CN114185307B - 一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法，属于机械加工领域。该方法中，按照三重原则对大型薄壁件进行分区，使单个加工区域内的廓形变化尽量简单均匀；利用在机测量获取薄壁件外廓基准点的实际位置信息；进行数据插值与廓形配准后，在不同水平截面内求解工件轮廓的实际变形量；求解不同截面内的平均补偿量，分两种情况对数控加工程序进行修正补偿，使该区域的壁厚满足加工要求，依次完成大型薄壁件所有分区的加工变形补偿。本发明解决了大型薄壁件加工时壁厚难以精确保证、人工修正效率低下的问题；适用于大型薄壁件壁厚可控加工，修正过程简单，加工效率高、结果可靠；满足面向制造现场环境的大型薄壁件壁厚可控加工需求。

Description

一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法。

背景技术

大型薄壁件往往是航空航天领域关键装备的支撑与承载部件。为满足薄壁件的轻量化和结构强度要求，大型薄壁件的机械加工要求几何尺寸精度高、壁厚均匀性好。然而，在加工过程中，由于自身刚度低、且具有时变性，受到装夹力、加工应力变形等因素影响，若完全按理论设计模型进行加工，将无法满足大型薄壁件的加工精度要求。

目前，大型薄壁件加工大多依靠工人经验，采取多道工序摸索的方式。在不同工序之间，往往需对零件进行离线测量，人工计算工件各处的实际加工余量，然后对数控程序中的铣削参数进行手动修改、重新装夹再加工，整体过程的自动化程度低、工人劳动强度大、加工耗时长，而且由于在一道工序内的加工基准点漂移，导致误差累积，致使加工精度难以保证。因此，提出面向大型薄壁件的分区加工方法，利用在机测量手段，便可在一次装夹下特征提取、变形量修正补偿，从而保证薄壁件的加工精度。

2017年，上海交通大学的陈明等在专利CN201711205994.0中公开了一种薄壁构件的壁厚均匀性控制铣削加工方法，通过导入工件的本构模型进行有限元分析，采用实验与仿真结合的方式确定最优的铣削参数与走刀路径，实现壁厚的均匀性控制。但该方法只是分析优化了部分加工参数与加工路径，并未考虑实际加工中装夹变形、焊接变形等对工件轮廓的影响。2020年，大连理工大学康仁科等在专利CN202010490299.9中公开了一种回转壳体零件壁厚误差精确控制加工装置及方法，开发搭建了一系列壁厚检测、轮廓检测等装置，可自动进行工件轮廓跳动检测、工件找正、刀尖高度调整等工作，实现了回转壳体的壁厚精密加工，提高了加工效率。但是该装置结构复杂、成本高、控制难度大，且不易与现有数控机床集成。

上述研究尚未提及一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法。

发明内容

为了克服现有方法的不足，本发明针对大型薄壁件加工过程中整体轮廓变形复杂，壁厚保证困难、手工修调效率低下等问题，提出了一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法。该方法中，实现整个薄壁件的分区合理化，使单个加工区域内的廓形变化尽量简单、均匀；利用在机测量技术获取薄壁件基准廓形点的实际位置信息；进行数据插值与廓形配准后，在不同水平截面内求解工件廓形的实际变形量；求解不同截面内的平均补偿量，分两种情况对数控加工程序进行修正补偿，使该区域的壁厚满足加工要求，依次完成所有分区的加工变形补偿。

本发明采用的技术方案是：

一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法，首先，根据薄壁件的整体形状和基准位置，基于区域同向、区域最大与多条基准的三重原则进行分区；接着，在每个分区内进行触发式测量的测点设置与路径规划，在机测量获取工件外廓多个基准点的实际位置信息；然后，对获取的实际基准点进行数据插值与廓形配准，在不同水平截面内求解工件的实际廓形偏差值；最后，求解不同截面的修正补偿量，分两种情况，对该分区的数控加工程序进行整体补偿或刀位点精细补偿，依次完成大型薄壁件所有分区的加工变形补偿。具体步骤如下：

第一步，基于三重原则进行工件区域划分

在保证补偿加工的精度与可靠性前提下，对薄壁件进行分区补偿加工，简化了薄壁廓形变化量求解与补偿量求解过程，降低了运算成本，提高了运算速度。按照加工区域同向、区域划分最大与包含多条基准的三重原则进行薄壁件分区，保证薄壁件的不同加工区域的拓扑特性同向近似相等；廓形在单个区域内的变化既无冗余又趋性相近，便于修正补偿；基准信息充分且准确，变形量与补偿量求解精确。

按照上述三重原则，将大型回转类薄壁件1进行均等分区，周向平均分为N个铣削加工区域3，每个铣削加工区域对应中心角度为

满足区域同向原则。划分后单个铣削加工区域水平截面扫过的弧线内的廓形变化均匀、连续，既能够预测精度，又不会过分分割导致数据冗余，满足区域划分最大原则。且每个铣削加工区域各有t条基准筋条2，保证能充分反映此区域内的实际廓形变化情况，满足多条基准分区原则。

第二步，区域内基准特征点在机自动提取

将基准筋条2分为直线轮廓段L₁、L₂、…、L_m和曲线轮廓段Q₁、Q₂、…、Q_n，为尽可能准确地反映薄壁件外廓基准的实际变化情况且保证测量效率，设基准轮廓段上的采样间隔为d_L1、d_L2、…、d_Lm，基准曲线廓形段上的采样间隔为d_Q1、d_Q2、…、d_Qn，则各基准筋条上的测点总数为M_r，对于回转体，一般有M₁＝M₂＝...＝M_r，因此，令M＝M₁＝M₂＝...＝M_r，有：

其中，

为直线廓形线段采样点数；

为曲线廓形线段采样点数，r为基准筋条号。

第d(d≤N)个铣削加工区域，规定自左侧基准筋条为第1条基准，其上Z坐标值最大的测点为1号测点。沿竖直向下的路径对每个测点进行法向测量采样，获得铣削加工区域内理论基准筋条外轮廓线BL_dr上所有测点的实际坐标信息T_dr：

其中，

为第r条理论基准外轮廓线BL_dr上第k个测量点的实际坐标信息，M为理论基准外轮廓线BL_dr上所有测量点数，N为铣削加工区域总数。

第三步，区域内求解不同截面的实际轮廓偏差

在同一条理论基准筋条外轮廓线中，利用线性插值函数对直线轮廓段L₁、L₂、…、L_m内实际测量点进行数据点的插值密化，近似的得到直线段的实际基准轮廓线L₁'、L₂'、…、L_m'。利用Lagrange插值函数对曲线轮廓段Q₁、Q₂、…、Q_n内实际测量点进行数据点的插值密化，近似的得到曲线段的实际基准轮廓线Q₁'、Q₂'、…、Q_n'。

插值后可以得到新的数据集T′_dr：

T′_dr＝{t'_dr(z_k),k∈[1,M′],r∈[1,t]}   (3)

其中，t'_dr(z_k)为第d号铣削加工区域第r条插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'上Z坐标为z_k的数据点的坐标信息；M′为第d号铣削加工区域第r条插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'所有数据点数。

求解插值后，第d号铣削加工区域第r条插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'上数据点对应的实际外轮廓半径值，Z坐标为z_k的数据点对应的实际外轮廓半径值r_dr(z_k)′为：

其中，(t_dr′(z_k))_x为插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'上Z坐标为z_k的数据点的X坐标值，(t_dr′(z_k))_y为插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'上Z坐标为z_k的数据点的Y坐标值。

在铣削加工区域内所有插值后的实际基准外轮廓线BL_d1'、BL_d2'、…、BL_dt'上，对Z坐标为z_k的数据点实际数据点r_d1(z_k)′、r_d2(z_k)′、…、r_dt(z_k)′进行均值计算，得相同Z坐标P_k内薄壁件的实际基准外轮廓半径r_w(z_k)′为：

将求解得到的实际基准外轮廓半径r_w(z_k)′与理论基准外轮廓半径r_w(z_k)进行比对，得到截面P_k处的基准轮廓偏差Δdev(z_k)

Δdev(z_k)＝r_w(z_k)′-r_w(z_k)   (6)

第四步，求解不同截面的修正补偿量，分情况分区补偿加工

薄壁件的实际基准外轮廓一般是经过精加工后得到，其内、外基准轮廓呈现同等变化，且单个铣削加工区域的同一水平截面内，轮廓变化幅度较小，可以认为实际基准外轮廓BL_dr'反映了薄壁件的实际内轮廓H′的实际变化，所以截面P_k内的修调补偿量Δr(z_k)为：

Δr(z_k)＝Δdev(z_k)   (7)

若第d个铣削加工区域内，所有水平截面内的最大修正补偿量与最小修正补偿量之差都小于壁厚加工要求公差，即

Δr_dmax-Δr_dmin＜D   (8)

其中，Δr_dmax为铣削加工区域内最大修正补偿量，Δr_dmin为铣削加工区域内最小修正补偿量，D为薄壁件壁厚加工的公差要求。

此时，求解平均偏移补偿量为：

然后，在数控加工程序开头处利用TRANS等坐标系偏移指令进行整体补偿，补偿量为

若第d个铣削加工区域内，所有水平截面内的最大修正补偿量与最小修正补偿量之差大于或等于壁厚加工要求公差，即

Δr_dmax-Δr_dmin≥D   (10)

此时，需要对该铣削加工区域内不同水平截面P_k内的数控加工程序进行刀位点精细化补偿

其中，

为截面P_k内第s个刀位点X坐标的修正补偿量，α_s为截面P_k内第s个刀位点的法矢与XOY面夹角，β_s为第s个刀位点的法矢与XOZ面夹角，γ_s为第s个刀位点的法矢与YOZ面夹角。

最终，按修正补偿后的数控加工程序对该铣削加工区域进行加工，依次对所有分区重复执行第二步至第四步的工作，即可完成对大型薄壁件的加工变形分区补偿，获得满足加工要求的壁厚。

本发明的有益效果：本发明提出了一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法，按照三重原则对大型薄壁件进行分区，在机测量自动获取实际外廓基准，插值后在不同截面内求解偏差量和相应修正补偿量，分情况对该区域内的数控加工程序进行整体偏移或刀位点精细补偿，依次完成所有区域的补偿，解决了大型薄壁件加工时壁厚难以精确保证、人工修正效率低下的问题。本发明所述的方法适用于大型薄壁件壁厚可控加工，修正过程简单，加工效率高、结果可靠。该方法可满足面向制造现场环境的大型薄壁件壁厚可控加工需求。

附图说明

图1为本发明所述大型薄壁件的三维模型与分区划分示意图。

图2为本发明所述的大型薄壁件加工变形分区补偿的流程图。

图3为大型薄壁件外廓基准的曲、直分段与测点分布示意图。

图4为大型薄壁件外廓基准的触发式测量测点设置与路径规划示意图。

图5为数据点插值及不同水平截面内求解实际基准轮廓半径的示意图。

图6为不同水平截面内求解基准轮廓偏差的示意图。

图7为最大修正补偿量与最小修正补偿量之差小于壁厚加工要求公差时，利用整体偏移指令进行数控加工程序整体补偿的示意图。

图8为最大修正补偿量与最小修正补偿量之差大于或等于壁厚加工要求公差时，进行刀位点精细化补偿的示意图。

图中：1大型薄壁件；2工件的外廓基准筋条；3工件的单个铣削加工区域；L₁、L₂、L₃分别为基准筋条的第1、第2、第3直线段；Q₁、Q₂分别为基准筋条的第1、第2曲线段；d_L1、d_Q1、d_L2、d_Q2、d_L3分别为外廓基准筋条2的第1直线段、第1曲线段、第2直线段、第2曲线段、第3直线段内的测点间距；D为薄壁件壁厚尺寸的公差要求；BL_d1为铣削加工区域第1条理论基准外轮廓线；BL_d2铣削加工区域第2条理论基准外轮廓线；BL_d1'为铣削加工区域第1条实际基准外轮廓线；BL_d2'为铣削加工区域第2条实际基准外轮廓线；H为薄壁件的理论内轮廓线；H′为薄壁件的实际内轮廓线；P₁、P₂、P₃、…、P_k、…、P_M'分别为Z坐标为z₁、z₂、z₃、…、z_k、…、z_M'用于计算实际基准轮廓半径的水平截面；t'_d1(z₁)、t'_d1(z₂)、t'_d1(z₃)、…、t'_d1(z_k)、…、t'_d1(z_M')分别为实际基准轮廓线BL_d1'与第1、第2、第3、…、第k、…、第M'个水平截面的交点，其中，k∈[1,M']，M'为实际基准轮廓线上插值点的总数；t'_d2(z₁)、t'_d2(z₂)、t'_d2(z₃)、…、t'_d2(z_k)、…、t'_d2(z_M')分别为实际基准轮廓线BL_d2'与第1、第2、第3、…、第k、…、第M'个水平截面的交点；r_w(z_k)′为实际基准外轮廓半径；r_w(z_k)为理论基准外轮廓半径；Δr_dmax为水平截面内的最大修正补偿量；Δr_dmin为水平截面内的最小修正补偿量。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步说明。

本发明所述大型薄壁件直径1000mm以上，高度700mm以上，壁厚加工要求小于4mm，加工过程中轮廓变形复杂。图3为本发明所述的大型薄壁件加工变形分区补偿方法的流程图。具体步骤如下：

第一步，基于三重原则进行工件区域划分

按照上述三重原则，将大型薄壁件1进行均等分区，周向平均分为24个铣削加工区域，每个铣削加工区域对应角度为15°，满足区域同向原则；划分后的单个铣削加工区域在水平截面扫过的轮廓弧线内的轮廓变化均匀、连续，若增大扫过的弧线，则无法精确描述该区域的拓扑特性，在无冗余数据情况下已经是最大区域，因此满足区域划分最大原则。每个铣削加工区域共有2条基准筋条，保证能充分反映此区域内的实际廓形变化情况，满足多条基准分区原则。

第二步，区域内基准特征点在机自动提取

将基准筋条分为直线轮廓段和曲线轮廓段，依次为L₁、Q₁、L₂、Q₂、L₃。为尽可能准确地反映薄壁件外廓基准的实际变化情况且保证测量效率，设对应基准轮廓段上的Z向采样间隔分别为d_L1、d_Q1、d_L2、d_Q2、d_L3，则每条基准筋条上的测点总数M为：

其中，

为直线廓形线段采样点数；

为曲线廓形线段采样点数，r为基准筋条号，d_L1、d_Q1、d_L2、d_Q2、d_L3为可调参数。

对于第d(d≤24)个铣削加工区域，规定左侧基准为第1条基准，其上Z坐标值最大的测点为1号测点。沿竖直向下的路径对每个测点进行法向测量采样，获得第1条理论基准外轮廓线BL_d1上所有测点的实际坐标信息T_d1：

其中，

为第1条理论基准外轮廓线BL_d1上第k个测量点的实际坐标信息，M为理论基准廓形线上所有测量点数。

依次测量BL_d1和BL_d2上点集T_d1、T_d2

第三步，区域内求解不同截面的实际轮廓偏差

在理论基准外轮廓线的直线轮廓段L₁、L₂、L₃，利用线性插值函数对实际测量点进行数据点的插值密化，近似的得到直线段的实际基准轮廓线L₁′、L₂′、L₃′。在理论基准外轮廓线的曲线轮廓段Q₁、Q₂，利用Lagrange插值函数对实际测量点进行数据点的插值密化，近似的得到曲线段的实际基准轮廓线Q₁′、Q₂′。

插值后可以得到新的数据集T′_d1：

T′_d1＝{t'_d1(z_k),k∈[1,M′]}   (3)

其中，t'_d1(z_k)为第d号铣削加工区域第1条插值后的实际基准外轮廓线BL_d1'上Z坐标为z_k的数据点的坐标信息，M′为第d号铣削加工区域插值后的实际基准外轮廓线BL_d1'所有数据点数。

同理，可以得到BL_d2插值后实际基准外轮廓线BL_d2'上Z坐标为z_k的数据点的坐标数据集T′_d2。

求解插值后，第d号铣削加工区域第1条插值后的实际基准外轮廓线BL_d1'上数据点对应的实际外轮廓半径值，Z坐标为z_k的数据点对应的实际外轮廓半径值r_d1(z_k)′为：

其中，(t_d1′(z_k))_x为插值后的实际基准外轮廓线BL_d1'上Z坐标为z_k的数据点的X坐标值，(t_d1′(z_k))_y为插值后的实际基准外轮廓线BL_d1'上Z坐标为z_k的数据点的Y坐标值。

在左右两条插值后的实际基准外轮廓线BL_d1'与BL_d2'上，对Z坐标为z_k的数据点实际数据点r_d1(z_k)′和r_d2(z_k)′进行均值计算，得相同Z坐标P_k内薄壁件的实际基准外轮廓半径r_w(z_k)′为：

r_w(z_k)′＝(r_d1(z_k)′+r_d2(z_k)′)/2   (5)

将求解得到的实际基准外轮廓半径r_w(z_k)′与理论基准外轮廓半径r_w(z_k)进行比对，得到截面P_k处的基准轮廓偏差Δdev(z_k)

Δdev(z_k)＝r_w(z_k)′-r_w(z_k)   (6)

第四步，求解不同截面的修正补偿量，分情况分区补偿加工

获取截面P_k内的修调补偿量Δr(z_k)为：

Δr(z_k)＝Δdev(z_k)   (7)

若第d个铣削加工区域内，所有水平截面内的最大修正补偿量与最小修正补偿量之差都小于壁厚加工要求公差，即

Δr_dmax-Δr_dmin＜D   (8)

其中，Δr_dmax为铣削加工区域内最大修正补偿量，Δr_dmin为铣削加工区域内最小修正补偿量，D为薄壁件壁厚加工的公差要求。

此时，求解平均偏移补偿量为：

然后，在数控加工程序开头处利用TRANS等坐标系偏移指令进行整体补偿，补偿量为

若第d个铣削加工区域内，所有水平截面内的最大修正补偿量与最小修正补偿量之差大于或等于壁厚加工要求公差，即

Δr_dmax-Δr_dmin≥D   (10)

此时，需要对该铣削加工区域内不同水平截面P_k内的数控加工程序进行刀位点精细化补偿

其中，

为截面P_k内第s个刀位点X坐标的修正补偿量，α_s为截面P_k内第s个刀位点的法矢与XOY面夹角，β_s为第s个刀位点的法矢与XOZ面夹角，γ_s为第s个刀位点的法矢与YOZ面夹角。

最终，按修正补偿后的数控加工程序对该铣削加工区域进行加工，依次对所有分区重复执行第二步至第四步的工作，即可完成对大型薄壁件的加工变形分区补偿，获得满足加工要求的壁厚。

本发明所述的方法适用于大型薄壁件壁厚可控加工中，解决了大型薄壁件加工时壁厚难以精确保证、人工修正效率低下的问题。分区补偿后，修正过程简单，加工效率高、结果可靠。该方法可满足面向制造现场环境的大型薄壁件壁厚可控加工需求。

Claims (1)

1.一种大型薄壁件加工变形分区补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步，基于三重原则进行工件区域划分

将大型回转类薄壁件进行均等分区，周向平均分为N个铣削加工区域，每个铣削加工区域对应中心角度为

满足区域同向原则；划分后单个铣削加工区域水平截面扫过的弧线内的廓形变化均匀、连续，既能够预测精度，又不会过分分割导致数据冗余，满足区域划分最大原则；且每个铣削加工区域各有t条基准筋条，保证能充分反映此区域内的实际廓形变化情况，满足多条基准分区原则；

第二步，区域内基准特征点在机自动提取

将基准筋条分为直线轮廓段L₁、L₂、…、L_m和曲线轮廓段Q₁、Q₂、…、Q_n，为准确地反映薄壁件外廓基准的实际变化情况且保证测量效率，设基准轮廓段上的采样间隔为d_L1、d_L2、…、d_Lm，基准曲线廓形段上的采样间隔为d_Q1、d_Q2、…、d_Qn，则各基准筋条上的测点总数M：

其中，

为直线廓形线段采样点数，i≤m；

为曲线廓形线段采样点数，j≤n；

第d个铣削加工区域，规定自左侧基准筋条为第1条基准，其上Z坐标值最大的测点为1号测点；沿竖直向下的路径对每个测点进行法向测量采样，获得铣削加工区域内理论基准筋条外轮廓线BL_dr上所有测点的实际坐标信息T_dr：

其中，

为第r条理论基准外轮廓线BL_dr上第k个测量点的实际坐标信息，M为理论基准外轮廓线BL_dr上所有测量点数，N为铣削加工区域总数；

第三步，区域内求解不同截面的实际轮廓偏差

在同一条理论基准筋条外轮廓线中，利用线性插值函数对直线轮廓段L₁、L₂、…、L_m内实际测量点进行数据点的插值密化，得到直线段的实际基准轮廓线L₁'、L₂'、…、L_m'；利用Lagrange插值函数对曲线轮廓段Q₁、Q₂、…、Q_n内实际测量点进行数据点的插值密化，得到曲线段的实际基准轮廓线Q₁'、Q₂'、…、Q_n'；

插值后得到新的数据集T′_dr：

T′_dr＝{t'_dr(z_k),k∈[1,M′],r∈[1,t]}                  (3)

其中，t'_dr(z_k)为第d号铣削加工区域第r条插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'上Z坐标为z_k的数据点的坐标信息；M′为第d号铣削加工区域第r条插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'所有数据点数；

求解插值后，第d号铣削加工区域第r条插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'上数据点对应的实际外轮廓半径值，Z坐标为z_k的数据点对应的实际外轮廓半径值r_dr(z_k)′为：

其中，(t_dr′(z_k))_x为插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'上Z坐标为z_k的数据点的X坐标值，(t_dr′(z_k))_y为插值后的实际基准外轮廓线BL_dr'上Z坐标为z_k的数据点的Y坐标值；

在铣削加工区域内所有插值后的实际基准外轮廓线BL_d1'、BL_d2'、…、BL_dt'上，对Z坐标为z_k的数据点实际数据点r_d1(z_k)′、r_d2(z_k)′、…、r_dt(z_k)′进行均值计算，得相同Z坐标P_k内薄壁件的实际基准外轮廓半径r_w(z_k)′为：

将求解得到的实际基准外轮廓半径r_w(z_k)′与理论基准外轮廓半径r_w(z_k)进行比对，得到截面P_k处的基准轮廓偏差Δdev(z_k)

Δdev(z_k)＝r_w(z_k)′-r_w(z_k)                       (6)

第四步，求解不同截面的修正补偿量，分情况分区补偿加工

获取截面P_k内的修调补偿量Δr(z_k)为：

Δr(z_k)＝Δdev(z_k)                         (7)

若第d个铣削加工区域内，所有水平截面内的最大修正补偿量与最小修正补偿量之差都小于壁厚加工要求公差，即

Δr_dmax-Δr_dmin＜D                  (8)

其中，Δr_dmax为铣削加工区域内最大修正补偿量，Δr_dmin为铣削加工区域内最小修正补偿量，D为薄壁件壁厚加工的公差要求；

此时，求解平均偏移补偿量为：

然后，在数控加工程序开头处利用TRANS坐标系偏移指令进行整体补偿，补偿量为

若第d个铣削加工区域内，所有水平截面内的最大修正补偿量与最小修正补偿量之差大于或等于壁厚加工要求公差，即

Δr_dmax-Δr_dmin≥D                   (10)

此时，需要对该铣削加工区域内不同水平截面P_k内的数控加工程序进行刀位点精细化补偿

其中，

为截面P_k内第s个刀位点X坐标的修正补偿量，α_s为截面P_k内第s个刀位点的法矢与XOY面夹角，β_s为第s个刀位点的法矢与XOZ面夹角，γ_s为第s个刀位点的法矢与YOZ面夹角；

最终，按修正补偿后的数控加工程序对该铣削加工区域进行加工，依次对所有分区重复执行第二步至第四步的工作，即可完成对大型薄壁件的加工变形分区补偿，获得满足加工要求的壁厚。

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