CN102880114A - 飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法，该方法主要针对精加工刀轨进行在线自适应刀轨补偿。首先生成精加工操作之前的理论中间加工状态，即理论厚度与理论位置；其次生成检测实际中间加工状态的检测点，检测点依据精加工刀轨生成；然后对工件的实际中间加工状态进行在线检测，得到检测点的实际厚度与实际位置；最后根据公差要求对刀轨进行自适应补偿，生成新的无干涉刀轨。该方法自动地解决了飞机结构件加工过程中出现的变形、加工误差等问题，不需要将加工问题反馈至工艺人员，无需人工干预，针对加工中的问题，自动生成满足精度要求的精加工刀轨，提高了数控加工的效率，保证了加工质量。

Description

飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法

技术领域

本发明涉及一种飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法，尤其是一种飞机结构件数控加工在线自适应精加工刀轨补偿方法，属于CAD（ComputerAided Design）/CAM（Computer Aided Manufacturing）/CNC（Computers NumericalControl）技术领域。

背景技术

对于大型零件如飞机结构件，由于其结构复杂、尺寸大且属于薄壁零件，加工过程中极易变形，厚度难以保证。同时由于加工过程中出现的刀具磨损、加工系统颤振等原因会引起加工误差。加工过程中出现的变形或者加工误差会对后续加工工序或加工操作造成影响，情况严重的会导致工件报废，由于飞机结构件属于高价值和高加工附加值零件，成本很高，所以，为了保证加工质量，降低制造成本，针对飞机结构件的中间加工状态进行刀轨自适应补偿以消除变形和加工误差带了的影响非常重要。但是在目前情况下，加工过程中出现的问题都需要反馈给工艺员进行分析，然后重新进行人工编程，效率很低。

检索现有的文献和技术文件发现，湘潭大学的徐宏2007硕士学位论文“薄壁件数控侧铣加工变形的预测、补偿与实验研究”针对薄壁件数控加工变形公布了一种基于有限元分析的控制变形的刀轨优化补偿方案，但是该方法偏重数值模拟，缺乏实际的现场检测，对实际加工只能提供一定的指导作用，实际的操作性不强。

专利“一种自由轮廓曲面铣削加工的让刀误差补偿方法”，申请号200910248815.0，通过规划半精加工的刀具轨迹，优化精加工的加工余量，使得精加工过程中法向等效接触切削力保持恒定，进而保持法向让刀误差恒定，让刀误差通过法向等距偏置精加工刀具轨迹实现补偿。但该方法不能解决因为变形而引起的误差补偿。

Myeong-Woo Cho发表在国际期刊《Integrated Journal of Machine Tools &Manufacture》，2006（46）p1417-1427上的学术论文“Integrated machining errorcompensation method using OMM data and modified PNN algorithm”公布了一种刀轨补偿方法，该解决了端铣刀轮廓变形引起的误差补偿，但是该方法没有解决同时在厚度变化引起的误差问题和两个面同时变形引起的加工干涉问题。

发明内容

本发明的目的是针对目前飞机结构件数控加工中间过程的变形和加工误差带来了质量问题以及人工处理效率低等问题，发明了一种飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法，该方法重点解决精加工之前的变形问题。

本发明的技术方案是：

一种飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法，该方法包括以下步骤：步骤一、生成精加工操作之前的理论中间加工状态，理论中间加工状态包括中间加工状态的理论面、检测面的中间状态理论厚度T_Th和相邻两检测面的中间状态理论距离T_Dts；

步骤二、离散精加工刀轨生成离散点，离散点为刀轨上的刀位点的标记为S_TPt，离散点为刀位点之间的插值点的标记为S_LPt，将离散点向中间状态的理论面投影生成检测实际中间加工状态的检测点，标记为M_EPt；

步骤三、对工件的实际中间加工状态进行在线检测，得到检测点处的实际位置R_Ps与检测点处工件的实际厚度R_Th，根据检测点的实际检测位置，计算相邻两个检测面的实际中间状态的距离R_Dts；

步骤四、根据检测结果评价中间状态的变形和误差是否能够通过刀轨修改来满足加工要求，如果不能，则报警，提示加工工人采取措施；若变形和加工误差不影响后续加工，则不采取措施；若能够通过修改刀轨来满足加工要求，则修改刀轨；

步骤五、根据步骤四的评价结果，若需要刀轨补偿：

对于一个面的情况，刀轨的补偿方法为：

令N_TPP表示修改后的刀位点，令

表示检测面的外法向单位向量，

如果检测点是由精加工刀位点投影得到的，则新刀位点为：

$N\_\mathrm{TPP}=S\_\mathrm{TPt}+\underset{\mathrm{Normal}}{\→}\×(T\_\mathrm{Th}-R\_\mathrm{Th});$

如果检测点是由精加工刀位点进行插值而成的点投影得到的，则新刀位点为：

$N\_\mathrm{TPP}=S\_\mathrm{IPt}+\underset{\mathrm{Normal}}{\→}\×(T\_\mathrm{Th}-R\_\mathrm{Th}),$

然后形成新的加工刀轨；

对于两个面的情况，刀轨的补偿方法为：令D_Tool表示精加工刀具直径，如果T_Dts≤R_Dts或者D_Tool≤R_Dts≤T_Dts，则按照步骤五两个面的精加工各自进行刀轨补偿；如果，R_Dts≤D_Tool并且精加工为端铣加工底面，说明存在刀具干涉情况，则将底面的精加工刀轨根据工艺要求的切削深度沿刀轴方向从工件顶面高度进行分层加工，形成新的刀轨；

步骤六、利用新生成的刀轨更新原NC程序，进行加工。

所述根据检测结果评价中间状态的变形和误差的方法包含以下步骤：

步骤一、求出所有检测点中|M_Ps-M_LPt|+|T_Th-R_Th|最大的三个点，并标记为Max_Pt₁，Max_Pt₂，Max_Pt₃；

步骤二、调整Max_Pt₁，Max_Pt₂，Max_Pt₃，使这三个点满足平面度和位置公差的要求，标记调整后的点为AMax_Pt₁，AMax_Pt₂，AMax_Pt₃；

步骤三、令

表示加工工件检测面的最终理论厚度及其上下公差，令Re表示加工余量，式(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₁-Max_Pt₁|-Re)≤(F_Th+a)，(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₂-Max_Pt₂|-Re)≤(F_Th+a)和(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₃-Max_Pt₃|-Re)≤(F_Th+a)，式中，若以上步骤二中的每个点调整的方向与检测面的外法向一致，则±取-，否则取+，若能同时满足以上三式，则中间状态的变形和误差能够通过刀轨修改来满足加工要求，否则，提示加工工人采取措施。

本发明的有益效果是：

本发明通过测量检测点处工件的实际位置与厚度，得到加工变形与加工误差，根据公差要求，自适应调整刀轨，减少了工艺员的人工干预，提高了飞机结构件的加工效率与加工质量。

本发明可以在加工工程及时发现问题，及时调整刀轨和工艺，保证加工质量，减少成本高昂的废品及不合格品的产生，降低制造成本。

附图说明

图1为零件变形及刀轨自适应补偿示意图；

图2为两个面刀轨调整示意图；

图3为一个槽特征刀轨补偿示例；

图4为两个面情况的刀轨补偿示例；

附图中的标号名称为：1、表示实际检测位置，2、表示检测点，3、表示调整后刀位点、4、表示刀位点之间的插值点，5、原始刀位点，6、表示检测面法向，7、表示中间状态实际厚度，8、表示中间状态理论厚度，9、表示中间状态实际加工状态，10、表示中间状态的理论状态，11、表示修改后的刀轨，12、表示中间状态理论状态，13、表示中间状态的实际状态，14、表示刀具投影，15、表示中间状态理论距离；16、表示检测面的最终理论状态；17、表示中间状态的理论状态；18、表示刀具；19、表示精加工刀轨；20、表示检测点；21、表示刀具；22、表示精加工刀轨；23、表示检测点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法，该方法包括以下步骤：步骤一、生成精加工操作之前的理论中间加工状态，理论中间加工状态包括中间加工状态的理论面、检测面的中间状态理论厚度T_Th（8）和相邻两检测面的中间状态理论距离T_Dts（15）；如果检测面是三轴加工的面，则通过沿检测面外法向方向偏置一个加工余量的值形成理论面，如果检测面是五轴加工的面，则通过加工该面形成中间状态的刀具沿刀轨所形成的扫略面构成；

步骤二、如图1所示，离散精加工刀轨生成离散点，离散点为刀轨上的刀位点的标记为S_TPt（5），离散点为刀位点之间的插值点的标记为S_LPt（4），将离散点向中间状态的理论面投影生成检测实际中间加工状态的检测点，标记为M_LPt（2）；

步骤三、对工件的实际中间加工状态进行在线检测，得到检测点处的实际位置R_Ps（1）与检测点处工件的实际厚度R_Th（7），根据检测点的实际检测位置，计算相邻两个检测面的实际中间状态的距离R_Dts；

步骤四、根据检测结果评价中间状态的变形和误差是否能够通过刀轨修改来满足加工要求，如果不能，则报警，提示加工工人采取措施；若变形和加工误差不影响后续加工，则不采取措施；若能够通过修改刀轨来满足加工要求，则进行刀轨补偿；

步骤五、根据步骤四的评价结果，若需要刀轨补偿，对于一个面的情况，刀轨的补偿方法为：

令N_TPP表示修改后的刀位点（3），令

表示检测面的外法向单位向量（6），

如果检测点是由精加工刀位点投影得到的，则新刀位点为：

$N\_\mathrm{TPP}=S\_\mathrm{TPt}+\underset{\mathrm{Normal}}{\→}\×(T\_\mathrm{Th}-R\_\mathrm{Th});$

如果检测点是由精加工刀位点进行插值而成的点投影得到的，则新刀位点为：

$N\_\mathrm{TPP}=S\_\mathrm{IPt}+\underset{\mathrm{Normal}}{\→}\×(T\_\mathrm{Th}-R\_\mathrm{Th}),$

然后形成新的加工刀轨；

如图2所示，对于两个面的情况，刀轨的补偿方法为：对于两个面的情况，刀轨的补偿方法为：令D_Tool表示精加工刀具直径，如果T_Dts≤R_Dts或者D_Tool≤R_Dts≤T_Dts，则按照步骤五两个面的精加工各自进行刀轨补偿；如果，R_Dts≤D_Tool并且精加工为端铣加工底面，说明存在刀具干涉情况，则将底面的精加工刀轨根据工艺要求的切削深度沿刀轴方向从工件顶面高度进行分层加工，形成新的刀轨；

步骤六、利用新生成的刀轨更新原NC程序，进行加工。

所述检测结果评价中间状态的变形和误差的方法包含以下步骤：

步骤一、求出所有检测点中|M_Ps-M_LPt|+|T_Th-R_Th|最大的三个点，并标记为Max_Pt₁，Max_Pt₂，Max_Pta；

步骤二、调整Max_Pt₁，Max_Pt₂，Max_Pt₃，使这三个点满足平面度和位置公差的要求，标记调整后的点为AMax_Pt₁，AMax_Pt₂，AMax_Pt₃；

步骤三、令

表示加工工件检测面的最终理论厚度及其上下公差，令Re表示加工余量，式(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₁-Max_Pt₁|-Re)≤(F_Th+a)，(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₂-Max_Pt₂|-Re)≤(F_Th+a)和(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₃-Max_Pt₃|-Re)≤(F_Th+a)，式中，若以上步骤二中的每个点调整的方向与检测面的外法向一致，则±取-，否则取+，若能同时满足以上三式，则中间状态的变形和误差能够通过刀轨修改来满足加工要求，否则，提示加工工人采取措施。

下面结合实例说明该发明专利的实施过程：

如图3所示，图3中是飞机结构件的一个槽特征，所检测面为槽的腹板面。首先沿腹板面16的外法向偏置3mm的加工余量，形成精加工前的操作形成的理论加工状态，即理论面17。在精加工刀轨19上离散出离散点，所有的刀位点都要成为离散点，然后在刀位点之间再进行插值形成一些离散点，腹板中心位置的离散间距为2mm，每向周边向外一圈，离散间距增加3mm，将离散点投影至理论面17，形成检测点。精加工前的操作加工完成后，进行中间状态检测，检测轨迹根据精加工刀轨规划。首先利用接触式红外探头检测每个点的实际坐标并进行记录，然后利用厚度检测仪超声波测厚仪进行厚度测试并进行记录。求出检测点的实际位置与理论位置变形最大的三个点，以0.01mm为单位，沿检测面的内法向方向使三个点的实际位置向检测的理论位置逐次偏置靠近，每次都计算平面度和位置公差，直到三个点计算的平面度和位置公差都满足要求，记录此时更改后的点坐标，按照上面提供的方法，根据更改后的三个点判断调整后这三个点是否满足厚度的公差要求。若需要调整刀轨，按照刀轨调整公式，根据检测点的变形情况，沿腹板法向方向进行刀轨的调整，得到新的刀轨。

如图4所示，图4是一个飞机结构件含岛屿的槽特征，槽特征深18mm，岛屿的侧壁与槽特征的内侧壁最窄处的间距为16mm，精加工前的操作的加工余量为3mm，精加工的刀具21直径D为10mm，槽特征的侧壁与岛屿侧壁的最窄处的中间理论距离为10mm。精加工刀轨22为最窄处腹板的加工刀轨，检测点23是精加工刀轨22上的离散点向槽特征侧壁和岛屿侧壁的中间状态理论面投影得到的，若在加工过程中经过检测得到检测点的实际位置，即可计算出槽特征侧壁和岛屿侧壁的中间状态两列检测点实际位置之间的最短距离，若这个距离小于10mm，则精加工刀轨22需要沿腹板的外法向进行偏置，按照每层3mm进行偏置，偏置至顶层，共6层，形成新的刀轨，这样就能避免干涉，而且可以把中间状态因加工误差或变形引起的残余量去除。

Claims (2)

1.一种飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、生成精加工操作之前的理论中间加工状态，理论中间加工状态包括中间加工状态的理论面、检测面的中间状态理论厚度T_Th和相邻两检测面的中间状态理论距离T_Dts；

步骤二、离散精加工刀轨生成离散点，离散点为刀轨上的刀位点的标记为S_TPt，离散点为刀位点之间的插值点的标记为S_Lpt，将离散点向中间状态的理论面投影生成检测实际中间加工状态的检测点，标记为M_LPt；

步骤三、对工件的实际中间加工状态进行在线检测，得到检测点处的实际位置R_Ps与检测点处工件的实际厚度R_Th，根据检测点的实际检测位置，计算相邻两个检测面的实际中间状态的距离R_Dts；

步骤四、根据检测结果评价中间状态的变形和误差是否能够通过刀轨修改来满足加工要求，如果不能，则报警，提示加工工人采取措施；若变形和加工误差不影响后续加工，则不采取措施；若能够通过修改刀轨来满足加工要求，则修改刀轨；

步骤五、根据步骤四的评价结果，若需要刀轨补偿：

对于一个面的情况，刀轨的补偿方法为：

令N_TPP表示修改后的刀位点，令

表示检测面的外法向单位向量，

如果检测点是由精加工刀位点投影得到的，则新刀位点为：

$N\_\mathrm{TPP}=S\_\mathrm{TPt}+\underset{\mathrm{Normal}}{\→}\×(T\_\mathrm{Th}-R\_\mathrm{Th});$

如果检测点是由精加工刀位点进行插值而成的点投影得到的，则新刀位点为：

$N\_\mathrm{TPP}=S\_\mathrm{IPt}+\underset{\mathrm{Normal}}{\→}\×(T\_\mathrm{Th}-R\_\mathrm{Th}),$

然后形成新的加工刀轨；

对于两个面的情况，刀轨的补偿方法为：令D_Tool表示精加工刀具直径，如果T_Dts≤R_Dts或者D_Tool≤R_Dts≤T_Dts，则按照步骤五两个面的精加工各自进行刀轨补偿；如果，R_Dts≤D_Tool并且精加工为端铣加工底面，说明存在刀具干涉情况，则将底面的精加工刀轨根据工艺要求的切削深度沿刀轴方向从工件顶面高度进行分层加工，形成新的刀轨；

步骤六、利用新生成的刀轨更新原NC程序，进行加工。

2.根据权利要求1所述的一种飞机结构件数控加工在线自适应刀轨补偿方法，其特征在于，所述根据检测结果评价中间状态的变形和误差的方法包含以下步骤：

步骤一、求出所有检测点中|M_Ps-M_LPt|+|T_Th-R_Th|最大的三个点，并标记为Max_Pt₁，Max_Pt₂，Max_Pt₃；

步骤二、调整Max_Pt₁，Maz_Pt₂，Maz_Pt₃，使这三个点满足平面度和位置公差的要求，标记调整后的点为AMax_Pt₁，AMax_Pt₂，AMax_Pt₃；

步骤三、令

表示加工工件检测面的最终理论厚度及其上下公差，令Re表示加工余量，式(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₁-Max_Pt₁|-Re)≤(F_Th+a)，(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₂-Max_Pt₂|-Re)≤(T_Th+a)和(F_Th-b)≤(R_Th±|AMax_Pt₃-Max_Pt₃|-Re)≤(F_Th+a)，式中，若以上步骤二中的每个点调整的方向与检测面的外法向一致，则±取-，否则取+，若能同时满足以上三式，则中间状态的变形和误差能够通过刀轨修改来满足加工要求，否则，提示加工工人采取措施。

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