CN114001683A - 一种基于坐标原点平移的复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于坐标原点平移的复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿方法，属于测量‑加工一体化技术领域。该方法是在具有开放式的数控平台上，利用超声测厚装置测得的构件壁厚数据，重新建立剩余壁厚关联的加工目标曲面，完成包容性分析，进行坐标原点平移量解算，通过加工代码原点修正完成加工补偿。本发明克服了现有剩余壁厚补偿方法的不足，满足复杂构件剩余壁厚、轮廓度同时约束的加工要求，提高了加工精度，减小劳动强度，实现复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿。

Description

一种基于坐标原点平移的复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿 方法

技术领域

本发明属于测量-加工一体化技术领域，具体涉及一种基于坐标原点平移的复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿方法。

背景技术

复杂构件是航空航天等领域重大装备上的典型件，如舱段构件等，其加工后的零件剩余壁厚须满足等壁厚或按一定规律变壁厚的加工要求，且剩余壁厚往往是此类构件加工的核心要求。然而在实际机械加工过程中，某些复杂构件受结构等因素影响，半精加工后只能对外表面进行机械加工，其外表面是逼近设计模型的理想形面；而工件的内表面是铸造形面，未经过机械加工，实际的内轮廓与理想形面偏差较大。若按照工件设计模型的坐标原点进行加工，工件剩余壁厚无法满足精度要求。为此，复杂构件加工剩余壁厚补偿方法已成为制约复杂构件加工并亟待突破的关键问题之一。

天津航天长征火箭制造有限公司在发明专利“一种大型薄壁蒙皮自适应等壁厚铣削系统及其加工方法”，CN104289748A中公开一种大型薄壁蒙皮自适应等壁厚铣削系统及其加工方法；大连理工大学在发明专利“一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法”，CN111195830A中公开一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法。然而，上述这两种方法均无法满足零件轮廓和剩余壁厚同时保证的双重约束加工要求。

上述研究均未提及一种基于坐标原点平移的复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿方法。

发明内容

本发明主要解决的技术难题是克服现有剩余壁厚补偿方法的不足，面向复杂构件剩余壁厚、轮廓度同时约束的加工要求，提供了一种基于坐标原点平移的复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿方法。该方法是在具有开放式的数控平台上，利用超声测厚装置测得的构件壁厚数据，重新建立剩余壁厚关联的加工目标曲面，完成包容性分析，进行坐标原点平移量解算，通过加工代码原点修正完成加工补偿。本发明可提高加工精度，减小劳动强度，实现复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿。

本发明所采用技术方案为：

一种基于坐标原点平移的复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿方法，该方法首先将超声测厚装置固定在机床主轴上，获取构件外廓测点坐标和对应点壁厚数据；其次，生成工件壁厚模型，根据要求的壁厚计算实际目标曲面，将实际目标曲面与待加工目标曲面进行点云匹配，建立剩余壁厚关联的加工目标曲面；再次，通过计算待加工目标曲面中心与原始坐标中心的位置平移量完成修调量解算；最后，根据平移量进行加工代码补偿修正。具体步骤如下：

第一步，构件毛坯壁厚在机获取

超声测厚装置1由刀柄2进行夹持；刀柄2装于机床主轴3上；所述超声测厚装置1通过超声线缆4与计算机5进行连接，沿轨迹a扫描测量；计算机5实时完成对超声测厚装置1所得信号的处理，获取刀柄2所在机床坐标系测点坐标数据P＝{P_j(x_j,y_j,z_j)，j∈[1,n]}及测点处毛坯壁厚数据H＝{h_j,j∈[1,n]}。其中，P_j表示第j个测点坐标；h_j表示P_j对应点处毛坯壁厚，n为刀柄2所在机床坐标系所有测点个数。

第二步，加工余量包容性分析

通过Shepard局部插值函数将测点坐标数据P构造得到工件外表面轮廓S₁。基于毛坯壁厚数据H，在工件外表面轮廓S₁的法线方向向内构建壁厚，得到工件实际内轮廓面S₄。已知设计壁厚数据H’，在实际内轮廓面S₄的基础上沿法方向向外构建壁厚，得到实际目标曲面S₂。

待加工目标曲面S₃具有几何不变性，通过与实际目标曲面S₂进行点云匹配确定位置。令实际目标曲面S₂的坐标数据Q为目标点云，待加工目标曲面S₃在机床坐标系下的坐标数据L为源点云。源点云经旋转矩阵R和平移矩阵T变换后与目标点云重合。点q_i(x_i,y_i,z_i)，l_i(a_i,b_i,c_i)为分别属于目标点云和源点云的两个坐标点所构成的第i对匹配点坐标，i∈[1,t]，t为目标点云和源点云全部匹配点对数。

由于目标点云和源点云经空间变换后无法完全重合，最小化一个目标函数F判断是否满足匹配精度要求。计算目标函数F：

其中，F为目标点云Q与源点云L经点云匹配后的平均距离。设

与

分别为源点云L与目标点云Q的中心点坐标。中心点的x，y，z轴坐标通过对一组坐标数据内所有坐标点x，y，z轴坐标分别求均值所得。

计算满足匹配精度的阈值k：

对源点云L经空间变换后的坐标数据G构造得到待加工目标曲面S₃。此时待加工目标曲面S₃与工件外表面轮廓S₁在法向上的对应点距离即为对应点处加工余量。

第三步，坐标原点平移量解算

计算实际内轮廓面S₄中心点O₁(x₁,y₁,z₁)，以此基准进行壁厚的修调，实现工件整体壁厚的最优，最终保证加工的精度与质量。实际内轮廓面S₄中心点O₁(x₁,y₁,z₁)到待加工目标曲面中心点O₂(x₂,y₂,z₂)之间的平移量即为坐标原点平移量。其中，待加工目标曲面中心点O₂(x₂,y₂,z₂)坐标值在X、Y坐标系下取得。只考虑坐标点在同一水平面内的平移，平移量Δx＝x₂-x₁，Δy＝y₂-y₁；

第四步，加工代码补偿修正

利用数控系统提供的6个工件坐标系G54～G59进行加工代码补偿修正。若工件半精加工在G54坐标系里面对刀，则精加工时首先修改刀路程序，采用其他不同的坐标系，将平移量输入从而设定平移后的坐标系：

G5·X(Δx) Y(Δy) (3)

其中，G5·表示G55～G59坐标系，Δx，Δy为G5·坐标系原点在G54坐标系中的x轴和y轴坐标。

将式(3)所示命令增加在加工刀路轨迹代码起始位置；在此坐标系下继续精加工刀路完成加工。

本发明的有益效果：本发明利用在机测量的壁厚数据状态，通过加工曲面包容性分析，同时保证了复杂构件轮廓和剩余壁厚精度。本发明提高了加工精度，减小劳动强度，实现了复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿。

附图说明

图1为本发明方法全貌示意图。

图2为本发明中所涉及的曲面截面关系图。

图3为基于坐标原点平移的复杂构件自适应补偿方法流程图。

图中：1超声测厚装置；2刀柄；3机床主轴；4超声线缆；5计算机；6待加工构件；7回转工作台；8辅助压板；S₁工件外表面轮廓；S₂实际目标曲面；S₃待加工目标曲面；S₄实际内轮廓面；a测量轨迹。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。

待加工构件6，直径500～550mm，毛坯壁厚7～8mm，剩余壁厚3～4mm。超声测厚装置传感器中心频率10MHz，采用点聚焦方式。自适应补偿方法流程图如图3所示，具体步骤如下：

第一步，构件毛坯壁厚在机获取

超声测厚装置1由刀柄2进行夹持；刀柄2装于机床主轴3上；超声测厚装置1通过超声线缆4与计算机5进行连接，沿轨迹a扫描测量；计算机5实时完成对超声测厚装置1所得信号的处理，获取刀柄2所在机床坐标系测点坐标数据P＝{P_j(x_j,y_j,z_j)，j∈[1,n]}及测点处毛坯壁厚数据H＝{h_j,j∈[1,n]}。

第二步，加工余量包容性分析

通过Shepard局部插值函数将测点坐标数据P构造得到工件外表面轮廓S₁。基于毛坯壁厚数据H，在工件外表面轮廓S₁的法线方向向内构建壁厚，得到工件实际内轮廓面S₄。其中计算机床坐标系测点坐标P_j处的法向量

时，以P_j为中心点取k个近邻点，坐标表示为T_m(x_m,y_m,z_m)，m∈[1,k]，T_m表示第m个近邻点。则

与由T_m指向P_j的向量

垂直。由此最小化一个目标函数估计点云法向量

根据视线方向统一法向量方向，解得法向量

则工件实际内轮廓面S₄对应的坐标数据E＝{e_j(x'_j,y'_j,z'_j)，j∈[1,n]}，e_j表示实际内轮廓面s₄的第j个测点坐标，可由下式得到：

已知设计壁厚数据H’，在实际内轮廓面S₄的基础上沿法方向向外构建壁厚，得到实际目标曲面S₂，见图2。

待加工目标曲面S₃具有几何不变性，通过与实际目标曲面S₂进行点云匹配确定位置。令实际目标曲面S₂的坐标数据Q为目标点云，待加工目标曲面S₃在机床坐标系下的坐标数据L为源点云。源点云经旋转矩阵R和平移矩阵T变换后与目标点云重合。点q_i(x_i,y_i,z_i)，l_i(a_i,b_i,c_i)为分别属于目标点云和源点云的两个坐标点所构成的第i对匹配点坐标，i∈[1,t]，t为目标点云和源点云全部匹配点对数。

其中，θ为矩阵旋转角度，t_x,t_y,t_z分别为源点云在x,y,z轴方向上的平移量。

由于目标点云和源点云经空间变换后无法完全重合，最小化一个目标函数F判断是否满足匹配精度要求。利用公式(1)计算目标函数F。利用公式(2)计算F满足匹配精度的阈值k。

对源点云L经空间变换后的坐标数据G构造得到待加工目标曲面S₃。此时待加工目标曲面S₃与工件外表面轮廓S₁在法向上的对应点距离即为对应点处加工余量。

第三步，坐标原点平移量解算

计算实际内轮廓面S₄中心点O₁(x₁,y₁,z₁)，以此基准进行壁厚的修调，实现工件整体壁厚的最优，最终保证加工的精度与质量。实际内轮廓面S₄中心点O₁(x₁,y₁,z₁)到待加工目标曲面中心点O₂(x₂,y₂,z₂)之间的平移量即为坐标原点平移量。其中，待加工目标曲面中心点O₂(x₂,y₂,z₂)坐标值在X、Y坐标系下取得。如图2所示。只考虑坐标点在同一水平面内的平移，解得平移量Δx＝1.2mm，Δy＝0.3mm。

第四步，加工代码自适应补偿

加工代码补偿利用数控系统提供的6个工件坐标系G54～G59。若工件半精加工在G54里面对刀，则精加工时首先修改刀路程序，采用其他不同的坐标系如G55，将平移量输入从而设定平移后的坐标系：

G55 X-1.2 Y-0.3 (6)

其中，-1.2、-0.3为G55坐标系原点在G54坐标系中的x轴和y轴坐标，将该命令增加在加工刀路轨迹代码起始位置。在此坐标系下继续精加工刀路完成加工。

Claims (2)

1.一种基于坐标原点平移的复杂构件加工剩余壁厚自适应补偿方法，其特征在于，该方法首先将超声测厚装置固定在机床主轴上，获取构件外廓测点坐标和对应点壁厚数据；其次，生成工件壁厚模型，根据要求的壁厚计算实际目标曲面，将实际目标曲面与待加工目标曲面进行点云匹配，建立剩余壁厚关联的加工目标曲面；再次，通过计算待加工目标曲面中心与原始坐标中心的位置平移量完成修调量解算；最后，根据平移量进行加工代码补偿修正；具体步骤如下：

第一步，构件毛坯壁厚在机获取

刀柄(2)装于机床主轴(3)上；超声测厚装置(1)由刀柄(2)进行夹持，沿轨迹a扫描测量；超声测厚装置(1)通过超声线缆(4)与计算机(5)连接，计算机(5)实时完成对超声测厚装置(1)所得信号的处理，获取刀柄(2)所在机床坐标系测点坐标数据P＝{P_j(x_j,y_j,z_j)，j∈[1,n]}及测点处毛坯壁厚数据H＝{h_j,j∈[1,n]}；其中，P_j表示第j个测点坐标；h_j表示P_j对应点处毛坯壁厚，n为刀柄所在机床坐标系所有测点个数；

第二步，加工余量包容性分析

通过Shepard局部插值函数将测点坐标数据P构造得到工件外表面轮廓S₁；基于毛坯壁厚数据H，在工件外表面轮廓S₁的法线方向向内构建壁厚，得到工件实际内轮廓面S₄；已知设计壁厚数据H’，在实际内轮廓面S₄的基础上沿法方向向外构建壁厚，得到实际目标曲面S₂；

待加工目标曲面S₃具有几何不变性，通过与实际目标曲面S₂进行点云匹配确定位置；令实际目标曲面S₂的坐标数据Q为目标点云，待加工目标曲面S₃在机床坐标系下的坐标数据L为源点云；源点云经旋转矩阵R和平移矩阵T变换后与目标点云重合；

对源点云L经空间变换后的坐标数据G构造得到待加工目标曲面S₃；此时待加工目标曲面S₃与工件外表面轮廓S₁在法向上的对应点距离即为对应点处加工余量；

第三步，坐标原点平移量解算

计算实际内轮廓面S₄中心点O₁(x₁,y₁,z₁)，以此基准进行壁厚的修调，实现工件整体壁厚的最优，最终保证加工的精度与质量；实际内轮廓面S₄中心点O₁(x₁,y₁,z₁)到待加工目标曲面中心点O₂(x₂,y₂,z₂)之间的平移量即为坐标原点平移量；其中，待加工目标曲面中心点O₂(x₂,y₂,z₂)坐标值在X、Y坐标系下取得；只考虑坐标点在同一水平面内的平移，平移量Δx＝x₂-x₁，Δy＝y₂-y₁；

第四步，加工代码补偿修正

利用数控系统提供的6个工件坐标系G54～G59进行加工代码补偿修正；若工件半精加工在G54坐标系里面对刀，则精加工时首先修改刀路程序，采用不同的坐标系，输入平移量从而设定平移后的坐标系：

G5·X(Δx) Y(Δy) (3)

其中，G5·表示G55～G59坐标系；Δx，Δy为G5·坐标系原点在G54坐标系中的x轴和y轴坐标；

将式(3)所示命令增加在加工刀路轨迹代码起始位置，在此坐标系下继续精加工刀路完成加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步中，由于目标点云和源点云经空间变换后无法完全重合，最小化一个目标函数F判断是否满足匹配精度要求；计算目标函数F：

其中，F为目标点云Q与源点云L经点云匹配后的平均距离；点q_i(x_i,y_i,z_i)，l_i(a_i,b_i,c_i)为分别属于目标点云和源点云的两个坐标点所构成的第i对匹配点坐标，i∈[1,t]，t为目标点云和源点云全部匹配点对数；设

与

分别为目标点云Q与源点云L中心点坐标；中心点的x，y，z轴坐标通过对一组坐标数据内所有坐标点x，y，z轴坐标分别求均值所得；

计算满足匹配精度的阈值k：

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