CN113742979B - 薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法 - Google Patents

Abstract

薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法，所述优化布置方法包括以下步骤：S1，通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型；S2，结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数N，判断定位点个数N是否满足变形量要求；S3，通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响；S4，建立变形二次响应预测模型，通过方差分析算法检测预测模型的准确性；S5，通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过预测模型得到定位点优化布局。

Description

薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法

技术领域：

本发明涉及薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法。

背景技术：

在航空航天行业中，需要大量使用薄壁弧形件，其具有强度高、质量轻的特点，但薄壁弧形件的刚度小、易变形，对加工精度和最终产品质量影响很大，所以合理的夹具定位点布置可提高薄壁弧形件的刚度，有效减小工件变形。

为了获取最佳的夹具定位点，国内外学者开展了大量研究，通过有限元仿真分析结合遗传算法全局优化来寻找薄壁弧形件最佳定位点进行布置，有效限制薄壁弧形件的变形；通过建立夹具布局及基于夹具布局的变夹紧力分层优化模型，并结合遗传算法和有限元对优化模型进行求解；基于有限元分析和遗传算法的计算机辅助夹具布局优化方法是可行的，通过不同夹具的对比实验获得了最佳夹具布局。

然而，现有的算法和处理方式需要进行大量有限元仿真分析，计算成本过高，夹具设计效率较低，并且主定位面上定位点N的个数对薄壁弧形件变形影响很大，由于过多的夹具定位点个数会造成装夹元件设计复杂，因此在满足切削加工中装夹精度要求的前提下，要尽量减少装夹定位点，目前主要是根据以往夹具设计的经验来确定主定位面上定位点的个数从而得到定位点布局，缺乏理论基础，精准度较差，不能满足工作人员的实际工作需求。

发明内容：

本发明实施例提供了薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法，方法设计合理，基于“N-2-1”的定位原理，配合多种运算方法，能够在满足切削加工中装夹精度要求的前提下自动精准实现薄壁弧形件装夹定位点的优化布局，相较于现有处理方式，更加精准高效，可以快速响应获取最优解，同时，还能对定位点布局进行有效性验证，避免出现由于薄壁弧形件形状引起的定位布局无法实施的情况，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法，所述优化布置方法包括以下步骤：

S1，通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型；

S2，结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数N，判断定位点个数N是否满足变形量要求；

S3，通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响；

S4，建立变形二次响应预测模型，通过方差分析算法检测预测模型的准确性；

S5，通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过对预测模型求最优解得到定位点优化布局。

通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型包括以下步骤：

S1.1，定义薄壁弧形件的长宽高尺寸为500mm*200mm*1mm，其杨氏模量E为72000N/mm,泊松比为0.3，质量密度为2.7x10-9t/mm；

S1.2，薄壁弧形件的曲率分别取0.0006、0.0018、0.0028、0.0034，定位点个数分别取N∈{3,4,5,6}；

S1.3，采用随机取样法将定位点随机布置在主定位面上，通过ABAQUS仿真软件计算薄壁弧形件变形量，从而建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型。

结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数N，判断定位点个数N是否满足变形量要求包括以下步骤：

S2.1，设定变量为夹具定位点布局X[x₁,x₂,...,x_n]、Y[y₁,y₂,...,y_n]，设定变量的可行域为Ω；

S2.2，获取最优化设定的数学函数模型为：

Find X[x₁,x₂,...,x_n]；

Y[y₁,y₂,...,y_n]；

Min︱u[X,Y]︱；

式中：x_i和y_i分别代表第i个定位点的x坐标和y坐标，i＝1，2，…，n代表定位点的个数，u[X,Y]代表一种定位布局下薄壁弧形件节点处最大位移量；

S2.3，基于数学函数模型来判断定位点个数N是否满足变形量要求，获取定位点个数N的最佳取值。

通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响包括以下步骤：

S3.1，基于响应曲面算法获取拟合公式，获取评价指标，拟合公式的表达式如下：

式中a₀为常数项待定系数，a_i为一次项x_i待定系数，a_ij为交互项x_ix_j待定系数；

S3.2，将每个定位点的X坐标和Y坐标作为正交试验的设计元素，进行120组仿真实验，使用ABAQUS仿真软件计算不同定位布局下的薄壁弧形件节点处位移，导出变形数据，计算每组数据绝对值的最大值，输入到响应曲面的响应值区域，并对结果进行分析。

建立变形二次响应预测模型，通过方差分析算法检测预测模型的准确性包括以下步骤：

S4.1，将分析数据进行拟合，得到二次响应预测模型方程；

S4.2，统计计算方差数据，分析结果。

通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过对预测模型求最优解得到定位点优化布局包括以下步骤：

S5.1，建立三维响应曲面；

S5.2，观察分析三维响应曲面内X坐标和Y坐标对于三维响应曲面变形的影响；

S5.3，预测最佳的设计参数和定位点优化布局，使薄壁弧形件最大变形量最小。

本发明采用上述结构，通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，从而建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型；通过结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数，通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响；通过方差分析算法检测预测模型的准确性；通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过对预测模型求最优解得到定位点优化布局，具有精准高效、简便实用的优点。

附图说明：

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的不同定位点数在不同曲率时最大形变量的图像模型。

图3为本发明的不同曲率在不同定位点数下最大形变量的图像模型。

图4为本发明的定位点布置方案示意图。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-4中所示，薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法，所述优化布置方法包括以下步骤：

S1，通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型；

S2，结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数N，判断定位点个数N是否满足变形量要求；

S3，通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响；

S4，建立变形二次响应预测模型，通过方差分析算法检测预测模型的准确性；

S5，通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过对预测模型求最优解得到定位点优化布局。

通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型包括以下步骤：

S1.1，定义薄壁弧形件的长宽高尺寸为500mm*200mm*1mm，其杨氏模量E为72000N/mm,泊松比为0.3，质量密度为2.7x10-9t/mm；

S1.2，薄壁弧形件的曲率分别取0.0006、0.0018、0.0028、0.0034，定位点个数分别取N∈{3,4,5,6}；

S1.3，采用随机取样法将定位点随机布置在主定位面上，通过ABAQUS仿真软件计算薄壁弧形件变形量，从而建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型。

结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数N，判断定位点个数N是否满足变形量要求包括以下步骤：

S2.1，设定变量为夹具定位点布局X[x₁,x₂,...,x_n]、Y[y₁,y₂,...,y_n]，设定变量的可行域为Ω；

S2.2，获取最优化设定的数学函数模型为：

Find X[x₁,x₂,...,x_n]；

Y[y₁,y₂,…,y_n]；

Min︱u[X,Y]︱；

式中：x_i和y_i分别代表第i个定位点的x坐标和y坐标，i＝1，2，…，n代表定位点的个数，u[X,Y]代表一种定位布局下薄壁弧形件节点处最大位移量；

S2.3，基于数学函数模型来判断定位点个数N是否满足变形量要求，获取定位点个数N的最佳取值。

通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响包括以下步骤：

S3.1，基于响应曲面算法获取拟合公式，获取评价指标，拟合公式的表达式如下：

式中a₀为常数项待定系数，a_i为一次项x_i待定系数，a_ij为交互项x_ix_j待定系数；

S3.2，将每个定位点的X坐标和Y坐标作为正交试验的设计元素，进行120组仿真实验，使用ABAQUS仿真软件计算不同定位布局下的薄壁弧形件节点处位移，导出变形数据，计算每组数据绝对值的最大值，输入到响应曲面的响应值区域，并对结果进行分析。

建立变形二次响应预测模型，通过方差分析算法检测预测模型的准确性包括以下步骤：

S4.1，将分析数据进行拟合，得到二次响应预测模型方程；

S4.2，统计计算方差数据，分析结果。

通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过对预测模型求最优解得到定位点优化布局包括以下步骤：

S5.1，建立三维响应曲面；

S5.2，观察分析三维响应曲面内X坐标和Y坐标对于三维响应曲面变形的影响；

S5.3，预测最佳的设计参数和定位点优化布局，使薄壁弧形件最大变形量最小。

本发明实施例中的薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法的工作原理为：基于“N-2-1”的定位原理，配合多种运算方法，能够在满足切削加工中装夹精度要求的前提下自动精准实现薄壁弧形件装夹定位点的优化布局，相较于现有处理方式，更加精准高效，可以快速响应获取最优解，同时，还能对定位点布局进行有效性验证，避免出现由于薄壁弧形件形状引起的定位布局无法实施的情况。

特别说明的是，主定位面上定位点“N”的个数对薄壁弧形件变形影响很大，但过多的夹具定位点个数会造成夹具制造成本过高、装夹元件设计复杂。因此，在满足切削加工中装夹精度要求的前提下，尽量减少装夹定位点。目前主要根据以往夹具设计的经验确定主定位面上定位点的个数，其他定位面上定位点数目对变形影响很小，可忽略不计。本文首先通过试测法比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件变形的影响，根据夹具实际设计要求确定最佳的定位点个数，为后续建立夹具定位点布局与变形量的代理模型提供了依据。然后通过响应曲面法设计正交试验，研究在重力作用下，主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响，并建立变形二次响应预测模型，通过方差分析法检测模型的准确性，通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响规律。

在整体方案中，主要包括以下步骤：通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型；结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数N，判断定位点个数N是否满足变形量要求；通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响；建立变形二次响应预测模型，通过方差分析算法检测预测模型的准确性；通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过对预测模型求最优解得到定位点优化布局；依靠上述算法和操作步骤，自动精准实现薄壁弧形件在装夹过程中定位点个数的确认和定位点的优化布局。

一般情况下，“N-2-1”定位原理即在主定位面上布置不在同一直线上N(N>3)个定位点，在第二定位面(通常以较长边作为第二定位面)上布置两个定位点以限制试件沿X轴的移动、沿Z轴的转动，在第三定位面上布置一个定位点以限制试件沿Y轴的移动；由于第二、三定位面上的定位点布置对薄壁弧形件变形影响很小，因此在本发明中，只考虑主定位面上的定位点布局对薄壁弧形件变形的影响。

针对薄壁弧形件的定位，N的数量大于3，N的数量越大，夹具设计的成本和复杂度也越高，在保证定位可靠的前提下，应选择尽可能少的定位点数量。“N-2-1”定位原理的关键在于寻找最优的夹具定位点布置，使得在定位过程中薄壁弧形件变形最小。

在本发明中，为了验证薄壁弧形件曲率和定位点数量之间的关系，设计如下实验：定义尺寸为500mm×200mm×1mm的铝合金薄板件，其杨氏模量E为72000N/mm,泊松比为0.3，质量密度为2.7x10-9t/mm，薄板曲率分别取0.0006、0.0018、0.0028、0.0034。定位点个数分别取N∈{3,4,5,6}。采用随机取样法将定位点随机布置在主定位面上，通过ABAQUS仿真软件计算薄板件变形，以节点处法向最大变形的最小值作为目标变量，每组分别进行20次仿真试验，从而得到如图2和图3所示的图像模型。

经过分析，曲率对薄壁弧形件的变形具有一定的影响。同样大小的薄壁弧形件，随着曲率的增加，变形量也随之增加。为保证工件变形在阈值范围，设计夹具时需要增加主定位面上定位点个数。当定位点达到一定数量时，继续增加定位点数目已不再能减小变形量，因此要根据具体的要求确定定位点的数量。如图4所示，针对曲率＝0.0018的薄壁弧板，N＝3时变形量在0～1.6mm范围内波动，且变形量变化较大。变形量变化较大与定位点所在具体位置有关，可以通过优化求解得到满足工件装夹变形要求的定位位置。同样，N＝4时变形量在0～1.4mm范围内波动，但变形量变化相对较大。N＝5时变形量同在0～0.8mm范围内波动，且变形量变化较为缓和，证明定位点较多时，工件变形量不容易受到定位点位置变化的影响，使实际装夹更具稳定性和可操作性。N＝6时变形量在0～0.3mm范围内波动，且变形量基本不变，工件最大变形量收敛。

为了找到不同曲率薄壁弧形件最佳的主定位面上定位点的个数，针对不同的曲率可以粗略得到合适的定位点数；假设选取的薄壁弧形件变形量设计要求在0.3mm以内，N＝6时所有的定位点布置均满足变形量的设计要求；N＝4或5时，大部分定位点布局满足变形量的设计要求；N＝3时，只有少数定位点布局满足变形量的设计要求。在满足装夹变形要求的前提下，为了得到稳定的定位点布置方案以及考虑夹具制造成本的经济性，针对曲率＝0.0018的薄壁弧形件N的最佳取值为5。由于薄壁弧形件的形状、面积、曲率各不相同，所对应的N的最佳值也不同，在确定主定位面上定位布局前，需要通过试测法确定最佳的N的取值。

对于定位点位置的优化，依靠数学函数模型和拟合公式，以薄壁弧形件的节点处法向位移最大值的最小量作为评价指标进行评估；以铝合金材料的薄壁弧形件为例，尺寸和参数同上，将薄壁板件有限元网格划分为12×8，共117个节点。第二、三定位面上的定位点的坐标为(0，100)，(75，200)，(200，200)。重力方向沿z轴负方向，重力加速度定义为9800mm/s2。依次选取主定位面上待优化定位点数目N∈{3,4,5,6}，并将定位点随机布置在主定位面上节点处，通过abaqus软件进行仿真试验，提取节点处的法向位移并对结果进行分析。

同时，假设薄壁弧形件变形量设计要求在0.3mm以内，N的最佳取值为4。选取主定位面上待优化定位点数目N＝4，并限制每个定位点在空间的取值范围。通过Design-Expert.V8.0.6.1软件进行实验设计并对响应曲面的结果进行分析。采用Box-BehnkenDesign中心组合设计定位点布局试验，研究主定位面上四个定位点之间的交互作用对薄壁弧形件变形的影响规律，并建立变形预测的响应曲面模型，通过响应曲面图直观地分析不同定位点交互作用对变形的影响规律，从而为确定最佳的定位布局提供依据。

以主定位面上四点的X坐标,Y坐标作为正交实验设计的因素，每个因素有三个水平分量，经过试验设计后共需进行120组仿真实验，使用Abaqus有限元仿真软件计算不同定位布局下的薄壁弧形件节点处位移，导出变形数据，计算每组数据绝对值的最大值，输入到响应曲面的响应值区域，并对结果进行分析。

对于三维响应面分析，首先建立三维响应曲面，观察分析三维响应曲面内X坐标和Y坐标对于三维响应曲面变形的影响，从而预测最佳的设计参数和定位点优化布局，使薄壁弧形件最大变形量最小。

在预测最佳的设计参数，使得薄壁弧形件最大变形量最小。仿真计算的结果中，最大变形量的取值在0.026～0.825mm之间。在设定约束条件和目标变量之后，经响应曲面代理模型计算出满足设计要求的可行设计方案。实际布置定位点位置时，不可避免的与设计位置存在微小的差异，并且可能发生理想的定位点位置实际使用时并不能布置定位点的情况。为此下面计算出多种符合设计要求的定位方案，以供选择，计算结果如图4所示。

进一步的，对于测量用夹具，为了减小由于被测件自身重力引起的过大变形带来的测量误差，以薄壁弧形件沿重力方向最大变形量的最小值为设计目标，对于不同曲率、尺寸的薄壁弧形件，提出了试测法用于确定薄壁弧形件主定位面上最佳的定位点个数，避免了主定位面上定位点数目N选择的随意性。通过对三维响应曲面图的分析，进一步说明了试测法的合理性和有效性。

并且在确定主定位面上最佳定位点个数的基础上，以定位点为因素设计正交试验，并进行有限元仿真分析。建立了夹具定位点布局与薄壁弧形件变形的响应曲面方程，并通过三维响应曲面分析以及回归模型的方差分析确定了模型的有效性，最终计算出符合设计要求的夹具定位点布局。

综上所述，本发明实施例中的薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法基于“N-2-1”的定位原理，配合多种运算方法，能够在满足切削加工中装夹精度要求的前提下自动精准实现薄壁弧形件装夹定位点的优化布局，相较于现有处理方式，更加精准高效，可以快速响应获取最优解，同时，还能对定位点布局进行有效性验证和优化，避免出现由于薄壁弧形件形状引起的定位布局无法实施的情况。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.薄壁弧形件装夹用定位点优化布置方法，其特征在于，所述优化布置方法包括以下步骤：

S1，通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型；

S2，结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数N，判断定位点个数N是否满足变形量要求；

S3，通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响；

S4，建立变形二次响应预测模型，通过方差分析算法检测预测模型的准确性；

S5，通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过预测模型得到定位点优化布局；

通过测试算法来比较不同定位点个数对不同曲率薄壁弧形件形变的影响，建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型包括以下步骤：

S1.1，定义薄壁弧形件的长宽高尺寸为500mm*200mm*1mm，其杨氏模量E为72000N/mm,泊松比为0.3，质量密度为2.7x10-9t/mm；

S1.2，薄壁弧形件的曲率分别取0.0006、0.0018、0.0028、0.0034，定位点个数分别取N∈{3,4,5,6}；

S1.3，采用随机取样法将定位点随机布置在主定位面上，通过ABAQUS仿真软件计算薄壁弧形件变形量，从而建立夹具定位点布局与变形量相关的图像模型；

结合夹具实际设计要求和图像模型确定最佳的定位点个数N，判断定位点个数N是否满足变形量要求包括以下步骤：

S2.1，设定变量为夹具定位点布局X[x₁,x₂,...,x_n]、Y[y₁,y₂,...,y_n]，设定变量的可行域为Ω；

S2.2，获取最优化设定的数学函数模型为：

Find X[x₁,x₂,...,x_n]；

Y[y₁,y₂,...,y_n]；

Min︱u[X,Y]︱；

式中：x_i和y_i分别代表第i个定位点的x坐标和y坐标，i＝1，2，…，n代表定位点的个数，u[X,Y]代表一种定位布局下薄壁弧形件节点处最大位移量；

S2.3，基于数学函数模型来判断定位点个数N是否满足变形量要求，获取定位点个数N的最佳取值；

通过响应曲面算法设计正交试验，以研究在重力作用下主定位面上定位点布置对薄壁弧形件法向变形的影响包括以下步骤：

S3.1，基于响应曲面算法获取拟合公式，获取评价指标，拟合公式的表达式如下：

式中a₀为常数项待定系数，a_i为一次项x_i待定系数，a_ij为交互项x_ix_j待定系数；

S3.2，将每个定位点的X坐标和Y坐标作为正交试验的设计元素，进行120组仿真实验，使用ABAQUS仿真软件计算不同定位布局下的薄壁弧形件节点处位移，导出变形数据，计算每组数据绝对值的最大值，输入到响应曲面的响应值区域，并对结果进行分析；

建立变形二次响应预测模型，通过方差分析算法检测预测模型的准确性包括以下步骤：

S4.1，将分析数据进行拟合，得到二次响应预测模型方程；

S4.2，统计计算方差数据，分析结果；

通过三维响应曲面直观分析不同定位布置对变形的影响，通过预测模型得到定位点优化布局包括以下步骤：

S5.1，建立三维响应曲面；

S5.2，观察分析三维响应曲面内X坐标和Y坐标对于三维响应曲面变形的影响；

S5.3，预测最佳的设计参数和定位点优化布局，使薄壁弧形件最大变形量最小。