CN111702490A - 一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法 - Google Patents

一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于本发明属于部件对接装配技术，涉及一种对接部位端面自动精加工的工艺方法。本发明是根据飞机部件生产装配现场装配贴合面协调装配生产需求，将激光扫描设备与数控机床结合，通过对加工面进行扫描获得三维图形，应用软件算法自动计算出加工量，生成加工程序，完成贴合面自动加工。

Description

一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法
技术领域
本发明属于部件对接装配技术，涉及一种对接部位端面自动精加工的工艺方法。
背景技术
某型机在装配过程中将部件A与部件B进行安装装配，两个部件中A共4个面需与部件B的4个面同时贴合并使用螺栓连接。部件A与部件B对接面上留有加工余量，部件A对接面上有若干初始对接小孔。装配时首先要完成对接面铣切加工，保证两个部件贴合，其次要对对接孔进行加工，保证两个部件对接孔的精度和同轴度，最后安装螺栓螺母进行两个部件的装配。
目前工艺方法为在贴合面涂抹红铅粉，检查两个部件平面贴合情况，贴合后两部件同时钻、铰至终孔。加工面采用人工刮削，加工质量主要依靠操作人员技能与经验，人工刮削方法不仅费时费力，且由于加工数据不能直观读取，易产生质量超差，在打磨钢件与硬度较高的产品时会发生打磨片破裂后飞击伤人的不安全事故。对接孔孔径精度H7使用人工铰孔，由于产品材料较硬，人工铰孔难度较大，加工费时费力。
传统方法:装配对接加工面采用人工刮削，加工质量主要依靠操作人员技能与经验，人工刮削方法不仅费时费力，且由于加工数据不能直观读取，易产生质量超差，在打磨钢件与硬度较高的产品时会发生打磨片破裂后飞击伤人的不安全事故。对接孔孔径精度要求高，使用人工铰孔，由于产品材料较硬，人工铰孔难度较大，加工费时费力。
目前需要通过对加工面进行扫描获得三维图形，应用软件算法自动计算出加工量，然后自动生成数控加工程序，使得数控机床能够完成待装配产品贴合面自动加工。
发明内容
本发明克服了传统的装配对接部位端面加工工艺方法中的不足，提供了一种精度高、效率高，且可提高装配产品质量的自动精加工工艺方法
技术方案
一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，包括如下步骤：
1)分析待加工部位特征
待装配产品部件A与部件B需进行对接装配，部件A与部件B对接面上留有加工余量，这是对接面能进行自动化铣削的必要条件；部件A对接面上有若干初始对接小孔能作为基准孔，这是对接面能进行自动化制孔的必要条件。
2)加工设备选择、安装、布置
选用卧式数控机床作为加工设备，该机床通过电主轴更换刀具从而实现铣削平面、钻孔、扩孔、铰孔功能。
将设备安装在直线运动导轨上，该直线导轨位于部件A与部件B的对接面之间，且与对接面相对平行。
实现自动化加工功能需要布置三个工作单元：运动单元、加工单元、激光扫描单元。
运动单元由三个互相垂直的直线运动导轨与旋转运动台组成，主要用于实现激光扫描单元与加工单元在产品对接面扫描和加工位置的全覆盖。
加工单元主要用于实现对产品对接面的铣削和制孔加工。
激光扫描单元主要功能是扫描获取对接面表面特征。
3)激光扫描设备的选择、安装、坐标系标定
激光扫描设备选用体积小、精度高，且量程可满足待加工区域扫描需求，能固定安装，能与人机界面建立通讯，能输出扫描平面位置信息的激光扫描设备。
激光扫描设备直接安装在机床电主轴尾部，利用机床移动来带动激光扫描设备进行对接面扫描。
激光扫描设备安装在初始位置后，通过机床对试验件铣削一个平面，然后使用激光扫描设备反复扫描该平面，根据扫描数据反复调整扫描设备底座，使得扫描设备自身坐标系其中一轴与电主轴所在直线平行。通过机床对试验件钻制一个通孔，激光扫描孔圆心坐标与机床坐标进行换算转化，使得机床坐标与激光扫描设备坐标一致。
4)激光扫描及其数据处理
利用激光扫描设备得到待加工面表面三维原始点云数据，观察数据图像，对点云数据进行处理，剔除明显的粗大噪点，改良细小的噪点，噪点处理后可得到较为理想的点云数据。
5)加工参数的计算
利用Visual C#对Matlab软件功能进行二次开发，利用Matlab支持高性能三维图形显示功能，实现了扫描点云数据的直观显示。
铣削加工量的计算。绘制数据点等高线图，得到对接面轮廓深度信息，对接面最高点hmax，最低点hmin，故可计算出铣平加工量m1＝hmax-hmin。扫描设备沿旋转轴旋转180°，扫描得到另一侧对接面的表面点云数据。利用如上相同方法，同理可得到另一侧铣削量m11。
孔位置的确定。由于对接面加工孔位置精度要求较高，因此选用K邻域法，寻找点云中的边界特征，提取出边界特征点中属于特征孔的部分，从而进行圆拟合获得孔中心的位置。
6)生成数控加工程序并加工
上述加工数据由精加工人机操作软件自动计算生成，操作人员需对产品加工余量进行人工测量，并进行能否执行加工的判断。由于加工产品的姿态与工艺参数基本固定，只对进刀量数据与加工初始点位进行数据调整。所以建立人机界面HMI与数控系统的NC、PLC和驱动数据的通讯方式，人机操作软件自动将程序进行修改，并将加工参数直接传输至数控机床，完成对接面的自动孔加工。
所述2)加工设备的选择，根据装配对接面与地面的相对摆放位置，如加工面与地面相对平行，还可以采用立式机床设备，本方案优选卧式机床。
所述2)加工设备的布置，还可以采用双机床协同双面加工形式，本方案优选单机床三直线轴加转台形式。
所述2)加工设备的安装，机床还可采用固定底座安装，本方案优选将设备安装在直线运动导轨上。
所述3)激光扫描设备的选择，还可采用手持式激光扫描设备，本方案优选能固定安装在机床电主轴尾端的激光扫描设备。
所述3)激光扫描设备的坐标系标定，采用机床对试验件铣平面、制孔结合激光扫描平面特征、孔特征的方式，调整扫描设备，使扫描设备坐标系与机床设备坐标系建立关系。
所述5)加工参数的计算，Matlab软件还可以采用Scilab软件进行替代，本方案优选Matlab软件。
所述5)孔位置的确定，K邻域法还可以采用扫描线法替代，本方案优选K邻域法提取孔特征。
本方案针对装配对接面留有余量，且装配面带有基准孔的产品。
本方案实施流程见图1。
技术效果
依据上述方案，并结合专用的加工设备对某产品的对接面进行了验证加工。加工完成后，该产品装配对接面铣削质量和孔加工质量均满足加工工艺要求。
附图说明
图1是自动精加工方案实施流程图；
图2是自动精加工系统布局示意图；
图3是激光扫描原理示意图；
图4是对接面Z向距离图。
具体实施方式
下面通过附图和实例的结合，进一步说明该工艺方法。
1)分析待加工部位特征
某产品有A、B两个部件，部件A共4个面需与部件B的4个面同时贴合并使用螺栓连接。部件A与部件B对接面上留有加工余量，部件A对接面上有若干初始对接小孔。装配时首先要完成对接面铣切加工，保证两个部件贴合，其次要对对接孔进行加工，保证两个部件对接孔的精度和同轴度，最后安装螺栓螺母进行两个部件的装配。
部件A与部件B对接面上留有加工余量，对接面能进行自动化铣削；部件A对接面上有若干初始对接小孔能作为基准孔，能进行自动孔加工。
2)加工设备选择、安装、布置(如图2)
选用卧式数控机床作为加工设备，该机床通过电主轴更换刀具从而实现铣削平面、钻孔、扩孔、铰孔功能。
将设备安装在X方向直线运动导轨上，该直线导轨位于部件A与部件B的对接面之间，且与对接面相对平行。
实现自动化加工功能需要布置三个工作单元：运动单元、加工单元、激光扫描单元。
运动单元由X、Y、Z三个互相垂直的直线运动导轨与旋转运动台组成，主要用于实现激光扫描单元与加工单元在产品对接面扫描和加工位置的全覆盖。
加工单元主要用于实现对产品对接面的铣削和制孔加工，包括电主轴、刀具、自动刀库等。电主轴最高转速18000rpm，满足高速铣削与制孔作业，控制系统方便后期人机界面与机床建立通讯方式，实现自动加工。
激光扫描单元主要功能是评价产品对接面平面度与孔位置度。
3)激光扫描设备的选择、安装、坐标系标定(如图3)
激光扫描设备选用体积小、精度高，且量程可满足待加工区域扫描需求，安装方便，能与人机界面建立通讯，能输出扫描平面位置信息的激光扫描设备。
激光扫描设备直接安装在机床电主轴尾部，利用机床X、Y方向移动来带动激光扫描设备进行对接面扫描。
激光扫描设备安装在初始位置后，通过机床对试验件铣削一个平面，然后使用激光扫描设备反复扫描该平面，根据扫描数据反复调整扫描设备底座，使得扫描设备自身坐标系其中一轴与电主轴所在直线平行。通过机床对试验件钻制一个通孔，激光扫描孔圆心坐标与机床坐标进行换算转化，使得机床坐标与激光扫描设备坐标一致。
首先利用机床铣刀，在试刀架的试刀板上铣削出平面，平面与XY平面平行，然后将激光扫描设备安装在安装座上，对准铣削加工平面，测量一组数据，如果数据中心的Z坐标有明显增大或减小的趋势，说明激光扫描设备坐标系Z轴与加工面不垂直，需不断调整安装底座，直至测量数据Z值一致。然后安装钻头在测试板上加工一个通孔，记录机床XY坐标，分别为XJ、YJ，然后使用激光扫描设备对孔进行扫描，得到孔圆心坐标XS、YS，扫描坐标转换后(XS、YS、ZS)＝(XS+XJ、YJ、ZS)。将坐标进行设置后，多次制孔并进行扫描，保证机床XY数据与激光扫描设备XY数据一致。
4)激光扫描及其数据处理
利用激光扫描设备得到待加工面表面三维点云数据。由于得到的原始点云数据中存在大量噪点，所以不能直接用原始数据评价待加工面的真实情况。产生噪点的因素很多,主要是两大类原因:一是被测对象表面粗糙度、波纹缺陷；二是测量系统的自身误差,如测量系统的精度、振动。因此要对点云数据进行预处理，剔除或者改良噪点，以便进行下一步处理。
采用激光得到的原始点云数据，观察图像中可知点云数据中除了所需有效点，还有部分噪点，同时有效点位数目远远大于噪点。由于被测物体为简单平面，为减少后期数据计算难度，可手动对明显孤立噪点进行删除。
由于前期设定扫描距离为L，根据产品加工余量为±1.95mm，人为放大20％公差范围，计算机自动将L-2.25mm＜Z＜L+2.25mm的点位剔除。保留有效点数据，剔除粗大噪点，进行下一步处理。
初步剔除粗大误差点后的点云数据，此时点云数据中除了所需有效点外，还包含表面细小毛刺等小的噪点。由于激光扫描设备采集的数据,其数据形式是按扫描线组织的“点云”数据。因此可以借鉴数字图像处理中的方法，对数据逐步进行处理。结合实际扫描面的特征，首先将点云采用最小二乘法拟合最佳理论平面，得到理论方程Ax+By+Cz+1＝0。变换得到z＝Ax+By+1/C。通过理论平面方程z理论值，对数据点z坐标进行评价，对接理的z坐标对应数据点进行保留，对z值误差较大的数据点，采用理论平面z值作为实际值。从而进行误差数据点的改良，同时也保证不会损失数据点。
得到点云数据实际z对应的理论值Zt,若用Zt替换所有点坐标，则拟合成理论平面，与实际不符，也无法表征对接表面轮廓实际特征，故设置阈值参数P(试验中取阈值参数P＝2),利用理论平面方程Z理论值，对数据点实际z坐标进行评价，若|Zti-Zi|<P,则保留数据点；若|Zti-Zi|>P,则使用Zt替换对应点的z坐标。完成噪点的改良后可得到点云数据图像。5)加工参数的计算(如图4)
利用Visual C#对Matlab软件功能进行二次开发，利用Matlab支持高性能三维图形显示功能，实现了扫描点云数据的直观显示。
铣削加工量的计算。绘制数据点等高线图，得到对接面轮廓深度信息，对接面最高点hmax，最低点hmin，故可计算出铣平加工量m1＝hmax-hmin。扫描设备沿旋转轴旋转180°，扫描得到另一侧对接面的表面点云数据。利用如上相同方法，同理可得到另一侧铣削量m11。从而得到部件A的四个对接面铣平加工量m1,m2,m3,m4,对接面B的四个对接面铣平加工量m11,m22,m33,m44。
由于部件A、部件B有四个贴合面，故上述铣平加工量无法保证每个面完全贴合。
所测高点对应实际点位离激光扫描设备更远，故铣平之后，对应对接面距离激光扫描设备Z向零点hmax。部件A对接面铣平后与激光扫描设备Z向零点距离L1,L2,L3,L4,部件B对接面铣平后与绕B轴旋转180°后激光扫描设备Z向零点距离L11,L22,L33,L44,。令LMAX＝max{(L1+L11),(L2+L22),(L3+L33),(L4+L44)}，以此时LMAX对应的贴合面为基准，各面贴合加工量分别为:
对接1面贴合加工量：t1＝LMAX-(L1+L11)
对接2面贴合加工量：t2＝LMAX-(L2+L22)
对接3面贴合加工量：t3＝LMAX-(L3+L33)
对接4面贴合加工量：t4＝LMAX-(L4+L44)
孔位置的确定。由于对接面加工孔位置精度要求较高，因此选用K邻域法，寻找点云中的边界特征，提取出边界特征点中属于特征孔的部分，从而进行圆拟合获得孔中心的位置。
6)生成数控加工程序并加工
上述加工数据由精加工人机操作软件自动计算生成，操作人员需对产品加工余量进行人工测量，并进行能否执行加工的判断。
对接面铣削参数包含铣削量设定完成后，由上位控制软件利用NCDDE服务器写入数控系统的R变量中，铣削加工程序调用R变量完成对接面的自动铣削加工。
对接面孔加工参数包含孔中心坐标设定完成后，由上位控制软件利用NCDDE服务器写入数控系统的R变量中，铣削加工程序调用R变量完成对接面的自动孔加工。
由于加工产品的姿态与工艺参数基本固定，只对进刀量数据与加工初始点位进行数据调整。所以建立HMI与数控系统的NC、PLC和驱动数据的通讯方式，人机操作软件自动将程序进行修改，并将加工参数直接传输至数控机床，完成对接面的自动孔加工。

Claims (8)

1.一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分析待加工部位特征
待装配产品部件A与部件B需进行对接装配，部件A与部件B对接面上留有加工余量，部件A对接面上有若干初始对接小孔能作为基准孔；
2)加工设备选择、安装、布置
选用卧式数控机床作为加工设备，将设备安装在直线运动导轨上，该直线导轨位于部件A与部件B的对接面之间，且与对接面相对平行；
实现自动化加工功能需要布置三个工作单元：运动单元、加工单元、激光扫描单元；运动单元由三个互相垂直的直线运动导轨与旋转运动台组成，实现激光扫描单元与加工单元在产品对接面扫描和加工位置的全覆盖；加工单元实现对产品对接面的铣削和制孔加工；激光扫描单元是扫描获取对接面表面特征；
3)激光扫描设备的选择、安装、坐标系标定
激光扫描设备直接安装在机床电主轴尾部，利用机床移动来带动激光扫描设备进行对接面扫描；
激光扫描设备安装在初始位置后，通过机床对试验件铣削一个平面，然后使用激光扫描设备反复扫描该平面，根据扫描数据反复调整扫描设备底座，使得扫描设备自身坐标系其中一轴与电主轴所在直线平行；通过机床对试验件钻制一个通孔，激光扫描孔圆心坐标与机床坐标进行换算转化，使得机床坐标与激光扫描设备坐标一致；
4)激光扫描及其数据处理
利用激光扫描设备得到待加工面表面三维原始点云数据，观察数据图像，对点云数据进行处理，剔除明显的粗大噪点，改良细小的噪点，噪点处理后可得到较为理想的点云数据；
5)加工参数的计算
利用Visual C#对Matlab软件功能进行二次开发；
铣削加工量的计算；绘制数据点等高线图，得到对接面轮廓深度信息，对接面最高点hmax，最低点hmin，计算出铣平加工量m1＝hmax-hmin；扫描设备沿旋转轴旋转180°，扫描得到另一侧对接面的表面点云数据；利用如上相同方法，同理可得到另一侧铣削量m11；
孔位置的确定；选用K邻域法，寻找点云中的边界特征，提取出边界特征点中属于特征孔的部分，从而进行圆拟合获得孔中心的位置；
6)生成数控加工程序并加工
上述加工数据由精加工人机操作软件自动计算生成，需对产品加工余量进行人工测量，并进行能否执行加工的判断；建立人机界面HMI与数控系统的NC、PLC和驱动数据的通讯方式，人机操作软件自动将程序进行修改，并将加工参数直接传输至数控机床，完成对接面的自动孔加工。
2.根据权利要求1所述的一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，其特征在于，所述2)加工设备的选择，根据装配对接面与地面的相对摆放位置，加工面与地面相对平行，采用立式机床设备。
3.根据权利要求1所述的一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，其特征在于，所述2)加工设备的布置，采用双机床协同双面加工形式。
4.根据权利要求1所述的一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，其特征在于，所述2)加工设备的安装，机床采用固定底座安装。
5.根据权利要求1所述的一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，其特征在于，所述3)激光扫描设备的选择，采用手持式激光扫描设备。
6.根据权利要求1所述的一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，其特征在于，所述3)激光扫描设备的坐标系标定，采用机床对试验件铣平面、制孔结合激光扫描平面特征、孔特征的方式，调整扫描设备，使扫描设备坐标系与机床设备坐标系建立关系。
7.根据权利要求1所述的一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，其特征在于，所述5)加工参数的计算，Matlab软件采用Scilab软件进行替代。
8.根据权利要求1所述的一种装配对接部位端面自动精加工工艺方法，其特征在于，所述5)孔位置的确定，K邻域法采用扫描线法替代。
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