CN104714482A - 加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，其特征是使用自适应装夹装置，在加工过程中能够根据工件变形自适应调整装夹，释放加工过程中的残余应力，位移传感器与装夹装置集成，通过位移传感器实时监测工件的变形量，并根据实际变形情况进行特征加工顺序及刀轨策略调整。如果变形量在允许范围之内，则调整加工顺序减小下一步加工的变形。如果变形量达到警戒值，则触发在机检测，并根据检测数据调整刀轨策略，保证进一步加工的工件质量。本发明将基于残余应力等不确定性因素的变形预测难题转化为基于在线监测以及在机检测等确定性因素的问题求解，能从根本上保证零件最终加工质量。

Description

加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法

技术领域

本发明涉及一种大型结构件自适应加工方法，在自适应装夹装置的基础上，实时监测变形，监测触发特征加工顺序调整以及在机检测，属于CAM/CNC技术领域，具体地说是一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法。

背景技术

随着飞机制造业以及数控技术的发展，整体结构件因其重量轻，结构效率高，可靠性好等优点被广泛应有于航空航天领域。但由于航空结构件的大型化和薄壁化，导致零件在加工过程因受各种因素的影响，加工结束后往往产生弯曲，翘曲或弯扭组合等变形，其中夹紧力是影响工件变形的重要因素。

在零件加工过程中随着材料的去除，零件会发生塑性变形，同时在已加工表面产生残余应力，但由于传统的装夹模式为固定装夹，零件在加工过程中固定不动，无法释放内部应力，待加工结束去除装夹约束后，零件会发生回弹产生变形，且变形情况难以预测。为了满足零件的尺寸外形和精度要求，又需采用多次装夹的方式对变形后的零件进行修正，过程繁复，严重影响了加工效率。

而针对结构件加工过程中的变形控制问题，现在多采用的有限元模拟仿真的方式预测零件加工变形的基本趋势，然后通过优化装夹方式，提高切削速度等方法在一定程度上控制或减缓零件的变形。但这些方法都是在初始毛坯的基础上利用模拟仿真的方法。而实际加工过程中，由于残余应力、热应力等因素的随机性，机理复杂，其引起的变形难以事前准确预测，将会造成各种误差，进一步的加工会导致零件的欠切或过切。导致实际中间过程难以控制，严重者会造成零件的报废。

为了解决上述问题，本发明在低应力装夹模式的基础上，根据零件加工过程中实际的变形量进行加工策略的调整。本发明最大特点是将基于残余应力等不确定性因素的变形预测难题转化为基于在线监测以及在机检测等确定性因素的问题求解。

发明内容

本发明的目的是针对现有的飞机大型结构件加工过程中易变形，且变形量难以控制，造成尺寸误差，形状误差和位置误差，导致进一步的加工可能出现过切或欠切，严重者造成零件的报废等问题，发明一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，该方法使用自适应装夹装置，在加工过程中根据集成在装夹装置上的位移传感器的监测量自适应调整装夹释放加工过程中的残余应力，从而减小工件变形。

本发明的技术方案是：

一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：装夹布置。根据零件的具体形状，选择零件靠近几何中心的边缘位置或者变形较小的位置为半固定装夹点，一般情况下固定不动，可看作固定装夹点。只有在进行加工基准调整时才恢复为自适应调整装夹。其余装夹点均为自适应装夹。

步骤2：在工件加工过程中每完成一个工步，即一把刀具的加工完成后，则打开自适应装夹装置的运动开关，使装夹能够通过变形释放残余应力，进而保证工件处于低应力状态；步骤3：装夹装置与位移传感器集成，当装夹装置的运动开关打开后，位移传感器监测工件在每一个装夹位置的变形量；

步骤4：根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测；

步骤5：根据在机检测结果进行刀轨策略的调整。

所述根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测的原则是：

(1)通过集成在装夹装置上的位移传感器，实时监测位移变形量ω_i，判定ω_i所在范围，如果变形量小于零件一次切削加工允许的最大加工余量a_max与单面允许变形量ω_a，即：

w_i≤ω_a&w_i≤a_max

其中w_a＝r₁+t_下-a_min

单面允许变形量是指工件变形后毛坯仍然能够在原加工基准下将理论最终状态包络，其中t_下为尺寸公差的下偏差，a_min为零件精加工时下表面所需的最小加工余量，a_max为工件一次切削加工允许的最大加工余量。

表明变形在允许范围内，继续进行零件加工，但需要对特征的加工顺序进行调整以减小进一步加工的变形量；

(2)如果ω_i小于单面允许变形量ω_a但大于零件一次切削加工允许的最大加工余量a_max，即：

w_i≤r₁+t_下-a_min&w_i≥a_max

表明零件的变形仍在可控范围内，但加工余量已不满足加工要求，需要触发在机检测，根据检测点的实际变形量，调整走刀策略，再进行零件的后续加工；

(3)当零件位移变形量ω_i超过单面允许变形量ω_a但小于双面允许变形量ω_s时，即：

w_i≥r₁+t_下-a_min&w_i≤ω_s

双面允许变形量是指超过该值之后不能通过调整基准使毛坯将工件的最终理论状态包络，考虑到零件的精加工余量要求及外形尺寸公差等指标，ω_s的计算公式为：

ω_s＝r₁+r₂+t_下-a_min-a_min'

其中a_min'为零件精加工时上表面所需的最小加工余量。

此情况表明零件变形量已超过允许变形量，需要对加工基准进行调整，再继续加工；(4)当位移变形量ω_i超过危险变形量ω_s时，即：

w_i≥r₁+r₂+t_下-a_min-a_min'

表明零件变形量已达到警戒值，已不能通过调整加工策略或基准来保证零件的合格率，需采取特殊手段才能进一步加工。

所述特征加工顺序调整方法为：

步骤1：沿径向对零件所有槽特征进行分层，靠近装夹点的零件最外侧槽特征为径向第一层特征，依次向里偏置一个特征，所得到的特征为径向第二层特征，如此直到所有特征都被分层；

步骤2：根据各监测点的位移变形量，确定变形量最大的装夹点，首先加工距离该装夹点最近的特征；

步骤3：在加工完当前特征后，寻求距离当前特征最远的特征，按对角加工的原则对当前特征的对角特征进行加工；

步骤4：为了确定当前特征的对角特征，首先需要确定每个特征的中心点，如槽特征腹板面的中心点，然后测算当前特征的中心点与其余特征中心点的距离，距离最远的即可视为当前特征的对角特征。

所述在机检测的检测点规划方法为：对零件进行特征识别，获取零件的腹板面、侧面和轮廓面，每3000mm²的区域内分布一个检测点。

所述根据在机检测结果进行刀轨策略调整的方法为：在零件变形量超过零件一次切削加工允许的最大加工余量a_max后，停机检测，获取每个检测点的厚度，进而求出加工余量，根据各点的加工余量对走刀策略进行调整，先切削加工余量较大的地方，待各处的加工余量相对均匀后，再按对角加工的原则对零件继续切削。

所述根据在机检测结果进行加工基准调整的方法为：根据在机检测结果进行加工基准调整的方法为：首先确定检测点P_i到其相应特征F_j最终理论状态的距离d(P_i，F_j)，其中检测点P_i是根据零件加工过程中的中间状态选定的，而相应特征是指零件中间状态对应的理想最终状态的特征；如果P_i在的外法线方向，则距离为正，反之距离为负值；计算所有检测点到其相应特征最终理论状态的距离的均方差，记为S；利用遗传算法，对所有检测点进行统一的坐标变换，在保证d(P_i，F_j)不小于零件加工最小余量的情况下，求解出S最小值时对应的变换矩阵；根据变换矩阵对自适应装夹装置进行调整，改变工件的加工基准，使零件的最终状态在满足加工余量的要求下被包络于工件中间加工状态的材料实体内。

所述的加工基准调整方法，也可在计算出变换矩阵后，将机床的坐标系按照变换矩阵进行变换，然后进行加工。

本发明的有益效果是：

本发明通过使用自适应装夹装置和相应的调整策略，在加工过程中根据集成在装夹装置上的位移传感器的监测量自适应调整装夹释放加工过程中的残余应力，能明显减小工件变形，提高加工精度和质量。

本发明将基于残余应力等不确定性因素的变形预测难题转化为基于在线监测以及在机检测等确定性因素的问题求解，能从根本上保证了零件最终加工质量。

附图说明

图1为本发名加工-监测-检测-装夹集成的自适应加工流程示意图。

图2为本发明实施例的飞机结构件。

图3为典型飞机结构件在传统装夹模式下毛坯剖视示意图，黑色实线所组成的区域为零件毛坯，黑色虚线组成的凹槽状矩形区域为零件最终理论状态，两侧为装夹装置，下方黑色虚线为加工基准面。

图4为传统加工模式下零件加工过程示意图。

图5为传统加工模式下除去装夹力后的零件变形示意图。

图6为本发明的典型飞机结构件低应力加工模式下毛坯剖视示意图，两侧及底部夹具为低应力夹具示意图。

图7为本发明的低应力加工模式下零件加工过程示意图。

图8为本发明的低应力加工模式下走刀策略调整示意图。

图9为本发明的低应力加工模式下加工基准调整示意图。

图10为本发明的低应力装夹装置示意图，图中：10.1为安装基座、10.7为位移传感器、10.9为零件连接装置、10.10为力传感器、10.16为运动机构。

图11为本发明的典型易变形零件的装夹布局图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图2为典型飞机大型结构件槽特征示意图，详述如下。

一种基于低应力装夹的加工策略调整方式包括以下步骤(如图1所示)：

步骤1，输入零件模型，对其进行特征识别，共识别出19个槽特征。将这些槽特征依次进行编号：P₁、P₂、P₃……P₁₉。

步骤2：对零件进行特征识别，获取零件的腹板面、侧面和轮廓面，每3000mm²的区域内分布一个检测点。确定这些检测点与各个特征的关联关系，即确定每个检测点隶属的具体特征，或者每个特征包含的检测点的数目，P_i＝(m_i、m_i+1......m_k)。其中m_i表示第i个检测点。

步骤3：对零件进行装夹，有别于传统的装夹方式，此处采用低应力装夹模式，如图6所示。即夹具在零件的加工过程中，其运动机构随着零件的变形可沿着变形方向运动，在一定范围内允许零件的自由变形及应力释放。

步骤4：在加工过程中，零件发生变形，如图8所示，r₁表示零件下表面剩余的加工余量，r₂表示零件上表面留下的加工余量，ω_i表示零件的变形量。在实时监测过程中，ω_i的大小与低应力装夹模式下随动夹具的位移量一致。也可通过检测的方法获取，零件下表面不同部位间的最大高度差即为变形量ω_i。

步骤5：实时监测零件变形量，当其小于单面允许变形量ω_a的同时满足最大加工余量要求，则表明零件变形在允许范围内：

w_i≤ω_a&w_i≤a_max     (1)

综合考虑零件的尺寸公差、形位公差和中间加工余量均匀的要求：

w_a＝r₁+t_下-a_min  (2)

因此当零件变形量w_i满足以下算式时，无需做调整，可继续加工：

w_i≤r₁+t_下-a_min&w_i≤a_max    (3)

其中t_下为尺寸公差的下偏差，a_min为零件精加工时下表面所需的最小加工余量，a_max为工件一次切削加工允许的最大加工余量。

步骤6：当零件的变形量依旧小于单面允许变形量ω_a，但不满足小于最大加工余量a_max的要求时，即：

w_i≤r₁+t_下-a_min&w_i≥a_max    (4)

需要对走刀策略进行调整，此处采取的策略是先铣削余量大的区域，待零件各处余量均匀后，再继续加工。

步骤7：由于需要对加工余量超过a_max的区域进行铣削，因此必须准确获知每个区域的实际加工余量，此处触发在线检测系统。通过测量获取被检测点的当前坐标值L_i，待零件上表面所有检测点测量完毕后，确定轴向最低点，并记录该点的轴向坐标Z_min，求取其余测量点的轴向坐标Z_i，在此基础上可确定除轴向最低点外其余各点的待切削厚度：h_i＝Z_i-Z_min。

步骤8：在确定零件上表面每处待切削深度h_i后，对h_i进行排序。h_i最大的检测点即可确定为待切削量最大的检测点m_i，根据各检测点m_i和个特征P_i的关联关系，可确定需要优先加工的特征区域。然后按照对角加工的原则进行层切。

实践证明，对角加工模式有利于零件内部应力的均匀分布，减小零件变形。而寻找当前特征的对角特征可按以下方式：

确定当前待加工特征P_i所在面的中心点O_i，确定零件轴向当前层其余特征中心点O₁、O₂……O_i-1、O_i+1……O₁₉。分别计算O_i与O₁、O₂……O_i-1、O_i+1……O₁₉的距离D_ik，其中i表示优先加工的特征，k表示该层的其余特征。D_ik最大的特征k即为当前特征的对角特征。

步骤9：去除以上已加工特征中的检测点，对剩余检测点重复步骤8，直至当前层余量超过a_max的区域切削完成。

步骤10：在余量加工均匀后，则可对整个零件进行层切，加工刀轨可与零件未变形前所设定的一致，只需将刀轨沿着轴向进行偏置。

步骤11：当零件变形量超过单面允许变形量ω_a但未超过双面允许变形量ω_s时，即：

w_i≥r+t_下-a_min&w_i≤ω_s    (5)

考虑到零件的精加工余量要求及外形尺寸公差等指标，确定ω_s的计算公式为：

ω_s＝r₁+r₂+t_下-a_min-a_min'    (6)

a_min'为零件精加工时上表面所需的最小加工余量。在此情况下，

需要对零件进行加工基准的调整。步骤如下：

首先确定待检测点P_i(x_i,y_i,z_i,1)的实际位置，在零件加工完一个工步且变形满足上述条件后，停机检测确定待检测点的实际坐标位置，而将待检测点的理论位置记为 可由P_i(x_i,y_i,z_i,1)通过矩阵变换得到。即

$P_i^{*}(x_i^{*},y_i^{*},z_i^{*},1)=P_i(x_i,y_i,z_i,1)T---\left(7\right)$

其中T＝(T_p,T_x,T_y,T_z)，

$T_p=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ \mathrm{\Δx}& \mathrm{\Δy}& \mathrm{\Δz}& 1\end{array}\right)---\left(8\right)$

T_p是位移变换矩阵，Δx、Δy、Δz表示检测点的理论位置与变形后零件检测点的实际位置间的距离。

$T_x=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(9\right)$

$T_y=\left(\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(10\right)$

$T_z=\left(\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(11\right)$

T_x、T_y、T_z分别为绕着x、y、z轴的旋转矩阵。

在确定检测点实际位置坐标p_i＝(x_i,y_i,z_i)和理论坐标后，便可求取P_i到其相应特征F_j最终理论状态的距离d(P_i，F_j)，其中检测点P_i是根据零件加工过程中的中间状态选定的，而相应特征是指零件中间状态对应的理想最终状态的特征。如果在P_i的外法线方向，则距离d(P_i，F_j)为正，反之距离为负值。计算所有检测点到其相应特征最终理论状态的距离的均方差，记为S。

在得到距离均方差S后，为了使零件满足继续加工的要求，需要对其进行位姿的调整。此时利用遗传算法可求解出最佳位姿。

表征位姿函数的变量用u表示，即：

u＝(Δx，Δy，Δz，α，β，θ)

其中Δx、Δy、Δz及α、β、θ的含义如上所述，变量u的范围由零件的变形量确定。

本遗传算法的初始种群数为100。采用多算子交叉算法保证优化目标即均方差的值最小的收敛性。且本遗传算法的变异概率取0.08，迭代次数为500次。适应度函数为：

$f\left(u\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{S}}\left(d(p_i^{*},F_j)\right)---\left(12\right)$

在迭代过程中，当种群中的个体不满足约束条件时，则通过变异生成后代作为种群中的新的个体。

通过上述遗传算法即可求解出加工过程中零件的最佳位姿，根据求解结果通过改变装夹状态对零件加工基准进行调整使之满足最小加工余量要求能够继续加工。

步骤12：当零件的变形量w_i超过双面允许变形量ω_s时，即：

w_i≥r₁+r₂+t_下-a_min-a_min'    (13)

表明零件的变形已超差，需要采取特殊手段才能进一步加工。

如图10所示，低应力装夹装置的实施方式为：

低应力装夹装置通过安装基座10.1固定在工作平台上，通过零件连接装置10.9固定毛坯。在加工过程中，力传感器10.10实时监测装夹点的受力情况，在不加工状态时，通过运动机构10.16调整装夹点的空间位置，使力传感器10.10数值恢复初始值，以释放残余应力。同时位移传感器10.7、10.14、10.15分别监测装夹点x、y、z方向上的位移量，判断零件在某一方向上的变形量是否超过最大允许值，如果超过，则停止该方向上的自适应调整，使其成为固定装夹；如果没有超过，可根据位移传感器测得的零件实际变形量，调整工艺方案后继续加工。

如图11所示，零件中间位置的边缘处的装夹状态为半固定装夹。当零件变形量未超过双面允许变形量ω_s时，此处为固定装夹，自适应夹具控制开关处于关闭状态。而当零件变形量超过双面允许变形量ω_s时，为了进行加工基准的调整，自适应控制开关打开，装夹状态从固定装夹转变为自适应装夹。而零件除了这两处外剩余装夹点均始终处于自适应装夹状态。

此外，具体实施时，也可在计算出变换矩阵后，进行加工基准调整，将机床的坐标系按照变换矩阵进行变换，然后进行加工。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤1：装夹布置，根据零件形状，选取零件中间边缘位置或变形小的位置作为半固定装夹点，其余装夹点位置处于自适应装夹状态；

步骤2：在工件加工过程中每完成一个工步，即一把刀具的加工完成后，则打开自适应装夹装置的运动开关，使装夹能够通过变形释放残余应力，进而保证工件处于低应力状态；

步骤3：装夹装置与位移传感器集成，当装夹装置的运动开关打开后，位移传感器监测工件在每一个装夹位置的变形量；

步骤4：根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测；

步骤5：根据在机检测结果进行刀轨策略的调整或加工基准的调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测是指：

(1)通过集成在装夹装置上的位移传感器，实时监测位移变形量ω_i，判定ω_i所在范围，如果变形量小于零件一次切削加工允许的最大加工余量a_max与单面允许变形量ω_a，即：

w_i≤ω_a&w_i≤a_max

其中w_a＝r₁+t_下-a_min

单面允许变形量是指工件变形后毛坯仍然能够在原加工基准下将理论最终状态包络，其中t_下为尺寸公差的下偏差，a_min为零件精加工时下表面所需的最小加工余量，a_max为工件一次切削加工允许的最大加工余量；

表明变形在允许范围内，继续进行加工，但需要对特征的加工顺序进行调整以减小进一步加工的变形量；

(2)如果ω_i小于单面允许变形量ω_a但大于零件一次切削加工允许的最大加工余量a_max，即：

w_i≤r₁+t_下-a_min&w_i≥a_max

表明零件的变形仍在可控范围内，但加工余量已不满足加工要求，需要触发在机检测，根据检测点的实际变形量，调整走刀策略，再进行零件的后续加工；

(3)当零件位移变形量ω_i超过单面允许变形量ω_a但小于双面允许变形量时ω_s，即：

w_i≥r₁+t_下-a_min&w_i≤ω_s

双面允许变形量是指超过该值之后不能通过调整基准使毛坯将工件的最终理论状态包络，考虑到零件的精加工余量要求及外形尺寸公差等指标，ω_s的计算公式为：

ω_s＝r₁+r₂+t_下-a_min-a_min'

其中a_min'为零件精加工时上表面所需的最小加工余量；

此情况表明零件变形量已超过单面允许变形量，需要对加工基准进行调整，再继续加工；

(4)当位移变形量ω_i超过双面允许变形量ω_s时，即：

w_i≥r₁+r₂+t_下-a_min-a_min'

表明零件变形量已达到警戒值，已不能通过调整加工策略或基准来保证零件的合格率，需采取特殊手段才能进一步加工。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的特征加工顺序的调整方法为：

步骤1：沿径向对零件所有槽特征进行分层，靠近装夹点的零件最外侧槽特征为径向第一层特征，依次向里偏置一个特征，所得到的特征为径向第二层特征，如此直到所有特征都被分层；

步骤2：根据各监测点的位移变形量，确定变形量最大的装夹点，首先加工距离该装夹点最近的特征；

步骤3：在加工完当前特征后，寻求距离当前特征最远的特征，按对角加工的原则对当前特征的对角特征进行加工；

步骤4：为了确定当前特征的对角特征，首先需要确定每个特征的中心点，如槽特征腹板面的中心点，然后测算当前特征的中心点与其余特征中心点的距离，距离最远的即可视为当前特征的对角特征。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的在机检测的检测点规划方法为：

对零件进行特征识别，获取零件的腹板面、侧面和轮廓面，每3000mm²的区域内分布一个检测点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的根据在机检测结果进行刀轨策略调整的方法为：在零件变形量超过零件一次切削加工允许的最大加工余量a_max后，停机检测，获取每个检测点的厚度，进而求出加工余量，根据各点的加工余量对走刀策略进行调整，先切削加工余量较大的地方，待各处的加工余量相对均匀后，再按对角加工的原则对零件继续切削。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的根据在机检测结果进行加工基准调整的方法为：首先确定检测点P_i到其相应特征F_j最终理论状态的距离d(P_i，F_j)，其中检测点P_i是根据零件加工过程中的中间状态选定的，而相应特征是指零件中间状态对应的理想最终状态的特征；如果检测点坐标在相应特征的外法线方向，则距离为正，反之距离为负值；计算所有检测点到其相应特征最终理论状态的距离的均方差，记为S；利用遗传算法，对所有检测点进行统一的坐标变换，在保证d(P_i，F_j)不小于零件加工最小余量的情况下，求解出S最小值时对应的变换矩阵；根据变换矩阵对自适应装夹装置进行调整，改变工件的加工基准，使零件的最终状态在满足加工余量的要求下被包络于工件中间加工状态的材料实体内。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的加工基准调整是在计算出变换矩阵后，将机床的坐标系按照变换矩阵进行变换，然后进行加工。