CN112197725A - 一种大型复合材料零件加工工装的精准定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，该方法通过在大型复合材料零件的加工工装上选取基准点建立空间坐标系，并对比该基准点在机床坐标系下的实测值与其在工装数模坐标系下的设计值，验证工装定位的精准度，并进行调整，进而精确定位加工复合材料零件。与现有的定位方法相比，本发明方法适用范围广，可解决大型复合材料零件加工工装精准定位的问题，而且加工的数据不受加工工装在工作台面上的误差影响，不存在定位失效的问题。另外，本发明方法加工坐标系随工装而建，调整也是沿轴向随工装进行偏置，调整速度非常快，且灵敏可控，提高了加工工装精准定位效率，具有极好的实用及推广价值。

Description

一种大型复合材料零件加工工装的精准定位方法

技术领域

本发明涉及一种大型复合材料零件加工工装的精准定位方法。

背景技术

复合材料零件在加工过程中需要用到加工工装，加工时将加工工装定位在工作台面上，然后将制作零件的复合材料铺贴在加工工装上进行切、钻等加工。常规的复合材料零件加工工装定位方法为在加工工装上设置一个轴向上的水平基准挡块作为基准边，再使用百分表来校验工装位置；或使用固定卡块进行定位。这种定位方式，在实物与数模之间存在误差时需要通过调整工装在工作台面上的位置或通过修改数模的参数来达到精确加工的目的。然而，这对于一些零件较小或工装较轻的复合材料零件加工时能够在一定程度上满足使用要求，但是对于大型复合材料零件加工来说，其加工工装较大，且重量较大，很难通过这些定位方式精准定位；而且水平基准挡块、固定卡块及工装大多是金属材料制成，长期的生产接触，容易产生磨损，导致定位存在误差。而在大型复合材料零件生产过程中，尤其是复合材料零件的曲率较大时，其加工尺寸精度要求非常高。因此，大型复材零件加工工装难定位的问题，成为亟需解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，通过选取两个基准点，通过该两基准点在机床坐标系下的实测值的坐标差，计算出偏转角度以进行检验证或矫正，达到精确定位加工零件的目的。具体技术方案如下：

一种大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，该方法通过在大型复合材料零件的加工工装上选取基准点建立空间坐标系，并对比该基准点在机床坐标系下的实测值与其在工装数模坐标系下的设计值，验证工装定位的精准度，并进行调整，进而精确定位加工复合材料零件。

前述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，具体包括如下步骤：

1)建立模拟坐标系：在大型复合材料零件加工工装的数值模型上选取两个既有的设计孔作为参照，其中一个作为模拟原点孔，另一个作为模拟基准孔；以模拟原点孔和模拟基准孔的圆心连线作为x轴，以垂直于原点孔圆心上表面的法向线为Z轴，建立模拟坐标系；

2)确定实际坐标：将大型复合材料零件加工工装放置到工作平台上，并找到步骤1)中作为参照的模拟原点孔和模拟基准孔在加工工装上对应的实际原点孔和实际基准孔；使实际原点孔与模拟原点孔的位置重合，分别测定实际原点孔和实际基准孔在机床坐标系下x轴和y轴的坐标数值；

3)计算角度值：根据步骤2)中测得的实际基准孔和实际原点孔的x轴y轴坐标数值计算出偏移角度值；

4)编程验证：以实际原点孔的圆心为原点建立加工坐标系，所述加工坐标系的初始状态与模拟坐标系一致；对实际基准孔在机床坐标系下的位置进行验证，核实实际基准孔在机床坐标系的x轴y轴坐标数值的公差；若符合精度要求则不进行调整，直接加工；若不符合精度要求，则根据步骤3)中计算的偏移角度值进行旋转调整加工坐标系的x轴和y轴，以符合加工精度。

作为优选的技术方案的，步骤1)中，所述建立模拟坐标系，具体为：以大型复合材料零件加工工装的底平面为基准平面；在该大型复合材料零件加工工装的数值模型上选取两个既有的设计孔作为参照，该两个既有的设计孔其中一个作为模拟原点孔，另一个作为模拟基准孔；所述模拟原点孔和模拟基准孔的法向均垂直于基准平面；以模拟原点孔和模拟基准孔在基准平面内的圆心连线作为x轴，以通过模拟原点孔的圆心且垂直于基准平面为z轴，以在基准平面内通过模拟原点孔的圆心且垂直于x轴的直线作为y轴，建立模拟坐标系。

优选的，所述模拟原点孔和模拟基准孔的直径均为Ф10mm。

进一步优选的，所述模拟原点孔和模拟基准孔的的上表面为平面。

作为优选的技术方案的，步骤2)中，所述测定实际原点孔和实际基准孔在机床坐标系下x轴和y轴的坐标数值为通过雷尼绍探头或波龙探头分别测定。

作为优选的技术方案的，步骤3)中，所述计算角度值为通过反正切函数来计算，其公式为：

其中，a为实际基准孔的x轴坐标数值与实际原点孔的x轴坐标数值之差；b为实际基准孔的y轴坐标数值与实际原点孔的y轴坐标数值之差。

优选的，所述计算角度值为通过EXCEL表计算。

作为优选的技术方案的，步骤4)中，所述编程验证的精度要求为实际基准孔的x轴坐标数值公差≤0.05mm；实际基准孔的y轴坐标数值公差≤0.01mm；所述调整加工坐标系为围绕z轴调整加工坐标系的x轴和y轴方向，使大型复合材料零件加工工装上的加工点在加工坐标系下的坐标符合加工精度要求。

本发明方法的有益效果：

本发明通过在加工工装的数值模型上选取基准点通过该两基准点在机床坐标系下的实测值的坐标差，计算出偏转角度，以进行检验证或矫正其在加工坐标系的坐标，使其上的加工点在加工坐标系下的坐标符合加工精度要求，进而达到精确定位加工复合材料零件的目的。与现有的定位方法相比，本发明方法不仅解决大型复合材料零件加工工装精准定位的问题也能适用于其他小型的工装定位，，适用的范围广，而且加工的数据不受加工工装在在工作台面上的误差影响，不因水平基准挡块、固定卡块及工装本身的磨损误差存在定位失效的问题。另外，与调整加工工装或修改数模的参数相比，本发明方法加工坐标系随工装而件，调整也是沿轴向随工装进行偏置，调整速度非常快，且灵敏可控，提高了加工工装精准定位效率。总体而言，本发明方法，不仅定位精准，而且定位速度快，灵敏可控，具有极好的实用及推广价值。

附图说明

图1为本发明大型复合材料零件加工工装定位旋转角度值计算结果；

图2为本发明大型复合材料零件加工工装定位调整前的结构示意图；

图3为本发明大型复合材料零件加工工装定位调整后的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明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较佳实施例，而不是全部的实施例，亦并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用所揭示的技术内容加以变更或改型等同变化。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

实施例1

本实施例是一种大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，该方法包括如下步骤：

1)建立模拟坐标系：以大型复合材料零件加工工装的底平面为基准平面；在该大型复合材料零件加工工装的数值模型上选取两个既有的设计孔作为参照，该两个既有的设计孔其中一个作为模拟原点孔，记为B；另一个作为模拟基准孔，记为C；所述模拟原点孔B和模拟基准孔C的法向均垂直于基准平面；以模拟原点孔B和模拟基准孔C在基准平面内的圆心连线作为x轴，以垂直于基准平面且通过模拟原点孔B的圆心的法向线为z轴，以在基准平面内通过模拟原点孔B的圆心且垂直于x轴的直线作为y轴，建立模拟坐标系。由于测量时采点多，为了便于验证基准孔圆柱度和圆度，保证基准孔圆心的位置度，同时为了便于加工，保证测量的准确性，本实施例中模拟原点孔和模拟基准孔均选择直径为Ф10mm的加工孔作为参照。该直径规格的加工孔圆度，不失圆；圆柱度采点高度变化，圆心位置不变化，有测量准确数据，准确性高。另外，为了保证原点孔和基准孔之间旋转轴的准确性，还硬保证原点孔和基准孔的上表面的平面度，以保证高度轴的准确性。

2)确定实际坐标：将大型复合材料零件加工工装安装到工作平台上，以步骤1)中建立的模拟坐标系作为机床坐标系，并对应数值模型上选取的两个作为参照的既有设计孔找到并核对其在加工工装上的实际位置；其中，模拟原点孔B对应实际原点孔，记为B′；模拟基准孔C对应实际基准孔，记为C′；设实际原点孔B′为机床坐标系的原点，即使实际原点孔B′与模拟原点孔B的位置重合，然后找正实际基准孔C′的位置；通过雷尼绍探头或波龙探头分别测定实际原点孔B′和实际基准孔C′在机床坐标系下x轴和y轴的坐标数值，分别记为：B′(Xb,Yb),C′(Xc,Yc)。

3)计算角度值：根据步骤2)中测得的实际基准孔C′和实际原点孔B′的x轴y轴坐标数值通过EXCEL表计算旋转角度值∠A；其计算方法为通过反正切函数来计算，公式为：

其中，a＝Xc-Xb；b＝Yc-Yb；然后将ATan的值换算为旋转度数。

例如，一种大型复合材料零件的切钻加工，其切钻工装，定位放置在加工设备工作平台内，并使用压板固定，图1所示。在该切钻工装的数值模型上选取原点孔B和基准孔C，并以B、C的圆心连线作为x轴，以垂直于切钻工装的底平面且通过原点孔B的圆心的直线为z轴，以与原点孔B的圆心在同一平面内且垂直于x轴的直线作为y轴，建立模拟坐标系。然后在该切钻工装实物上找到原点孔B和基准孔C，为了区别数值模型，记为原点孔B′和基准孔C′。通过雷尼绍探头或波龙探头分别测定实际原点孔B′和实际基准孔C′在机床坐标系下x轴和y轴的坐标数值，分别为：B′(1327.253,1798.643),C′(3874.523,1876.231)。然后在Excel表中，通过反正切函数计算出旋转度数：a＝3874.523-1327.253＝2547.27；b＝1876.231-1798.643＝77.678；代入公式计算为：

即∠A≈1.7467度，如图1所示。

然后进行编程验证，以原点孔B的圆心为原点建立加工坐标系，且该加工坐标系的初始状态与模拟坐标系是一致的；对基准孔C′在机床坐标系下的位置进行验证，核实基准孔C′在机床坐标系的x轴y轴坐标数值的公差(例如数据公差是否满足Y≤0.01mm，X≤0.05mm)；若符合精度要求则不进行调整，直接加工；若不符合精度要求，则将前面计算的∠A角度值输入设备Z轴下，围绕z轴调整加工坐标系的x轴和y轴，使加工工装上的加工点在加工坐标系下的坐标符合加工精度要求，如图2所示；然后确认旋转坐标系已生效再进行大型复合材料零件的切钻加工。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：该方法通过在大型复合材料零件的加工工装上选取基准点建立空间坐标系，并对比该基准点在机床坐标系下的实测值与其在工装数模坐标系下的设计值，验证工装定位的精准度，并进行调整，进而精确定位加工复合材料零件。

2.根据权利要求1所述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：该方法包括步骤如下：

1)建立模拟坐标系：在大型复合材料零件加工工装的数值模型上选取两个既有的设计孔作为参照，其中一个作为模拟原点孔，另一个作为模拟基准孔；以模拟原点孔和模拟基准孔的圆心连线作为x轴，以垂直于原点孔圆心上表面的法向线为Z轴，建立模拟坐标系；

2)确定实际坐标：将大型复合材料零件加工工装放置到工作平台上，并找到步骤1)中作为参照的模拟原点孔和模拟基准孔在加工工装上对应的实际原点孔和实际基准孔；使实际原点孔与模拟原点孔的位置重合，分别测定实际原点孔和实际基准孔在机床坐标系下x轴和y轴的坐标数值；

3)计算角度值：根据步骤2)中测得的实际基准孔和实际原点孔的x轴y轴坐标数值计算出偏移角度值；

4)编程验证：以实际原点孔的圆心为原点建立加工坐标系，所述加工坐标系的初始状态与模拟坐标系一致；对实际基准孔在机床坐标系下的位置进行验证，核实实际基准孔在机床坐标系的x轴y轴坐标数值的公差；若符合精度要求则不进行调整，直接加工；若不符合精度要求，则根据步骤3)中计算的偏移角度值进行旋转调整加工坐标系的x轴和y轴，以符合加工精度。

3.根据权利要求2所述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：步骤1)中，所述建立模拟坐标系，具体为：以大型复合材料零件加工工装的底平面为基准平面；在该大型复合材料零件加工工装的数值模型上选取两个既有的设计孔作为参照，该两个既有的设计孔其中一个作为模拟原点孔，另一个作为模拟基准孔；所述模拟原点孔和模拟基准孔的法向均垂直于基准平面；以模拟原点孔和模拟基准孔在基准平面内的圆心连线作为x轴，以通过模拟原点孔的圆心且垂直于基准平面为z轴，以在基准平面内通过模拟原点孔的圆心且垂直于x轴的直线作为y轴，建立模拟坐标系。

4.根据权利要求3所述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：所述模拟原点孔和模拟基准孔的直径均为Ф10mm。

5.根据权利要求4所述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：所述模拟原点孔和模拟基准孔的的上表面为平面。

6.根据权利要求2所述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：步骤2)中，所述测定实际原点孔和实际基准孔在机床坐标系下x轴和y轴的坐标数值为通过雷尼绍探头或波龙探头分别测定。

7.根据权利要求2所述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：步骤3)中，所述计算角度值为通过反正切函数来计算，公式为：

其中，a为实际基准孔的x轴坐标数值与实际原点孔的x轴坐标数值之差；b为实际基准孔的y轴坐标数值与实际原点孔的y轴坐标数值之差。

8.根据权利要求7所述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：所述计算角度值为通过EXCEL表计算。

9.根据权利要求2所述的大型复合材料零件加工工装的精准定位方法，其特征在于：步骤4)中，所述编程验证的精度要求为实际基准孔的x轴坐标数值公差≤0.05mm；实际基准孔的y轴坐标数值公差≤0.01mm；所述调整加工坐标系为围绕z轴调整加工坐标系的x轴和y轴方向，使大型复合材料零件加工工装上的加工点在加工坐标系下的坐标符合加工精度要求。

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