CN112917241B - 一种孔系形位误差修正方法 - Google Patents

一种孔系形位误差修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种孔系形位误差修正方法：对孔系进行形位精度分析，构造孔系形位精度拓扑关系；根据该拓扑关系构造孔系优化目标函数以及精度约束条件，建立孔系加工误差补偿模型；依据相应的孔系加工标准，将孔系零件毛坯在机床上完成粗加工及半精加工，完成后留有余量；对半精加工后的孔系进行切削加工、形位精度检测、误差修正计算和补偿加工；误差修正计算是对形位精度检测显示不符合加工精度要求的孔系，依据孔系加工误差补偿模型，采用误差修正算法对检测的结果进行修正，误差修正算法的输入为不符合加工精度要求的孔系的形位表达，输出为对应的期望形位表达，孔的输入与输出之间的差值为该孔需要修正的量；根据需要修正的量进行补偿加工。

Description

一种孔系形位误差修正方法
技术领域
本发明涉及机械加工和计算机辅助制造技术领域，尤其是涉及一种孔系形位误差修正方法。
背景技术
零件的加工精度和加工效率受到越来越多的重视，然而通常情况下，加工精度越高的零件通常意味着需要更多的成本投入，成本的投入不仅仅在于人力物力的投入，也包括时间的成本，兼顾精度与效率的生产一直是制造业的追求。箱体零件孔的加工特别是具有复杂孔系的箱体零件如变速箱、发动机等类型的零件的孔的加工是加工中的重要工作内容。
目前对于孔的加工通常是将零件固定在数控机床上，通过镗或铣等孔的加工方法对孔进行加工，对于加工后的零件，在三坐标测量机上进行检测，若孔的形位精度不满足要求，则在数控机床上继续进行补偿加工或者报废该零件。补偿加工中通常对机床操作人员的经验要求很高，且补偿结果不一定理想。当零件的结构特征中有多个关联的形位精度要求时，依托经验补偿变得不可实现。现有的基于算法的孔加工补偿方法的目的通常是为了使孔的加工实际参数(如孔轴线、孔直径等)与孔的理论参数更相近。然而对于多孔零件，对每个孔进行修正需要进行复杂的计算以及较长的调整时间。事实上，在很多情况下，并不是所有的孔都需要修正才能满足精度要求，但若只修正形位精度间存在超差的特征的形状位置，可能会导致其与其它关联特征的形位精度超差。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种能够减少需要修正的孔数量且能够同时兼顾复杂形位精度约束关系的孔系形位误差修正方法，以解决现有技术存在的复杂形位精度约束的孔系零件难于修正误差的问题。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种孔系形位误差修正方法，包括以下步骤：S1、对孔系进行形位精度分析，构造孔与孔之间以及孔与其它特征结构之间的形位精度拓扑关系；其中，所述其它特征结构是与孔有形位关系的特征结构；S2、根据所述形位精度拓扑关系，构造孔系优化目标函数以及精度约束条件，以建立孔系加工误差补偿模型；S3、前序加工阶段：依据相应的孔系加工标准，将孔系零件毛坯在机床上完成粗加工及半精加工，完成后留有余量；S4、精加工阶段：对经步骤S3加工后的孔系依次进行切削加工、形位精度检测、误差修正计算和补偿加工；其中，所述误差修正计算是对形位精度检测显示不符合加工精度要求的孔系，依据所述孔系加工误差补偿模型，采用误差修正算法对检测的结果进行修正，其中，所述误差修正算法的输入为所述不符合加工精度要求的孔系的形位表达，输出为对应的期望形位表达，对应的孔的输入与输出之间的差值即为该孔需要修正的量；最后根据需要修正的量进行补偿加工，完成修正。
更进一步地，所述形位关系包括孔与其它特征结构之间的垂直度或平行度。
更进一步地，所述孔系加工误差补偿模型如下：
Figure BDA0002957333410000021
Figure BDA0002957333410000022
Figure BDA0002957333410000023
Figure BDA0002957333410000024
Figure BDA0002957333410000025
Figure BDA0002957333410000026
式(1)为孔系优化目标函数，式(2)至(6)为约束条件；
其中，xi表示孔i是否需要修正，即
Figure BDA0002957333410000027
Figure BDA0002957333410000031
表示孔i的轴线向量的修正值；α为孔i与孔j的轴线向量夹角或孔i与其它特征结构j的法向量的夹角；LB(i,j)表示孔i与孔j的形位精度要求或者孔i与其它特征结构j的形位精度要求；
Figure BDA0002957333410000032
表示孔i的轴线向量的检测值；
Figure BDA0002957333410000033
表示孔i的轴线向量的理论值；M取值范围在1000～10000；ε为预设的大于0且小于1的常数；
sinα的值由下式求出：
Figure BDA0002957333410000034
其中，
Figure BDA0002957333410000035
表示孔j的轴线向量的修正值。
更进一步地，步骤S4中切削加工是对每个孔进行加工并留有余量，以获知在当前机床生产条件下加工出的孔系的偏差程度。
更进一步地，步骤S4中形位精度检测是采用三坐标测量机进行检测，以获得孔与孔之间以及孔与其它特征结构之间的形位精度值，并根据所述形位精度值判断是否符合加工精度要求。
更进一步地，所述误差修正算法为具有目标优化功能的算法，包括LINGO求解器、Mosek求解器、Cplex求解器或Gurobi求解器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：解决了复杂形位精度约束的孔系零件难于修正的问题，弥补了机床精度等加工条件不满足一次加工即能加工出合格产品的不足。在对于孔的修正加工过程中，不需要对于存在形位精度要求关联的每一个孔都进行修正就能使补偿后的孔系零件满足加工精度要求，减少了修正的孔的个数从而缩短了修正加工时间、提高了加工效率。通过设置比精度要求更高的精度约束，优化后的孔系零件加工精度能够得到有效保证与提高。
附图说明
图1是本发明实施例的孔系形位误差修正方法流程图；
图2和图3是两种示例性的孔系形位精度拓扑关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明实施例的一种孔系形位误差修正方法流程图，参考图1，该孔系形位误差修正方法包括如下步骤：
S101、对孔系进行形位精度分析，构造孔与孔之间以及孔与其它特征结构之间的形位精度拓扑关系。这里的“其它特征结构”是指与孔有形位关系的特征结构，比如与孔存在平行度约束或垂直度约束等形位关系的面。图2给出了一种示例性的孔系形位精度拓扑关系，如图2所示，分析孔系零件，根据孔的数量对孔进行编号，假设有N个孔，则编号为1,2,3,…,N，图2所示有6个孔，编号为1,2,3,4,5,6，找到所有与这些孔具有形位精度关系的特征结构，同类结构编号与孔的编号规则类似，如图2中面1,2,3,4，依据它们之间的形位关系将它们之间进行连线，线上标的平行度、垂直度等形位关系为该孔系零件加工时需要满足相关精度要求。根据图2指示，可以对具有复杂形位精度约束的孔系零件构造形位精度拓扑关系，便于后续建立孔系加工误差补偿模型。
S102、根据建立的形位精度拓扑关系，构造孔系优化目标函数以及精度约束条件，从而建立孔系加工误差补偿模型。以下在考虑平行度和垂直度两项形位精度要求的情况下给出了模型的构造结果，在实际使用中可类似加入其它形位精度条件构造类似的孔系加工误差补偿模型。
首先，孔系优化目标函数构造，设置0-1变量xi，用以表示孔i是否需要修正，即
Figure BDA0002957333410000041
对N个孔的xi值累加即得需要修正的孔的数量，我们优化的目标为在满足形位精度要求的前提下减少修正的孔的数量，降低补偿的工作量，则孔系优化目标函数AimN可以表示为：
Figure BDA0002957333410000042
其次，建立轴线是否需要修正与调整前后轴线变化之间的联系，假设
Figure BDA0002957333410000043
分别表示孔i的轴线向量的理论值、检测值、修正值，M为一个相对较大的值，大多数情况下取值范围在1000～10000，孔的长度越大则M的取值越大，则可以构造下面的约束式：
Figure BDA0002957333410000051
在优化孔的轴线向量过程中，孔的轴线向量的模表示孔的长度，因此孔轴线在调整后与调整前的孔长应差别微小，也即轴线向量的模差别微小，需要对此做出约束，则有：
Figure BDA0002957333410000052
其中，ε为预设的大于0且小于1的常数，该常数的值为一个接近于0的值。在实际处理过程中，可以在0～0.1之间、根据孔长度和精度要求来设置，该值的作用主要是限制优化过程中孔长的变化。
在孔系加工误差综合调整过程中，我们不但希望调整孔的数量最少，同时也希望调整后的孔的相对理论轴线的偏移不超过调整前的孔对理论轴线的偏移，因此还可增加如下式的约束：
Figure BDA0002957333410000053
最后加入精度约束，即可构建如下的孔系加工误差补偿模型：
目标函数：
Figure BDA0002957333410000054
约束条件：
Figure BDA0002957333410000055
Figure BDA0002957333410000056
Figure BDA0002957333410000057
Figure BDA0002957333410000058
Figure BDA0002957333410000061
其中，α为孔i与孔j的轴线向量夹角或孔i与其它特征结构j的法向量的夹角；LB(i,j)表示孔i与孔j的形位精度要求或者孔i与其它特征结构j的形位精度要求；sinα的值由下式求出：
Figure BDA0002957333410000062
其中，
Figure BDA0002957333410000063
表示孔j的轴线向量的修正值。
S103、前序加工阶段：依据相应的孔系加工标准，将孔系零件毛坯在机床上完成粗加工及半精加工，完成后留有一定的余量。依据相应加工工艺标准，孔系零件毛坯在机床上完成粗加工及半精加工阶段，加工后留有一定余量，该步骤主要去除多余材料，对精度要求不高。
S104、切削加工：该切削加工阶段为精加工开始时的阶段，对每个孔都进行一定的加工并预留一定的余量，该阶段的加工是为了掌握在该机床的生产条件下，加工出的孔系零件的偏差程度。
S105、形位精度检测：采用三坐标测量机对孔系进行检测，对于孔的检测通常在孔的两侧布置若干个点，平面检测通常是在能充分反映平面形位精度的位置分布若干测点，经过检测以及拟合的方法可以得到检测特征的值，采用三坐标测量机的进行精度检测属于现有技术，因此具体的检测操作过程和计算检测特征值的过程在此不再赘述。据此可以计算出各特征结构间(比如孔与孔之间，孔与面之间)的形位精度值，如果满足加工精度要求，则不需要进行补偿修正，直接转到S108加工完成，产品合格；否则进入步骤S106。
S106、误差修正计算：对于步骤S105检测不满足加工精度要求的孔系，依据所述孔系加工误差补偿模型，采用误差修正算法对检测的结果进行修正，其中，所述误差修正算法的输入为所述不符合加工精度要求的孔系的形位表达，输出为对应的期望形位表达，对应的孔的输入与输出之间的差值即为该孔需要修正的量。该误差修正算法实际为具有目标优化功能的算法，用其求解孔系加工误差补偿模型即寻找最优解的过程。能实现该功能的算法很多，市面上也有具有类似功能的商用软件以及求解器，比如LINGO求解器、Mosek求解器、Cplex求解器或Gurobi求解器。
以下列举实例说明该优化所达到的效果：
如图3所示为某箱体零件的形位精度拓扑关系图，该图中孔与面间存在垂直度为0.06的约束，孔与孔间存在平行度为0.06的约束。令M＝10000，ε＝0.1。
据此图，孔系加工误差补偿模型可以建立为：
目标函数：
Figure BDA0002957333410000071
约束条件：
①
Figure BDA0002957333410000072
②
Figure BDA0002957333410000073
③
Figure BDA0002957333410000074
④
Figure BDA0002957333410000075
⑤
Figure BDA0002957333410000076
在约束条件①中，i的值为下表1中平行度序号1～8的对应特征列的值，α为对应的夹角，如平行度序号1中，i＝2，α为孔2与孔3的夹角。
在约束条件②中，i的值为下表1中垂直度序号1-9的对应特征列的值，α为对应的夹角，如垂直度序号1中，i＝1，α为孔1与面1的法向量的夹角。
表1形位精度的拓扑关系中的精度值
Figure BDA0002957333410000077
Figure BDA0002957333410000081
通过C++调用LINGO求解器求解上述模型得如下结果：
表2
孔序号 1 2 3
拟合轴线 (0.041,669.606,0.045) (0.031,745.970,0.060) (0.056,668.705,0.045)
修正轴线 (-0.020,669.606,-0.040) (0.007,745.969,-0.045) (0.001,668.705,-0.018)
孔序号 4 5 6
拟合轴线 (-0.054,627.576,0.050) (-0.002,-24.016,-0.003) (-0.008,-24.762,-0.003)
修正轴线 (0.011,627.576,0.015) (-0.002,-24.016,-0.003) (-0.008,-24.762,-0.003)
孔序号 7 8 9
拟合轴线 (0.002,-26.194,0.000) (0.002,-17.716,-0.010) (0.000,-10.661,-0.002)
修正轴线 (0.002,-26.194,0.000) (0.002,-17.716,-0.010) (0.000,-10.661,-0.002)
由表2中数据可以得出，仅需调整孔1,2,3,4的轴线即可满足孔系零件的加工精度要求，调整工作量显著降低。
S107、补偿加工：依据步骤S106计算得到的需要修正的量，对孔进行修正加工，可以依据修正量修改机床的NC代码，也可以采用一些专用的微调刀具做出相应补偿。
S108、完成加工。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种孔系形位误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对孔系进行形位精度分析，构造孔与孔之间以及孔与其它特征结构之间的形位精度拓扑关系；其中，所述其它特征结构是与孔有形位关系的特征结构；
S2、根据所述形位精度拓扑关系，构造孔系优化目标函数以及精度约束条件，以建立孔系加工误差补偿模型；所述孔系加工误差补偿模型如下：
Figure 258996DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 20541DEST_PATH_IMAGE002
(2)
Figure 833776DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 128491DEST_PATH_IMAGE004
(4)
Figure 634559DEST_PATH_IMAGE005
(5)
Figure 116355DEST_PATH_IMAGE006
(6)
式(1)为孔系优化目标函数，式(2)至(6)为约束条件；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示孔i是否需要修正，即
Figure 530019DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 413662DEST_PATH_IMAGE009
表示孔i的轴线向量的修正值；
Figure 152948DEST_PATH_IMAGE010
为孔i与孔j的轴线向量夹角或孔i与其它特征结构j的法向量的夹角；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示孔i与孔j的形位精度要求或者孔i与其它特征结构j的形位精度要求；
Figure 856461DEST_PATH_IMAGE012
表示孔i的轴线向量的检测值；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示孔i的轴线向量的理论值；M取值范围在1000~10000，孔的长度越大则M的取值越大；
Figure 103510DEST_PATH_IMAGE014
为预设的大于0且小于1的常数；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的值由下式求出：
Figure 107238DEST_PATH_IMAGE016
(7)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示孔j的轴线向量的修正值；
S3、前序加工阶段：依据相应的孔系加工标准，将孔系零件毛坯在机床上完成粗加工及半精加工，完成后留有余量；
S4、精加工阶段：对经步骤S3加工后的孔系依次进行切削加工、形位精度检测、误差修正计算和补偿加工；其中，所述误差修正计算是对形位精度检测显示不符合加工精度要求的孔系，依据所述孔系加工误差补偿模型，采用误差修正算法对检测的结果进行修正，其中，所述误差修正算法的输入为所述不符合加工精度要求的孔系的形位表达，输出为对应的期望形位表达，对应的孔的输入与输出之间的差值即为该孔需要修正的量；最后根据需要修正的量进行补偿加工，完成修正。
2.如权利要求1所述的孔系形位误差修正方法，其特征在于，所述形位关系包括孔与其它特征结构之间的垂直度或平行度。
3.如权利要求1所述的孔系形位误差修正方法，其特征在于，步骤S4中切削加工是对每个孔进行加工并留有余量，以获知在当前机床生产条件下加工出的孔系的偏差程度。
4.如权利要求1所述的孔系形位误差修正方法，其特征在于，步骤S4中形位精度检测是采用三坐标测量机进行检测，以获得孔与孔之间以及孔与其它特征结构之间的形位精度值，并根据所述形位精度值判断是否符合加工精度要求。
5.如权利要求1所述的孔系形位误差修正方法，其特征在于，所述误差修正算法为具有目标优化功能的算法，包括LINGO求解器、Mosek求解器、Cplex求解器或Gurobi求解器。
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