标系中的位置，直接由设计数模获得；P₉为实际切削点在刀具坐标系中的位置，根据加工任务对象由NC程序规定，T_i-1 ⁱ为从序号为i的体坐标系变换到序号为i-1的体坐标系的坐标变换矩阵。

对于6轴卧式数控加工中心，共有48项初始结构原始误差(不考虑刀具本身的初始结构误差)，准静态条件下共有36项运动几何原始误差(不考虑刀具旋转运动包含的6项原始误差)。

所述6轴卧式数控加工中心的每个运动轴共有6项原始误差，其中绕体坐标系Z轴的滚转角误差采用激光滚转测量仪测量，其余5项原始误差采用双频激光干涉仪测量。采用同样的方法测得初始位置误差对应的各项原始误差值。

所述6轴卧式数控加工中心在准静态条件下的误差补偿方法为坐标原点平移法。空间误差量作为补偿信号送至NC控制器，然后平移控制系统的参考原点，并加到伺服环的控制信号中，从而实现误差量的补偿。这种方法不需要修改数控程序，也不需要更改数控加工中心的软硬件。

所述面向任务的加工试验是在实现了准静态条件下的几何误差补偿，一定程度地提高了加工精度以后，采用该专用6轴卧式数控加工中心对需要加工的对象进行实际工况下的精加工试验，通过测量获得该6轴数控加工中心剩余的综合性加工误差。

所述飞机大部件交点精加工误差补偿的数字化模板包括一系列的误差模板。每个模板的内容对应一个精加工任务的误差补偿值，且由准静态运动误差和综合的剩余加工误差两部分叠加而成。所有模板汇集后储存在数据库中。当需要执行某个精加工任务时，由主控计算机将对应的数字化误差模板调出，然后下传给数控加工中心的NC控制器，最终采用坐标原点平移法来实现对6轴数控加工中心的总体加工误差补偿。

对应各交点孔数控精加工的数字化误差补偿模板完全建立起来后，所述6轴专用卧式数控加工中心即可完成翼身交点孔面的精加工任务。

同一机型多架次飞机大部件对接装配过程中，只要大部件调姿精度和加工环境均保持稳定，那么所有架次飞机翼身交点的加工精度即可由6轴数控加工中心的重复运动精度予以保证。

本发明的优点在于：1)可采用国内当前精密级精度水平的数控机床实现对型号飞机大部件全部交点的精加工；2)既补偿了6轴数控加工中心的准静态运动误差，又综合补偿了实际加工工况下的切削力变形、热变形、随机误差等剩余加工误差；3)基于数字化误差模板的6轴数控加工中心误差补偿方法不需要实时在线计算误差补偿量，而是直接从数据库中读取模板数据，因此具有非常好的实时性；4)通过参考坐标原点平移实现误差补偿不需要修改数控程序，也不需要更改数控加工中心的软硬件；5)降低了对数控机床绝对运动精度的要求，充分发挥了专用数控加工中心重复定位精度高的优越性；6)降低了对车间环境温度的控制要求，减少了企业在这方面的投入。

附图说明

图1为6轴卧式数控加工中心的结构图；

图2为6轴卧式数控加工中心的拓扑结构图；

图3为基于数字化误差补偿模板实现6轴卧式数控加工中心精加工飞机翼身交点的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例为基于数字化误差模板实现飞机大部件交点精加工的误差补偿方法，是依前述方案实现的。

本实施例中的加工设备为6轴专用卧式数控加工中心，其结构如图1所示。整体机身10作为一个大部件由柔性调姿支撑系统定位固持在中间底座1上，并由调姿支撑系统将其位姿调整到尽可能与理论数模的位姿相一致，在中间底座1上建立对接装配的参考坐标系。加工中心底座2与中间底座1固定在同一基础平台上，加工中心底座2上沿飞机航向布置直线运动导轨，溜板3相对加工中心底座2平行于航向移动构成Y轴移动副，立柱4在溜板3的导轨上沿飞机翼展方向移动构成X轴移动副，溜板5通过导轨滑块机构相对立柱4上下运动构成Z轴移动副，滑枕6可相对溜板5沿平行于X轴的方向运动，两者构成U轴移动副，直角头7可相对滑枕6绕其体坐标系的X轴旋转运动，两者构成A回转轴，主轴8可相对直角头7绕其Y轴旋转运动，构成B回转轴，刀具9安装在主轴8上。其中，X轴用于当机型改变以后调整加工中心立柱4相对机身10的位置，加工过程中处于锁定状态，U轴用于实现切削运动。

本实施例的误差补偿过程按照如下步骤进行：

首先基于多体系统运动学理论和准刚体条件建立6轴卧式数控加工中心的准静态运动误差模型。采用低序体阵列来描述6轴卧式数控加工中心高低序体间的关联关系，表1所列为6轴卧式数控加工中心的低序体阵列。

表1  专用6轴卧式数控加工中心的低序体阵列表

S	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											L0(S)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
L1(S)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	1
											L2(S)	0	0	1	2	3	4	5	6	7	0
L3(S)	0	0	0	1	2	3	4	5	6	0
											L4(S)	0	0	0	0	1	2	3	4	5	0
L5(S)	0	0	0	0	0	1	2	3	4	0
											L6(S)	0	0	0	0	0	0	1	2	3	0
L7(S)	0	0	0	0	0	0	0	1	2	0
											L8(S)	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0
L9(S)	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

分别建立各个体坐标系，如图1所示。各对相邻体间的坐标变换矩阵为：

$T_1^2=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a_I^{21}\\ 0& 1& 0& b_I^{21}\\ 0& 0& 1& c_I^{21}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{21}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{21}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}^{21}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{21}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{21}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}^{21}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{21}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{21}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}^{21}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_2^3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a_I^{32}\\ 0& 1& 0& b_I^{32}\\ 0& 0& 1& c_I^{32}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}^{32}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{32}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}^{32}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{32}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}^{32}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& y\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}^{32}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{32}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bK}}^{32}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{32}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cK}}^{32}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_3^4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a_I^{43}\\ 0& 1& 0& b_I^{43}\\ 0& 0& 1& c_I^{43}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{43}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{43}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}^{43}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{43}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{43}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}^{43}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{43}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{43}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}^{43}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& x\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{43}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{43}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}^{43}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{43}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{43}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bK}}^{43}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{43}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{43}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cK}}^{13}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_4^5=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a_I^{54}\\ 0& 1& 0& b_I^{54}\\ 0& 0& 1& c_I^{54}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{54}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{54}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}^{54}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{54}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{54}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}^{54}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{54}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{54}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}^{54}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& z\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{54}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{54}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}^{54}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{54}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{54}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bK}}^{54}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{54}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{54}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cK}}^{54}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_5^6=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a_I^{65}\\ 0& 1& 0& b_I^{65}\\ 0& 0& 1& c_I^{65}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{65}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{65}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}^{65}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{65}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{32}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}^{65}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{65}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{65}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}^{65}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& U\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{65}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{65}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}^{65}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{65}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{65}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bK}}^{65}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{65}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{65}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cK}}^{65}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_6^7=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a_I^{76}\\ 0& 1& 0& b_I^{76}\\ 0& 0& 1& c_I^{76}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{76}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{76}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}^{76}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{76}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{76}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}^{76}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{76}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{76}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}^{76}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos A& -\sin A& 0\\ 0& \sin A& \cos A& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{76}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{76}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}^{76}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{76}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{76}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bK}}^{76}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{76}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{76}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cK}}^{76}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_7^8=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a_I^{87}\\ 0& 1& 0& b_I^{87}\\ 0& 0& 1& c_I^{87}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{87}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{87}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}^{87}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{87}& 1& {-\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{87}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}^{87}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{87}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{87}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}^{87}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}\cos B& 0& \sin B& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin B& 0& \cos B& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{87}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{87}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}^{87}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}^{87}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{87}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bK}}^{87}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}^{87}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}^{87}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cK}}^{87}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_8^9=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& a_I^{98}\\ 0& 1& 0& b_I^{98}\\ 0& 0& 1& c_I^{98}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{98}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{98}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}^{98}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}^{98}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{98}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}^{98}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}^{98}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}^{98}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}^{98}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

上述8个式子中，所有的a_I ^*、b_I ^*和c_I ^*均为设计结构参数，x、y、z、A、B为加工程序中的运动参数，均为已知常量，其余的均为加工中心的原始误差变量，包括48项初始结构误差，36项运动几何误差。

以中间底座1的体坐标系为公共的固定参考基准，6轴卧式数控加工中心的准静态运动误差

$e=P_{10}-T_1^2{T}_2^3{T}_3^4{T}_4^5{T}_5^6{T}_6^7{T}_7^8{T}_8^9{P}_9$

式中，P₁₀为理论切削点在参考坐标系中的位置，由设计数模获得；P₉为实际切削点在刀具坐标系中的位置，由NC程序规定。

第二步，采用激光滚转测量仪测量所有原始误差中绕体坐标系Z轴滚转的误差角，采用双频激光干涉仪测量其余的所有原始误差。根据前述误差模型综合出6轴专用卧式数控加工中心的准静态运动误差值。

第三步，将准静态运动误差值作为补偿信号送至Siemens 840D控制器，然后平移控制系统的参考原点，实现6轴专用卧式数控加工中心准静态运动误差量的补偿。

第四步，在一定程度上提高了6轴专用卧式数控加工中心的运动精度以后，在实际切削工况下对型号飞机各翼身交点进行精加工试验，通过测量获得剩余的综合性的加工误差。

第五步，将每个交点孔精加工任务对应的准静态运动误差和剩余的综合加工误差两部分叠加获得其数字化误差补偿模板，并将所有模板汇集成一个误差表格存入数据库中。

第六步，当需要执行某个精加工任务时，由主控计算机(主要完成任务调度功能)将对应的数字化误差模板调出，然后下传给6轴卧式数控加工中心的Siemens 840D控制器，采用坐标原点平移法实现最终的总体误差补偿。

Claims (5)

1.一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件交点数控精加工的方法，其特征在于针对每个飞机翼身交点精加工任务的实际加工工况与加工误差建立对应的数字化误差补偿模板，所有模板汇集起来存入数据库中，加工任务派发时，由主控计算机根据任务序号查询数据库并调用相应的误差补偿模板，下传至数控加工中心。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件交点数控精加工的方法，其特征在于分两步获得数控加工中心在加工飞机各个翼身交点时的总体误差。首先建立数控加工中心的准静态误差模型，利用激光干涉仪、激光滚转测量仪和电子水平仪等测得其所有原始误差，并实现准静态运动误差的补偿；在此基础上对所有加工任务在实际工况下进行加工试验，测得加工中心在第一次补偿后剩余的综合性加工误差；最后综合这两部分误差得到总的误差补偿值。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件交点数控精加工的方法，其特征在于专用数控机床为6轴卧式数控加工中心，6个伺服轴分别为X、Y、Z、U、A和B轴，其中Y轴平行于飞机机身逆航向，Z轴正向竖直向上，X轴用于当机型改变以后调整立柱相对机身的位置，U轴用于切削进给；

采用低序体阵列来描述6轴卧式数控加工中心中各体间的关联关系。令L为低序体算子，多体系统中典型体S的n阶低序体定义为

Lⁿ(S)＝L(L^n-1(S))＝V

L⁰(S)＝S

L⁰(0)＝0

对所有体建立它自己的体坐标系，将多体系统中高低序体间的关联关系转化为它们的体坐标系间的空间转换关系，并采用D-H齐次矩阵来描述该坐标变换关系。多体系统中各体间的实际位置和运动状况采用位置特征矩阵、运动特征矩阵、初始误差矩阵、运动误差矩阵来确定。位置特征矩阵和运动特征矩阵表示理想情况下各体间的初始相对位置和相对运动关系。初始误差矩阵表征各种因素引起的初始相对位置误差，运动误差矩阵表征各种因素引起的实际相对运动量与理论相对运动量间的差异；

以矢量A_I＝[a_I b_I c_I α_I β_I γ_I]表示相邻体间的初始相对位姿关系，各个元素直接取机床结构设计的理论值；以Δ_Ale(A_I，ΔT)＝[δ_aI(A₁，ΔT)δ_bI(A_I，ΔT)δ_cI(A_I，ΔT)δ_αI(A_I，ΔT)δ_βI(A_I，ΔT)δ_γI(A_I，ΔT)表示相邻体间的初始相对位姿误差矢量，6个元素即为机床初始结构误差包含的6项原始误差，分别为X相对位置误差、Y相对位置误差、Z相对位置误差、相对滚动角度误差、相对偏转角度误差和相对俯仰角度误差；以矢量Δ_AK＝[a_K b_K c_K α_K β_K γ_K]表示相邻体间的相对运动理论位姿变化量；以Δ_AKe(A_K，ΔT)＝[δ_aK(A_K，ΔT)δ_bK(A_K，ΔT)δ_cI(A_K，ΔT)δ_αK(A_K，ΔT)δ_βk(A_K，ΔT)δ_γK(A_k，ΔT)]表示相邻体间的相对运动位姿误差矢量，6个元素即为机床单轴运动误差包含的6项原始误差，分别为X向定位误差、Y向定位误差、Z向定位误差、滚动角度定位误差、偏转角度定位误差和俯仰角度定位误差；

位置特征矩阵T_i-1 ^iI运动特征矩阵T_i-1 ^iK、初始误差矩阵T_i-1 ^iIe、运动误差矩阵T_i-1 ^iKe：

$T_{i-1}^{\mathrm{iI}}=\left[\begin{array}{cccc}c{\mathrm{\α}}_{I}c{\mathrm{\β}}_I& c{\mathrm{\α}}_{I}s{\mathrm{\β}}_{I}s{\mathrm{\γ}}_I-s{\mathrm{\α}}_{I}c{\mathrm{\γ}}_I& c{\mathrm{\α}}_{I}s{\mathrm{\β}}_{I}c{\mathrm{\γ}}_I+s{\mathrm{\α}}_{I}s{\mathrm{\γ}}_I& a_I\\ s{\mathrm{\α}}_{I}c{\mathrm{\β}}_I& s{\mathrm{\α}}_{I}s{\mathrm{\β}}_{I}s{\mathrm{\γ}}_I+c{\mathrm{\α}}_{I}c{\mathrm{\γ}}_I& s{\mathrm{\α}}_{I}s{\mathrm{\β}}_{I}c{\mathrm{\γ}}_I-c{\mathrm{\α}}_{I}s{\mathrm{\γ}}_I& b_I\\ -s{\mathrm{\β}}_I& c{\mathrm{\β}}_{I}s{\mathrm{\γ}}_I& c{\mathrm{\β}}_{I}c{\mathrm{\γ}}_I& c_I\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_{i-1}^{\mathrm{iK}}=\left[\begin{array}{cccc}c{\mathrm{\α}}_{K}c{\mathrm{\β}}_K& c{\mathrm{\α}}_{K}s{\mathrm{\β}}_{K}s{\mathrm{\γ}}_K-s{\mathrm{\α}}_{K}c{\mathrm{\γ}}_k& c{\mathrm{\α}}_{K}s{\mathrm{\β}}_{K}c{\mathrm{\γ}}_K+s{\mathrm{\α}}_{K}s{\mathrm{\γ}}_K& a_K\\ s{\mathrm{\α}}_{K}c{\mathrm{\β}}_K& s{\mathrm{\α}}_{K}s{\mathrm{\β}}_{K}s{\mathrm{\γ}}_K+c{\mathrm{\α}}_{K}c{\mathrm{\γ}}_K& s{\mathrm{\α}}_{K}s{\mathrm{\β}}_{K}c{\mathrm{\γ}}_K-c{\mathrm{\α}}_{K}s{\mathrm{\γ}}_K& b_K\\ -s{\mathrm{\β}}_K& c{\mathrm{\β}}_{K}s{\mathrm{\γ}}_K& c{\mathrm{\β}}_{K}c{\mathrm{\γ}}_K& c_K\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_{i-1}^{\mathrm{iIe}}=\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aI}}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αI}}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bI}}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βI}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γI}}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cI}}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_{i-1}^{\mathrm{iKe}}=\left[\begin{array}{cccc}1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{aK}}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αK}}& 1& -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bK}}\\ -{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\βK}}& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\γK}}& 1& {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cK}}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

从序号为i的体坐标系变换到序号为i-1的体坐标系的坐标变换矩阵为：

$T_{i-1}^i=T_{i-1}^{\mathrm{iI}}{T}_{i-1}^{\mathrm{iIe}}{T}_{i-1}^{\mathrm{iK}}{T}_{i-1}^{\mathrm{iKe}}$

上式为典型相邻序体间体坐标系变换矩阵的一般化通式，没有相对运动关系的相邻序体是典型相邻序体的退化情况，即T_i-1 ^iK、T_i-1 ^iKe均为4阶单位矩阵；

以支撑机身的中间底座的体坐标系为公共的固定参考基准(飞机装配系统的参考坐标系建立在该底座的中央)，分别沿刀具分支和工件分支建立切削点位置的坐标变换关系。在飞机数字化装配过程中，翼身交点精加工是以理论数模为加工目标，则有6轴卧式数控加工中心的误差模型：

$e=P_{10}-T_1^2{T}_2^3{T}_3^4{T}_4^5{T}_5^6{T}_6^7{T}_7^8{T}_8^9{P}_9$

式中，P₁₀为理论切削点在系统参考坐标系中的理论位置，直接由设计数模获得；P₉为实际切削点在刀具坐标系中的位置，根据加工任务对象由NC程序规定，T_i-1 ⁱ为从序号为i的体坐标系变换到序号为i-1的体坐标系的坐标变换矩阵；

6轴卧式数控加工中心在准静态条件下共有48项静态几何原始误差、36项运动几何原始误差。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件交点数控精加工的方法，其特征在于采用坐标原点平移法实现6轴专用卧式数控加工中心的误差补偿。收到补偿信号和误差量以后，NC控制器平移控制系统的参考原点，从而实现误差补偿。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字化误差补偿模板实现飞机大部件交点数控精加工的方法，其特征在于同一机型多架次飞机相同位置翼身交点的加工精度由加工中心的重复运动精度予以保证。

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