CN110508852A - 一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法，包括：基于孔在结构件加工、装配定位及定位质量检测工艺阶段所承担的工艺功能，将其分为定位孔与工艺孔两类；从产品三维数字模型设计系统中获取三维数模，确定孔凸台可布置的区域；基于工程经验，初始化定位孔布局，以铣削变形最小为目标，面向加工过程优化工艺孔位，利用萤火虫算法优化定位孔孔位，优选出数组加工孔位布局；以单次定位调整变形最小，工艺孔凸台处能最大限度反应定位调整变形为标准。本发明的孔位确定方法简单可靠，操作过程简洁直观，易于理解，实现了孔位确定从单一工艺过程优化到兼顾产品制造全工艺过程的转变。

Description

一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法

技术领域

本发明涉及数字化柔性装配技术领域，尤其涉及一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法。

背景技术

大型整体薄壁多槽腔结构件的选用不仅能够减轻飞机产品总重量，而且可以提升飞机各项机械性能，在航空工业中获得了广泛的应用。加工时以定位孔为主基准，工艺孔为辅助基准，对外形与腹板面进行铣削加工。由于大型整体薄壁多槽腔结构件刚性差，主支撑力作用点（主基准-定位孔所在位置）和辅助支撑力作用点（辅助基准-工艺孔所在位置）选择不当，在铣削加工时会引起附加应力，造成严重的加工变形，增大加工差异性，使装配定位过程管控情况更为复杂和突出。飞机部件装配过程中，整体薄壁多槽腔结构件一般选用定位孔与工装定位销相结合的过约束方式进行定位，保证其位置准确度及腹板平面度，借助数字化测量手段（如激光跟踪仪）获取布置在槽腔腹板上且有加工精度的工艺孔凸台航向坐标值评价定位质量。尽可能多的定位孔可降低后续结构件与之连接的操作难度，但定位孔过多则会极大地增加定位操作的难度，甚至出现无法完全按工艺要求完成定位操作的问题，且定位后的残余应力水平及应力分布复杂程度也会随之增大。因此，如何确定大型整体薄壁多槽腔结构件定位孔与工艺孔的数量及位置，是其加工过程与定位过程顺利进行的重要保障。

大型整体薄壁多槽腔结构件的孔位一般是设计人员根据结构件的几何特征均匀布置，或工艺人员按经验确定。近年，随着飞机性能要求越来越严格，很多专家学者针对薄壁结构件的数控加工、定位过程中的孔位优化问题进行了深入研究，但是优化面向的工艺阶段往往比较单一，缺乏对加工、装配定位和定位质量检测工艺阶段的统一考虑。

针对大型整体薄壁多槽腔结构件孔位确定问题，本发明提出面向加工、装配定位及定位质量检测三位一体的孔位确定方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法，包括：基于孔在结构件加工、装配定位及定位质量检测工艺阶段承担的工艺功能，将其分为定位孔与工艺孔两类；从产品三维数字模型设计系统中获取结构件三维数模，确定孔凸台可布置的区域；基于铣削加工工程经验，初始化定位孔布局，仿真铣削加工过程，面向加工过程优化工艺孔位，优选定位孔孔位；仿真单次定位调整过程，面向装配定位及定位质量检测评价孔位布局的合理性；结合孔数影响，利用加权值评价孔位布局，确定一组最优孔位布局作为大型整体薄壁多槽腔结构件的最终孔位布局。

本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

S1、从产品三维数字模型设计系统中提取大型整体薄壁多槽腔结构件三维数字化模型，确定孔凸台可布置的区域（结构件几何条件允许布置孔，即腹板面上孔中心与槽腔侧壁面的距离大于或等于凸台底面半径加刀具直径）；

S2、根据工程经验，设定定位孔数数组X，其中每个元素代表大型整体薄壁多槽腔结构件可布置的一种定位孔数

i表示第i种孔数；X为1×m（m=1，2…）数组，表示某大型整体薄壁多槽腔结构件按工程经验布置的定位孔数一般为m种，分别为x ₁、x ₂、…、x _m 个；

S3、针对定位孔数为数组X第i（i=1，2，…，m）个元素x _i 个的情况，根据工程经验及大型整体薄壁多槽腔结构件的几何特征，设定n组定位孔初始化布局，确定其工艺孔布局，计算铣削变形平均值和最大值；

S4、以铣削变形平均值最小为优化目标，利用萤火虫算法获得优化后的n组定位孔布局，优化后n组定位孔布局对应的铣削变形平均值数组，最大值数组。如果T _i 中第j个值T _ij 大于所有布局方案中允许的最大铣削变形值T_max，则去除中的第j个值，在中剩余元素中取最小的3个值（如果中剩余元素不足3个，不足之数以100代替），组成新的数组，对应3种优选加工孔位（包括定位孔与工艺孔）布局；m种定位孔数对应3×m种优选加工孔位布局，对应铣削变形平均值数组，对应工艺孔个数组成的数组；

S5、针对平均铣削变形值为d _il （l=1，2，3）对应的加工孔位布局，计算该方案的装配定位、检测孔位布局优劣评定值P _il 与Q _il 。如果d _il =100，则P _il =100，Q _il =100。如果d _il ≠100，遍历该孔位布局下的x _i 个定位孔，仿真单次定位调整，获取每次调整的变形最大值p _ilr （r=1，2，…，x _i ；r表示调整变形最大值p _ilr 为结构件遍历第r个定位孔仿真单次定位调整的结果）及工艺孔变形值中最大的两个值{q _ilr1 q _ilr2}，如果有其中一个p _ilr 大于所有布局方案中允许的调整变形最大值P_max，则P _il =100，Q _il =100；若所有p _ilr 均小于P_max，则

，d _il ≠100，且该方案中的任一p _ilr <P_max。

式中， i=1，2，…，m；l=1，2，3；r=1，2，…，x _i 。

S6、结合孔数影响，将所有影响因素的评价值量级统一，利用加权值评价m种定位孔数对应3×m种优选加工孔位布局

式中，、、、与均为[0,1]内的常数，且；

、、、与的选取原则：1）结构件几何尺寸越大，孔凸台布置限制减小，加工与装配定位单次调整变形情况更为复杂，、数值选取减小，、与选取增大；2）结构件形状越复杂，孔凸台布置限制增加，加工变形情况更为复杂，、与数值选取增大；

S7、最小评价值对应孔位布局方案的孔数与孔位，确定为该大型整体薄壁多槽腔结构件的定位孔及工艺孔的数量与位置。

优选的，所述步骤S3中，某种定位孔布局下工艺孔位的确定、铣削变形平均值与最大值的获取具体包括以下步骤：

S301、基于有限元软件平台，定位孔孔壁及凸台处固支且施加重力载荷，仿真铣削加工过程；

S302、孔凸台可布置的区域内，寻找最大铣削变形区域，判断其所在槽腔是否已布置有孔（包括定位孔或者工艺孔）；

S303、如果没有则布置1个工艺孔，且执行步骤S305；如果有，则继续在孔凸台可布置的区域内寻找铣削变形次大区域，判断其所在槽腔是否已布置有孔（包括定位孔或者工艺孔）；

S304、如果没有则布置1个工艺孔，且执行步骤S305；如果有，重复步骤S303一次，结论仍为有，则执行步骤S307；如果没有则布置1个工艺孔；

S305、如果工艺孔数量已达到设计要求最大值，或者铣削变形值已满足要求，则执行步骤S307；

S306、基于有限元软件平台，定位孔及已布置完成的工艺孔孔壁及凸台处固支且施加重力载荷，仿真铣削过程，执行步骤S302；

S307、基于有限元软件平台，所有定位孔及工艺孔孔壁及凸台处固支且施加重力载荷，仿真铣削加工过程，获得该布局下的铣削变形平均值（中的第k个值）和最大值T _ik （T _i 中的第k个值）；同时，可获得该布局下的工艺孔数量y _ik 。

优选的，所述步骤S5中，仿真单次定位调整，获取每次调整的变形最大值及工艺孔变形值中最大的两个值具体包括以下步骤：

S501、基于有限元软件平台，对结构件施加重力载荷，第r个定位孔孔壁及凸台处施加单次调整力，剩余x _i -1个定位孔固支，仿真单次定位调整，获得调整变形最大值p _ilr 及工艺孔变形值中最大的两个值{q _ilr1 q _ilr2}。

本发明的有益效果为：

1)结合孔在不同工艺阶段承担的工艺功能，将其分为定位孔与工艺孔两类且分步骤进行优选确定孔数与孔位，使孔位布局确定过程更加简洁、直观，大大简化了优选算法的复杂度；

2)在分析孔不同工艺阶段承担工艺功能的基础上，采用工艺过程虚拟仿真技术，利用有限元软件和智能优化算法优势，提高了孔位优选计算的效率，增强了孔位优选方案的可操作性；

3)实现了大型整体薄壁多槽腔结构件的加工、装配及检测孔位统一规划，孔位优选达到了从单一工艺过程优化到兼顾飞机产品制造全工艺过程的转变；

为大型整体薄壁多槽腔结构件提供了一种面向加工、装配定位及定位质量检测的三位一体孔数量与位置的确定方法。

附图说明

图1为本发明提出的一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法的技术结构图；

图2为本发明提出的一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法的流程图；

图3为图2中加工孔位布局方案的筛选的流程图；

图4为图3中工艺孔位布局方案的优化的流程图；

图5为图2中单次定位调整的流程图；

图6为图2中调整与计算的流程图；

图7为某飞机机身加强框三维数模；

图8为机身加强框孔凸台可布置区域示意图；

图9为萤火虫算法中定位孔位置移动到孔凸台可布置的区域以外后位置确定方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提出的一种大型整体薄壁多槽腔结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法，流程如图2-6所示。

本实施例以某飞机机身加强框（如图7）的加工、装配及检测三位一体孔位确定为例，具体步骤如下：

1)从产品三维数字模型设计系统中提取加强框结构件三维数字化模型，基于CATIA设计环境，将加强框三维数字模型的腹板面厚度增加1个铣削精加工余量值0.5 mm，且在铣削起始位置布置1个直径与刀具直径Φ16等同，且深度为1个铣削精加工余量值0.5 mm的平底孔。

2）根据工程经验，孔径统一为6 mm，凸台尺寸为底面直径14 mm、高度1.8 mm、锥度30°，在腹板面上距离槽腔侧壁面为凸台底面半径8 mm加刀具直径16 mm画出的封闭区域即为孔凸台可布置的区域（如图8，其中双点划线所围区域即为孔凸台可布置区域），定位孔数一般为2种，4个或6个。因此，

，m=2。

3)针对第1种定位孔数4个定位孔的情况，根据工程经验及加强框几何特征，设定10组定位孔初始布局，确定其工艺孔布局，计算平均铣削变形值。

4)针对第1种定位孔数4个定位孔第1种初始布局，基于ANSYS有限元软件平台，在4个定位孔孔壁及凸台处固支，且施加重力载荷，在Φ16，深0.5 mm的孔壁与孔底施加铣削力（铣刀类型为面铣刀，刀具材料为硬质合金，工件材料为铝合金7B04-T651，主轴转速为2000r/min，进给速度为2000 mm/min，算得切削力纵向分力F _f =196.35N N，横向进给力F _e =124.95N，垂直分力F _fn =321.1N），获取静态变形量。

5）沿铣削路径改变Φ16，深0.5 mm孔的位置，施加铣削力，获得静态变形量值，且更新加强框三维数模，恢复Φ16，深0.5 mm孔之前已获取过静态变形值部分的腹板面厚度，循环执行步骤4）至Φ16，深0.5 mm孔改变至铣削路径最末端，拟动态仿真铣削过程。

6）在孔凸台可布置的区域，寻找到最大铣削变形区域且所在槽腔未发现布置其他孔，因此，在该区域布置1个工艺孔，并基于CATIA设计环境，在加强框三维数字模型的腹板面上该位置增加工艺孔凸台与工艺孔。

7）基于ANSYS有限元软件平台，定位孔及已布置完成的工艺孔孔壁及凸台处固支且施加重力载荷，重复执行步骤5）和6）3次后发现再次布置工艺孔时，最大的3个铣削变形区域所在槽腔均布置有孔，因此，步骤4）提出的第1种定位孔数4个定位孔第1种初始布局工艺孔布局确定完毕。

8）基于ANSYS有限元软件平台，4个定位孔及4个工艺孔孔壁及凸台处固支且施加重力载荷，仿真铣削过程，获得第1种定位孔数4个定位孔第1种初始布局下的铣削变形平均值0.14699和最大值0.21988；同时，可获得该布局下的工艺孔数量为4。

9）针对第1种定位孔数4个定位孔其余9种初始布局，类似第1种定位孔数4个定位孔第1种初始布局获取铣削变形平均值及最大的方式，得到铣削变形平均值数组{0.146990.12449 0.15779 0.14618 0.15779 0.12448 0.1646 0.16607 0.10824 0.1171}和最大值数组{0.21988 0.19033 0.20603 0.20116 0.25248 0.19953 0.26019 0.256030.21290 0.19824}，以铣削变形平均值最小为优化目标，萤火虫最大吸引度选择1，光强吸收系数选择0.008，步长因子选择0.5，最大迭代次数选择30，利用萤火虫算法获得优化后的10组定位孔布局。定位孔孔位的移动区域应当在孔凸台可布置的区域（包括区域界限）。当定位孔位置移动到孔凸台可布置的区域以外时，不取区域外的位置作为定位孔新位置，而是过定位孔中心与萤火虫算法中吸引其移动的孔中心做一条连接线，连线与吸引孔位所在槽腔孔凸台可布置区域界限的交点即为萤火虫算法中定位孔的新位置（如图9所示）。优化后10组定位孔布局对应的铣削变形平均值数组={0.098215 0.109663 0.0921250.095115 0.116263 0. 096921 0.109338 0. 124992 0.125748 0.115949}，最大值数组T ₁={0.14186 0.15341 0.13054 0.14278 0. 17193 0.14088 0. 12274 0.18116 0.149880.13667}。

10）如果T ₁中第j个值T _1j 大于所有布局方案中允许的最大铣削变形值T_max=0.13，则去除中的第j个值，然后在中剩余元素中取最小的3个值，组成新的数组D ₁={0.092125 0.095115 0. 096921}，方案中对应工艺孔个数数组为{5 4 4}。2种定位孔数对应6种优选加工孔位布局，铣削变形平均值数组D={0.092125 0.095115 0. 0969210.019866 0.011123 0.021189}，方案中对应工艺孔个数数组为{5 4 4 6 7 6}。

11）针对铣削变形平均值为0.092125对应的加工孔位布局，基于ANSYS有限元软件平台，对加强框施加重力载荷，且在第1个定位孔孔壁及凸台处施加单次调整力0.5N，剩余3个定位孔固支，获得的调整变形最大值p ₁₁₁=0.85163，工艺孔变形值中最大的两个值{0.70146 0.72797}。

12）铣削变形平均值为0.092125对应的加工孔位布局下，另外3个定位孔执行步骤11），获得调整变形最大值分别为p ₁₁₂=0.70972、p ₁₁₃=0.62570和p ₁₁₄=0. 75956，工艺孔变形值中最大的两个值分别为{0.67748 0.59527}，{ 0.59097 0.60027}和{0.72800 0.69568 }。

13）针对铣削变形平均值为0.092125对应的加工孔位布局，p ₁₁₁、p ₁₁₂、p ₁₁₃和 p ₁₁₄均小于所有布局方案中允许的调整变形最大值P_max=1.0，因此，该方案的装配、检测孔位布局优劣评定值P ₁₁与Q ₁₁分别为：

13）根据加强框零件的几何、加工、装配定位与检测特征，、、、与依此选取0.15、0.15、0.3、0.3和0.1。结合孔数影响，利用加权值评价2种定位孔数对应6种优选孔位布局。

同理，计算得出其余5个值分别为5.14938、5.44753、6.19540、6.20522和6.57317。

14）最小评价值为5.14938对应孔位布局方案的孔数与孔位，确定为该飞机机身加强框最终的定位孔及工艺孔数量与位置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法，包括：基于孔在结构件加工、装配定位及定位质量检测工艺阶段承担的工艺功能，将其分为定位孔与工艺孔两类；从产品三维数字模型设计系统中获取结构件三维数模，确定孔凸台可布置的区域；基于铣削加工工程经验，初始化定位孔布局，仿真铣削加工过程，面向加工过程优化工艺孔位，优选定位孔孔位；仿真单次定位调整过程，面向装配定位及定位质量检测评价孔位布局的合理性；结合孔数影响，利用加权值评价孔位布局，确定一组最优孔位布局作为大型整体薄壁多槽腔结构件的最终孔位布局，其特征在于，包括以下步骤：

S1、从产品三维数字模型设计系统中提取大型整体薄壁多槽腔结构件三维数字化模型，确定孔凸台可布置的区域（结构件几何条件允许布置孔，即腹板面上孔中心与槽腔侧壁面的距离大于或等于凸台底面半径加刀具直径）；

S2、据工程经验，设定定位孔数数组X，其中每个元素代表大型整体薄壁多槽腔结构件可布置的一种定位孔数；

S3、针对定位孔数为数组X第i（i=1，2，…，m；m为数组X包含的元素个数）个元素xi个的情况，根据工程经验及大型整体薄壁多槽腔结构件的几何特征，设定n组定位孔初始化布局，确定其工艺孔布局，计算铣削变形平均值和最大值，并获取其工艺孔个数；

S4、以铣削变形平均值最小为优化目标，利用萤火虫算法获得优化后的n组定位孔布局，并获取每组布局下的铣削变形平均值、最大值及所包含的工艺孔数量；

去除优化后n组定位孔布局中铣削变形最大值大于所有布局方案中允许最大铣削变形值Tmax的布局方案，在剩余方案中选取铣削变形平均值最小的3组布局作为优选加工孔位布局；

m种定位孔数对应3×m种优选加工孔位布局，对应3×m个铣削变形平均值，组成数组D，数组D中第3(i-1)+l（l=1，2，3）个元素为dil，表示定位孔数为数组X第i个元素xi个的情况下，优化后的n组定位孔布局中铣削变形平均值最小的3组中的第l组的铣削变形平均值，对应工艺孔个数组成的数组为Y，数组Y第3(i-1)+l个元素为yil，表示定位孔数为数组X第i个元素xi个的情况下，优化后的n组定位孔布局中铣削变形平均值最小的3组中的第l组的工艺孔个数；

S5、针对平均铣削变形值为dil对应的加工孔位布局，计算该方案的装配定位、检测孔位布局优劣评定值Pil与Qil；

遍历该孔位布局下的xi个定位孔，仿真单次定位调整，获取每次调整的变形最大值pilr（r=1，2，…，xi；r表示调整变形最大值pilr为结构件遍历第r个定位孔仿真单次定位调整的结果）及工艺孔变形值中最大的两个值{qilr1 qilr2}；

如果有其中一个pilr大于所有布局方案中允许的调整变形最大值Pmax，则去除掉该方案；若所有pilr均小于Pmax，则

式中， i=1，2，…，m；l=1，2，3；r=1，2，…，x _i；

S6、结合孔数影响，将所有影响因素的评价值量级统一，利用加权值评价优选出的若干组孔位布局

式中，、、、与均为[0,1]内的常数，且；

、、、与的选取原则：1）结构件几何尺寸越大，孔凸台布置限制减小，加工与装配定位单次调整变形情况更为复杂，、数值选取减小，、与选取增大；2）结构件形状越复杂，孔凸台布置限制增加，加工变形情况更为复杂，、与数值选取增大；

S7、最小评价值对应孔位布局方案的孔数与孔位，确定为该大型整体薄壁多槽腔结构件的定位孔及工艺孔的数量与位置。

2.根据权利要求1所述的一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S301、基于有限元软件平台，定位孔孔壁及凸台处固支且施加重力载荷，仿真铣削加工过程；

S302、孔凸台可布置的区域内，寻找最大铣削变形区域，判断其所在槽腔是否已布置有孔（包括定位孔或者工艺孔）；

S303、如果没有则布置1个工艺孔，且执行步骤S305；如果有，则继续在孔凸台可布置的区域内寻找铣削变形次大区域，判断其所在槽腔是否已布置有孔（包括定位孔或者工艺孔）；

S304、如果没有则布置1个工艺孔，且执行步骤S305；如果有，重复步骤S303一次，结论仍为有，则执行步骤S307；如果没有则布置1个工艺孔；

S305、如果工艺孔数量已达到设计要求最大值，或者铣削变形值已满足要求，则执行步骤S307；

S306、基于有限元软件平台，定位孔及已布置完成的工艺孔孔壁及凸台处固支且施加重力载荷，仿真铣削过程，执行步骤S302；

S307、基于有限元软件平台，所有定位孔及工艺孔孔壁及凸台处固支且施加重力载荷，仿真铣削加工过程，获得该布局下的铣削变形平均值和最大值；同时，可获得该布局下的工艺孔数量。

3.根据权利要求1所述的一种结构件的加工、装配及检测三位一体孔位确定方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S501、基于有限元软件平台，对结构件施加重力载荷，第r个定位孔孔壁及凸台处施加单次调整力，剩余xi-1个定位孔固支，仿真单次定位调整，获得调整变形最大值pilr及工艺孔变形值中最大的两个值{qilr1 qilr2}。