CN107728578A - 一种基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法 - Google Patents

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刘长青
赵智伟
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Abstract

一种根据监测加工变形数据进行加工顺序自适应调整的方法，其特征是：首先，采用浮动装夹的方法加工零件，在工件表面设置参考点，在工件加工完一层之后通过浮动装夹上的位移监测传感器获取监测点处工件加工变形数据，判断最大变形量是否大于设定的阈值，如果超过设定阈值，则根据工件变形数据对工件划分加工区域；之后采用动态路径规划的方法确定加工区域内最短加工路径，区域内的加工顺序确定之后对采取对称加工等原则确定区域间的加工顺序，最终确定工件总体加工顺序；如果没有超过设定阈值，则按照原加工顺序进行后续加工直至下次变形释放。本发明实现了加工顺序的在线自适应调整，可以决策出使工件最小加工变形量的加工顺序，有效的减小工件的变形。

Description

一种基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法
技术领域
本发明涉及一种基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，尤其是大型复杂结构件的加工顺序调整方法，属于CAD/CAM/CAPP领域。
背景技术
随着航空航天工业的发展，飞机性能在不断提升，结构件在飞机制造中所占的比重也越来越大，根据英国Warwick大学与ICF国际咨询公司的统计数据，2012年全球飞机结构件的制造费用约占整机制造费用的27％。飞机结构件大量的应用可以减轻飞机的整体重量；降低因铆接、铰接等工艺对飞机结构强度、装配变形的影响；缩短飞机的研发周期等；同时，结构件在向大型化、结构复杂化、制造精确化等方向发展。飞机整体结构件通常包含大量的槽、腹板、筋等加工特征，材料去除率高达80-90％甚至95％，加工之后结构件变形量大，由此可能造成工件报废，从而增加生产成本。优化加工工艺是控制工件变形的有效措施，其中调整加工顺序是优化加工工艺的重要手段。
目前，调整加工顺序的研究主要是采用有限元分析软件，对不同的加工顺序进行模拟仿真，其中加工顺序包括环形铣削、顺序铣削、奇偶铣削、偶奇铣削、对角铣削等铣削方式，通过对比不同加工顺序下的变形量，选择可以减小工件变形量的加工顺序。
但是，相关研究只是面向结构简单、尺寸小的工件，而对于大型复杂航空结构件单一考虑局部特征进行加工顺序调整的工艺效率较低；同时，工件变形的影响因素众多且存在众多的不确定性。通过有限元模拟仿真大多只是定性分析加工顺序对变形的影响，而且应用于大型复杂结构件时仿真效率低；基于预测数据优化加工顺序的方法中采用的预测变形数据与实际加工变形数据存在着误差：除此之外，通过有限元仿真调整加工顺序只是在工件加工之前调整，一旦加工开始，加工顺序就不能重新调整，因此，有限元仿真方法难以精确预测出工件最小变形量的加工顺序，且调整方法比较固定，不够灵活。如何决策出使大型复杂航空结构件变形最小的加工顺序亟待解决。
发明内容
本发明的目的是飞机大型薄壁结构件加工中变形预测实时性差，现有研究依靠预测带来的不确定性在，解决现有方法在应用于大型复杂结构件时效率低，加工过程中不能实时调整的问题，发明一种基于加工变形监测数据的加工顺序在线自适应调整方法。
本发明的技术方案是：
一种基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：在工件底面设置适量的监测点；采用浮动装夹的加工方法，在工件加工完一层释放变形时，获取监测点处的工件加工变形数据，根据监测点处的变形数据进行变形曲面拟合；判断最大变形量是否达到设定的阈值，如果超过设定阈值，则根据工件加工特征的变形参考值对工件的加工特征进行加工区域划分；在区域间考虑各个区域的加工变形状态，采用对称加工的方法确定加工顺序，从而确定工件下一层的加工顺序；在单个区域内采用最短加工路径的加工顺序；若没有达到设定的阈值，则按照原加工顺序加工直至下次释放变形，实现加工顺序的在线自适应调整。
本发明获取工件变形数据的方法是采用浮动装夹的加工方法实时监测工件加工变形，以变形数据驱动加工特征在线自适应调整。
本发明所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：根据监测点处的坐标进行曲面拟合，得到工件底面加工变形的轮廓，以工件加工特征的几何中心向拟合曲面投影，得到工件特征变形参考值，依据此参考值对工件特征进行区域划分；所述的划分加工区域方法采用的是基于最小距离的层次聚类算法，其聚类对象是工件的加工特征。
本发明所述的最短路径采用状态压缩动态路径规划的算法确定。
所述的加工区域划分的原则如下：
原则1.每加工一层获取监测点处精确的加工变形数据，根据加工变形参考值进行区域划分；
原则2.所有的子加工区域之和能够覆盖整个加工区域，以保证加工的完整性；
原则3.区域划分时不能拆割槽等工件加工特征；
原则4.所划分的子区域尽可能关于零件几何中心点或对称轴呈对称分布；
原则5.所划分子区域的数量及面积要适中。
本发明所述的加工区域划分及确定加工路径的过程如下：
步骤1.采用层次聚类算法对加工特征进行聚类，得到聚类中心集合Arealist＝{Area1，Area2，Area3，……}，其中，Arealist表示划分的加工区域的集合，Areai表示划分的单个加工区域。
步骤2.根据动态路径规划方法确定单个区域内的最短加工路径，并任意选取其中一个加工特征作为区域内的加工起始点。
步骤3.据各区域内加工变形状态完成区域间的加工顺序规划，实现加工顺序的在线自适应调整。
确定区域间的加工顺序时应采用以下策略：为了保证工件刚度，根据加工变形参考值先加工变形大的区域；采取对称或者轴对称的加工策略使应力释放均匀。
本发明所述的自适应调整方法如下：判断每加工完一层获取到的最大加工变形数据是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值，则进行加工顺序的在线自适应调整；否则，按照原加工顺序继续加工直至下次变形释放，调整阈值参考零件加工变形的精度要求。
本发明的有益效果是：
本发明实现了加工顺序的在线自适应调整，可以决策出使工件最小加工变形量的加工顺序，有效的减小工件的变形。
本发明在保证加工质量的同时，有利于提高加工效率，降低加工成本。
附图说明
图1为本发明基于工件变形监测数据的加工顺序自适应调整方法示意图。
图2为本发明的实验工件示意图。
图3为本发明的加工特征聚类示意图。
图4为本发明区域内最短加工路径规划结果示意图。
图5为本发明的在线自适应调整结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1-5
一种基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其具体步骤如下(见图1)：
步骤1.在工件下表面设置适量的监测点，每加工完一层工件，采用浮动装夹加工方法在监测点处监测工件加工变形，得到加工变形数据；监测点的数量视工件大小、形状及刚度确定，优先布局工件四周刚性较弱的部位以及毛坯外轮廓边界、转折点附近区域。工件监测点数量可从几个到几十个不等。
步骤2.判断最大变形量是否超过所设定的阈值，如果超过所设定阈值，则进行步骤3、步骤4、步骤5操作，实现加工顺序的在线自适应调整；如没有超过所设定阈值，则按照原加工顺序加工下一层工件；
步骤3.根据监测点处的坐标值拟合得到工件变形曲面轮廓，如图2；以工件特征几何中心向拟合曲面投影得到加工特征变形参考值，根据此参考值采用基于最小距离的层次聚类算法对工件的加工特征进行聚类，得到聚类中心的集合Arealist＝{Area1，Area2，Area3，……}，如图3，其中，Arealist表示划分的区域中心集合，Areai表示划分的单个加工区域，图中不同形状标志表示不同的聚类区域，相同的形状符号表示同一聚类区域；
步骤4.在单个加工区域内，采用状态压缩动态路径规划的方法确定加工路径最短的加工顺序，如图4；
步骤5.根据各区域的加工变形状态完成区域间的加工顺序规划，实现加工顺序的自适应调整，最终结果如图5。
本发明采取的获取工件变形数据的方法是当去除一层材料之后，采用浮动装夹加工方法监测工件加工变形，以工件变形数据驱动加工顺序在线自适应调整。
本发明所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，根据监测点处的坐标进行曲面拟合，得到工件底面加工变形的轮廓，以工件加工特征的几何中心向拟合曲面投影，得到工件特征变形参考值，依据此参考值对工件特征进行区域划分；所述的划分加工区域方法采用的是基于最小距离的层次聚类算法，其聚类对象是工件的加工特征。
所述的加工区域的划分原则如下：
原则1.每加工一层获取监测点处精确的加工变形数据，根据加工变形参考值进行区域划分；
原则2.所有的子加工区域之和能够覆盖整个加工区域，以保证加工的完整性；
原则3.区域划分时不能拆割槽等工件加工特征；
原则4.所划分的子区域尽可能关于零件几何中心点或对称轴呈对称分布；
原则5.所划分子区域的数量(即聚类数量)由工艺人员根据工件尺寸确定，一般情况下数量至少为4，分区的最大数量应小于槽加工特征数量的三分之一，数量太多便失去了分区的意义。
所述的确定区域内最短加工路径的方法是采用状态压缩动态路径规划的方法。
确定区域间的加工顺序时应采用以下策略：为了保证工件刚度，根据变形监测数据，先加工变形大的区域；采用对称或者轴对称的加工策略以使应力释放均匀。
本发明所述的自适应调整方法如下：判断每加工完一层获取到的最大加工变形数据是否超过设定的阈值；若超过该阈值，则进行加工顺序的在线自适应调整；否则，按照原加工顺序继续加工直至下次变形释放，调整阈值参考零件加工变形的精度要求。
本发明未涉及部分如状态压缩动态路径规划法、基于最小距离的层次聚类算法等均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：在工件底面设置适量的监测点；采用浮动装夹的加工方法，在工件加工完一层释放变形时，获取监测点处的工件加工变形数据，根据监测点处的变形数据进行变形曲面拟合；判断最大变形量是否达到设定的阈值，如果超过设定阈值，则根据工件加工特征的变形参考值对工件的加工特征进行加工区域划分；在区域间考虑各个区域的加工变形状态，采用对称加工的方法确定加工顺序，从而确定工件下一层的加工顺序；在单个区域内采用最短加工路径的加工顺序；若没有达到设定的阈值，则按照原加工顺序加工直至下次释放变形，实现加工顺序的在线自适应调整。
2.根据权利要求1所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：采用浮动装夹的加工方法监测工件变形，以工件变形数据驱动加工顺序自适应调整。
3.根据权利1所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：工件变形之后，根据监测点处变形之后的坐标进行曲面拟合，得到工件底面加工变形的轮廓；以工件加工特征几何中心向拟合曲面投影，得到工件加工特征变形参考值，依据此参考值划分加工区域；所述的划分加工区域方法采用的是基于最小距离的层次聚类算法，聚类对象是工件的加工特征。
4.根据权利1所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，特征在于：所述的加工区域划分的原则如下：
原则1. 每加工一层获取监测点处精确的加工变形数据，根据加工变形参考值进行区域划分；
原则2. 所有的子加工区域之和能够覆盖整个加工区域，以保证加工的完整性；
原则3. 区域划分时不能拆割槽加工特征；
原则4. 所划分的子区域尽可能关于零件几何中心点或对称轴呈对称分布；
原则5. 所划分子区域的数量及面积要适中。
5.根据权利要求1所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：为了保证工件刚度，根据工件特征变形参考值，应该先加工变形最大区域。
6.根据权利要求1所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：区域间采用零件几何中心点对称或者轴对称的加工策略以使应力释放均匀。
7.根据权利要求1所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：区域内，用状态压缩动态路径规划的算法确定权利要求1中所划分的单个区域内工件加工特征的最短加工路径。
8.根据权利要求1所述的基于加工变形监测数据的加工顺序自适应调整方法，其特征在于：判断每加工完一层获取到的最大加工变形数据是否超过设定的阈值，若超过该阈值，则进行加工顺序的在线自适应调整；否则，按照原加工顺序继续加工直至下次变形释放，调整阈值参考零件加工变形的精度要求。
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