CN113917888B - 一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，包括机床主轴回到机床零点、完成测头的标定及补偿、读入标准的数控程序、对程序进行检索，确认程序的最大行程角度范围、计算程序角向约束、以标准球的球心为原点，完成基于角向约束的标准球25个均布点测量、完成定角向精确配准计算、将求解的旋转Arot和平移Trans数值输入到机床的零件加工基准中，完成误差补偿、在补偿后的坐标基准下，完成零件数控加工、将零件加工基准补偿清零，用于下一个叶片定角向分析及误差补偿。本发明的补偿方法提升大型风扇整体叶盘固定角向叶片的加工精度，进而提升设备的数控加工能力，保证零件整体的加工精度。

Description

一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法
技术领域
本发明涉及航空航天数控加工技术领域，特别涉及一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法。
背景技术
随着航空制造产业的飞速发展，机匣、整体叶盘、叶片等航空零部件结构更加复杂的同时，加工精度要求越来越高，国内早期引入的数控设备大部分已经难以满足新产品的加工精度要求。然而，航空制造企业在有百年发展历程的同时，也面临着设备老旧的问题，航空航天制造企业80％的数控设备在1970～2000年之间采购，并且受限于企业经济发展需求和厂房空间面积，短期内不会进行大规模设备引进或批量设备更换。面对日益激烈的市场竞争压力，如何提高机床加工精度，保证零部件加工质量，降低相关生产成本，加大经济效益，是企业的发展目标。
加工中心由于零件制造、安装工艺、使用磨损等原因，每台设备都不可避免一些误差现象存在。由于误差对于设备的各项精度有着严重的影响，对数控立式加工中心的误差分析也在逐步的深入。国内开展机床精度补偿研究的主要有两个方向：一部分学者通过镭射仪检测数控立式加工中心线性定位误差，采用数控系统对数控加工中心几何误差进行补偿；另一部分学者，从减少发热、控制温升、热误差补偿3个层次对卧式加工中心的热变形与热误差进行补偿。国内的研究对于机床误差的检测及精度的提升具有促进作用，但是对于一般精度或是精度不稳定的五坐标加工中心加工航空发动机复杂零部件时，引发的各向异性误差、多角度误差积累等问题，尚未得到解决。到目前为止，尚没有公开的基于定角向标定及补偿的加工精度提升方法。
发明内容
为解决上述技术问题，提出了一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，具体技术方案如下：
一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，包括如下步骤：
步骤1，机床主轴回到机床零点；
步骤2，完成测头的标定及补偿；
测头标定指机床通过在线测量系统测量标准特征，计算测量偏差；所述的补偿指将根据测量标准特征计算的测量误差补偿到机床的坐标基准中；
步骤3，读入标准的数控程序；
步骤4，对程序进行检索，确认程序的最大行程角度范围；
所述的最大行程角度范围，指在数控程序中检索最大A角∠Amax、最小A角∠Amin，最大B角∠Bmax、最小B角∠Bmin；
步骤5，计算程序角向约束；
首先，计算出程序的回转中心∠Acen、∠Bcen，∠Acen＝(∠Amax+∠Amin)/2，∠Bcen＝(∠Bmax+∠Bmin)/2，则程序的角向约束范围∠A＝[∠Amax-∠Acen]，∠B＝[∠Bmax-∠Bcen]；
步骤6，以标准球的球心为原点，完成基于角向约束的标准球25个均布点测量；
将标准球的球心定为(0，0，0)，球面上∠A、∠B上的点坐标为：
Figure GDA0003366314890000031
其中，0≤∠A<90、0≤∠B<90；
步骤7，完成定角向精确配准计算；
所述的精确配准，指将实际测量的点坐标模型向理论的点坐标模型进行变换、重合，求解变换过程中移动、旋转的数值；
步骤8，将求解的旋转Arot和平移Trans数值输入到机床的零件加工基准中，完成误差补偿；
步骤9，在补偿后的坐标基准下，完成零件数控加工；
步骤10，将零件加工基准补偿清零，用于下一个叶片定角向分析及误差补偿。
所述的一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，其优选方案为，步骤2所述的标准特征，包括标准孔特征、标准球特征；标准球特征的测量，指对半球表面进行25点均布测量；标准孔特征的测量，指对工作台孔内径进行+X向、-X向、+Y向、-Y向，定向测量；在线测量时，同一点在测头0度、测头180度条件下测量2次，计算每一点的平均值，保证每一点测量的准确性。
所述的一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，其优选方案为，步骤6所述的25个均布点测量，指主轴在∠Acen、∠Bcen的角向下，在限定角向的约束范围内均匀分布25点，计算出点坐标，并且完成在线测量；其中，25点的点坐标及点位矢量为：
原点：
P(0，0)(0，0，R，0，0)
X轴不变，绕Y轴旋转，测量X轴轴线上的6个点坐标：
P(-3，0)(-Rsin∠B，0，Rcos∠B，0，-∠B)
Figure GDA0003366314890000041
Figure GDA0003366314890000042
Figure GDA0003366314890000043
Figure GDA0003366314890000044
Figure GDA0003366314890000045
Y轴不变，绕X轴旋转，测量Y轴轴线上的6个点坐标：
P(0，-3)(0，-Rsin∠A，Rcos∠A，-∠A，0)
Figure GDA0003366314890000046
/>
Figure GDA0003366314890000047
Figure GDA0003366314890000048
Figure GDA0003366314890000049
Figure GDA00033663148900000410
第一象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
Figure GDA00033663148900000411
Figure GDA0003366314890000051
Figure GDA0003366314890000052
第二象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
Figure GDA0003366314890000053
/>
Figure GDA0003366314890000054
Figure GDA0003366314890000055
第三象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
Figure GDA0003366314890000061
Figure GDA0003366314890000062
Figure GDA0003366314890000063
第四象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
Figure GDA0003366314890000064
Figure GDA0003366314890000065
Figure GDA0003366314890000071
所述的一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，其优选方案为，步骤7所述的定角向精确配准计算，指以25点的质心作为相对坐标系原点，将实际测量的25点质心和主方向行旋转Arot和平移Trans，与理论25点质心和主方向重合，完成定角向配准；
其中，Arot为3×3的旋转矩阵，Trans为3×1的平移矩阵；Act为25点实测值，质心定义为Pact，主方向为(v1，v2，v3)；Org为25点理论值，质心定义为Porg，主方向为(u1，u2，u3)；Pacti为点Act中为i的点，Porgi为点云Org中为i的点；则理论点的质心及协方差计算公式为：
Porgi＝(uix,uiy,uiz)，则
Figure GDA0003366314890000072
计算点云协方差矩阵
Figure GDA0003366314890000073
实测点的质心及协方差计算公式为：
Pacti＝(vix,viy,viz)，则
Figure GDA0003366314890000074
计算点云协方差矩阵
Figure GDA0003366314890000075
根据协方差得到的每个点的特征值，从大到小排序，选择三个特征向量，作为点云的主方向，构成两个点云的协方差矩阵Tact'，Torg'：
Figure GDA0003366314890000081
旋转矩阵Arot：Arot＝Torg'×Tact'-1
平移矩阵Trans：Trans＝Porg-Arot×Pact。
本发明的有益效果：
本发明首次提出基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，成功将相关技术应用于大型风扇钛合金整体叶盘的自适应数控加工中，在原有设备0.06mm的在线测量精度条件下，实现线性摩擦焊整体叶盘焊后叶片0.03mm接刀痕控制，完成大型风扇钛合金整体叶盘20个叶片凸台部位精加工，填补了基于定角向标定及补偿的加工精度提升的技术空白。该方法的实现，解决了机床在加工大型发动机零部件各向特征的精度偏差问题、周向特征积累问题，有较强的通用型和实用性，在为企业提升核心创新能力和研发效率的同时创造巨大的经济效益。
本方法经实际加工验证，按照本发明对提取加工程序五轴联动范围、基于角向约束计算标准球校准程序、定角向误差分析、叶片加工基准补偿，在原有设备0.06mm的在线测量精度条件下，实现线性摩擦焊整体叶盘焊后叶片0.03mm接刀痕控制。按照单台设备精度提升后，投入大型零件精密切削产生的经济效益计算，每当1台设备精度提升后，每年创造的效益按照“效益＝单台设备全年生产时间*该状态设备现有数量*高精度设备每小时占用费用”计算，即(285天/年*10h/天)/台*20台*20元/h＝101.4万/年。
附图说明
图1为本发明的一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法流程图；
图2为本发明中数控程序在最大角向联动环境下，机床上标准球P点测量点示意图；
图中，球面上∠A为机床绕X轴旋转的角度，∠B为机床绕Y轴旋转的角度；
图3为本发明标准球25个均布点测量示意图；
图4为本发明定角向移动及旋转精确配准示意图；
图中，Act为25点实测值，质心定义为Pact，主方向为(v1，v2，v3)；Org为25点理论值，质心定义为Porg，主方向为(u1，u2，u3)，Arot为3×3的旋转矩阵，Trans为3×1的平移矩阵；
图5为本发明测头的标定及补偿示意图；
图中，Tool_Number为调用刀具库中的刀具号，9999为机床中的测头；R8为测头基准X向误差补偿变量、R9为测头基准Y向误差补偿变量、R7为测头半径补偿、R19为测头基准Z向误差补偿；
图6为本发明数控程序最大行程角度范围检索的逻辑关系示意图；
图中，N为数控程序代码的总行数，i代表读取到数控代码的当前行数，A代表数控程序中A轴的角度，B代表数控程序中B轴的角度，∠Amax为数控程序中最大A角，∠Amin∠Amax为数控程序中最小A角，∠Bmax∠Amax为数控程序中最大B角，∠Bmin∠Amax为数控程序中最小B角；
图7为本发明基于固定角向最大范围约束的精确配准计算结果；
图8为本发明的机床基准误差补偿示意图。
具体实施方式
本发明采用基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，成功原有设备0.06mm的在线测量精度条件下，实现线性摩擦焊整体叶盘焊后叶片0.03mm接刀痕控制，完成大型风扇钛合金整体叶盘20个叶片凸台部位精加工；本专利以公司五轴机床为例，结合附图1-8和实施过程对本发明作进一步说明。
一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，包括如下步骤：
1)机床主轴回到机床原点；
2)完成测头的标定及补偿；
针对D25标准球，编制出25点覆盖半球面的3轴测量程序，从机床刀具库中调出测头及探针，在机床基准下完成标准球的在机测量，分析测量偏差：
X向偏差-0.0003mm，Y向偏差-0.0034mm，Z向偏差0.2685mm
由于Z向偏差过大，需要进行补偿，首先将计算出的X向、Y向、Z向的偏差反向输入到机床基准中进行复测，分析标准球各项偏差：
X向偏差-0.0014mm，Y向偏差-0.0036mm，Z向偏差0.0015mm
标准球各向精度良好，满足测量条件，可以用于在机测量；
3)读入标准的数控程序；
读入数控程序，包括APT文件、G-code文件；
4)完成程序检索；
按照图6，通过压栈的方式，完成程序的最大行程角度范围的检索。以机床加工某型号航空发动机整体叶盘第n片叶片的数控程序为例，通过程序检索，该段程序的最大行程角度范围为：
最大A角∠Amax＝29.9981°；
最小A角∠Amin＝-29.998°；
最大B角∠Bmax＝55.7293°；
最小B角∠Bmin＝-30.6237°；
5)计算程序角向约束范围；
按照权利要求书中步骤5所述的方法，首先计算出程序的回转中心：
∠Acen＝(∠Amax+∠Amin)/2＝0°；
∠Bcen＝(∠Bmax+∠Bmin)/2＝15.6028°；
则程序的角向约束范围：
∠A＝[∠Amax-∠Acen]＝30°；
∠B＝[∠Bmax-∠Bcen]＝45°；
即机床主轴在A角、B角度的前提下，以A0°(30°)的角度范围联动；
6)计算标准球上的检测点坐标；
以标准球的球心为原点，完成基于角向约束的标准球25个均布点测量；将标准球的球心定为(0，0，0)，∠A＝30°、∠B＝45°时，球面25点的点坐标为：
原点：
P(0，0)(0，0，12.5，0，0)
X轴不变，绕Y轴旋转，测量X轴轴线上的6个点坐标：
P(-3，0)(-8.84，0，8.84，0，-45)
P(-2，0)(-6.25，0，10.825，0，-30)
P(-1，0)(-3.235，0，12.074，0，-15)
P(1，0)(3.235，0，12.074，0，15)
P(2，0)(6.25，0，10.825，0，30)
P(3，0)(8.84，0，8.84，0，45)
Y轴不变，绕X轴旋转，测量Y轴轴线上的6个点坐标：
P(0，-3)(0，-6.25，10.825，-30，0)
P(0，-2)(0，-4.275，11.746，-20，0)
P(0，-1)(0，-2.171，12.31，-10，0)
P(0，1)(0，2.171，12.31，10，0)
P(0，2)(0，4.275，11.746，20，0)
P(0，3)(0，6.25，10.825，30，0)
第一象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
P(1，1)(3.189，2.099，11.903，10，15)
P(2，2)(5.961，3.758，10.325，20，30)
P(3，3)(8.183，6.25，8.183，30，45)
第二象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
P(-1，1)(-3.189，2.099，11.903，10，-15)
P(-2，2)(-5.961，3.758，10.325，20，-30)
P(-3，3)(-8.183，6.25，8.183，30，-45)
第三象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
P(-1，-1)(-3.189，-2.099，11.903，-10，-15)
P(-2，-2)(-5.961，-3.758，10.325，-20，-30)
P(-3，-3)(-8.183，-6.25，8.183，-30，-45)
第四象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
P(1，-1)(3.189，-2.099，11.903，-10，15)
P(2，-2)(5.961，-3.758，10.325，-20，30)
P(3，-3)(8.183，-6.25，8.183，-30，45)
7)完成定角向精确配准计算；
按照权利要求书中步骤7所述的方法，完成基于定角向约束的精确配准计算；
所述的精确配准，指将实际测量的点坐标模型向理论的点坐标模型进行变换、重合，求解变换过程中移动、旋转的数值；
通过配准，计算出旋转Arot和平移Trans数值，如图7所示：
Figure GDA0003366314890000131
/>
8)完成误差补偿；
将求解的旋转Arot和平移Trans数值输入到机床的零件加工基准中，完成误差补偿，如图8所示；
9)完成数控加工；
在补偿后的坐标基准下，完成零件数控加工；
10)零件加工基准补偿清零；
将零件加工基准补偿清零，用于下一个叶片定角向分析及误差补偿。

Claims (4)

1.一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，机床主轴回到机床零点；
步骤2，完成测头的标定及补偿；
测头标定指机床通过在线测量系统测量标准特征，计算测量偏差；所述的补偿指将根据测量标准特征计算的测量误差补偿到机床的坐标基准中；
步骤3，读入标准的数控程序；
步骤4，对程序进行检索，确认程序的最大行程角度范围；
所述的最大行程角度范围，指在数控程序中检索最大A角∠Amax、最小A角∠Amin，最大B角∠Bmax、最小B角∠Bmin；
步骤5，计算程序角向约束；
首先，计算出程序的回转中心∠Acen、∠Bcen，∠Acen＝(∠Amax+∠Amin)/2，∠Bcen＝(∠Bmax+∠Bmin)/2，则程序的角向约束范围∠A＝[∠Amax-∠Acen]，∠B＝[∠Bmax-∠Bcen]；
步骤6，以标准球的球心为原点，完成基于角向约束的标准球25个均布点测量；
将标准球的球心定为(0，0，0)，球面上∠A、∠B上的点坐标为：
Figure FDA0003366314880000011
其中，0≤∠A<90、0≤∠B<90；
步骤7，完成定角向精确配准计算；
所述的精确配准，指将实际测量的点坐标模型向理论的点坐标模型进行变换、重合，求解变换过程中移动、旋转的数值；
步骤8，将求解的旋转Arot和平移Trans数值输入到机床的零件加工基准中，完成误差补偿；
步骤9，在补偿后的坐标基准下，完成零件数控加工；
步骤10，将零件加工基准补偿清零，用于下一个叶片定角向分析及误差补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，其特征在于：步骤2所述的标准特征，包括标准孔特征、标准球特征；标准球特征的测量，指对半球表面进行25点均布测量；标准孔特征的测量，指对工作台孔内径进行+X向、-X向、+Y向、-Y向，定向测量；在线测量时，同一点在测头0度、测头180度条件下测量2次，计算每一点的平均值，保证每一点测量的准确性。
3.根据权利要求1所述的一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，其特征在于：步骤6所述的25个均布点测量，指主轴在∠Acen、∠Bcen的角向下，在限定角向的约束范围内均匀分布25点，计算出点坐标，并且完成在线测量；其中，25点的点坐标及点位矢量为：
原点：
P(0，0)(0，0，R，0，0)
X轴不变，绕Y轴旋转，测量X轴轴线上的6个点坐标：
P(-3，0)(-Rsin∠B，0，Rcos∠B，0，-∠B)
Figure FDA0003366314880000031
/>
Figure FDA0003366314880000032
Figure FDA0003366314880000033
Figure FDA0003366314880000034
Figure FDA0003366314880000035
Y轴不变，绕X轴旋转，测量Y轴轴线上的6个点坐标：
P(0，-3)(0，-Rsin∠A，Rcos∠A，-∠A，0)
Figure FDA0003366314880000036
Figure FDA0003366314880000037
Figure FDA0003366314880000038
Figure FDA0003366314880000039
Figure FDA00033663148800000310
第一象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
Figure FDA00033663148800000311
Figure FDA00033663148800000312
/>
Figure FDA0003366314880000041
第二象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
Figure FDA0003366314880000042
Figure FDA0003366314880000043
Figure FDA0003366314880000044
第三象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
Figure FDA0003366314880000045
/>
Figure FDA0003366314880000051
Figure FDA0003366314880000052
第四象限内，X、Y轴联动，测量3个点的点坐标：
Figure FDA0003366314880000053
Figure FDA0003366314880000054
Figure FDA0003366314880000055
4.根据权利要求1所述的一种基于固定角向标定及补偿的加工精度提升方法，其特征在于：步骤7所述的定角向精确配准计算，指以25点的质心作为相对坐标系原点，将实际测量的25点质心和主方向行旋转Arot和平移Trans，与理论25点质心和主方向重合，完成定角向配准；
其中，Arot为3×3的旋转矩阵，Trans为3×1的平移矩阵；Act为25点实测值，质心定义为Pact，主方向为(v1，v2，v3)；Org为25点理论值，质心定义为Porg，主方向为(u1，u2，u3)；Pacti为点Act中为i的点，Porgi为点云Org中为i的点；则理论点的质心及协方差计算公式为：
Porgi＝(uix,uiy,uiz)，则
Figure FDA0003366314880000061
计算点云协方差矩阵
Figure FDA0003366314880000062
实测点的质心及协方差计算公式为：
Pacti＝(vix,viy,viz)，则
Figure FDA0003366314880000063
计算点云协方差矩阵
Figure FDA0003366314880000064
根据协方差得到的每个点的特征值，从大到小排序，选择三个特征向量，作为点云的主方向，构成两个点云的协方差矩阵Tact'，Torg'：
Figure FDA0003366314880000065
旋转矩阵Arot：Arot＝Torg'×Tact'-1
平移矩阵Trans：Trans＝Porg-Arot×Pact。
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