一种大型曲面薄壁件的多点定位方法
【专利摘要】本发明提供一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，以解决现有的六点定位原理对于刚度差和跨度大空间大型曲面薄壁件已不在适用此类工件的加工的问题。本发明是这样实现的，一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法包括以下步骤：步骤一：初始化设置基础定位/支撑分布；步骤二：分析确定逐点自由度；步骤三：自适应调整定位/支撑分布；步骤四：计算多点定位误差；步骤五：最后确定定位点。通过设置的逐点自由度的大小反映了工件在该处对定位元件的需求程度，保证工艺系统刚度最大化基本上能够解决现有的六点定位原理对于刚度差和跨度大空间大型曲面薄壁件已不在适用此类工件的加工的问题。
【专利说明】一种大型曲面薄壁件的多点定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多点定位方法【技术领域】，具体涉及一种大型曲面薄壁件的多点定位方 法。
【背景技术】
[0002] 目前，航空航天工业中大量采用空间曲面薄壁零件，其特点是重量轻、结构复杂， 是减小能耗和提高性能的最佳选择；空间曲面薄壁零件结构复杂、刚性差、需求数量等因素 决定其制造工艺复杂、批量化要求高。空间曲面薄壁零件刚性差，在加工过程中因受到切削 力、夹紧力以及切削热和残余应力极易产生变形，所以控制加工变形是保证空间曲面薄壁 零件数控加工质量的关键。在众多的加工变形控制措施中，如进给量局部调整、刀具路径修 正、改进装夹方案和改进毛坯的结构工艺性等，装夹方案是其中的重要一项[2]。夹具可以 保证被加工工件在机床上获得正确的位置，并在加工中防止由于切削力造成的位置改变及 工件变形，夹具也是实现批量化生产的重要的工艺装备。目前一些航空航天企业的夹具设 计现状是：设计随意性大、规范性和重用性差；夹具设计资源没有得到有效管理；夹具设计 质量依赖于个人设计水平，没有经过优化等等。因此夹具设计效率和设计质量依然是影响 产品快速响应的"瓶颈"因素，成为目前航空航天产品高效、高精数控加工迫切需要解决的 问题之一。由于现有的六点定位原理对于刚度差和跨度大空间大型曲面薄壁件已不在适用 此类工件的加工的问题。
[0003] 因此，发明一种大型曲面薄壁件的多点定位方法显得非常必要。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，以解 决现有的六点定位原理对于刚度差和跨度大空间大型曲面薄壁件已不在适用此类工件的 加工的问题。本发明是这样实现的，一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，所述的一种大型 曲面薄壁件的多点定位方法包括以下步骤：
[0005] 步骤一：初始化设置基础定位/支撑分布；
[0006] 步骤二：分析确定逐点自由度；
[0007] 步骤三：自适应调整定位/支撑分布；
[0008] 步骤四：计算多点定位误差；
[0009] 步骤五：最后确定定位点。
[0010] 进一步，在步骤一中，进行初始化，设置好基础定位/支撑分布在工件的部位；
[0011] 进一步，在步骤二中，根据步骤一中设置好基础定位/支撑分布，切削加工过程 中，工艺系统在外力作用下，会在各个受力方向产生相应的变形，其中对加工精度影响最大 的是沿加工面法向的压力F和变形y。因此，工艺系统的刚度定义为k，对于大型薄壁件，由 于其跨度大，刚度很小，即使按照传统的六点定位原理约束了工件所有的自由度，在定位元 件较少的部位，加工过程中仍然会产生很大的变形。针对这种状况，大型薄壁件的逐点自由 度的定义，d = e-k为工件上某点的逐点自由度，k为工件在该点的刚度，工件的自由度就 和刚度联系在了一起，工件上不同部位有着不同的逐点自由度，若某处存在定位元件，该处 刚度趋近于无穷大，逐点自由度近似为〇,表明该处的工件已经被充分定位；若某处距离定 位元件很远，则该处刚度很小，逐点自由度趋近于1，可以理解为，该处需要添加一个定位元 件，从而分析确定逐点自由度；
[0012] 进一步，在步骤三中，根据确定的逐点自由度，自适应调整定位/支撑分布，具体 为，大型薄壁件可看作力学系统中的薄壳构件，因此工件在工装上的定位/支撑情况可作 为一个薄壳支撑系统来对待，加工过程中，刀具的切削力直接作用于工件表面，相当于给薄 壳系统施加了一集中载荷F，同时各定位/支撑点将产生相应的支反力。在切削力和支反力 的共同作用下，工件在受力点处变形为y，则可以得出该处的逐点自由度d，当某一区域的 逐点自由度大于工件平均逐点自由度时，该区域的等效支撑面积应增大，反之，则减小；根 据上述信息，定位/支撑分布的自适应调整过程可以表述为如下的优化问题：为了使系统 的整体刚度最大，在给定总支撑能力C max的约束条件下，求各区域的等效支撑面积，使工 件的最大逐点自由度趋于最小，数学描述为，
[0013] 目标函数 d max = f(Sl，S2, · · ·，SN);
[0014] 约束条件(3 ￡C max ;
[0015] 求优化变量Sl，S2,...，SN ;使得d max ?min,根据求出的最优Sl，S2,...，SN 值，即可确定定位/支撑分布，从而实现变形控制。
[0016] 进一步，在步骤四中，计算多点定位误差，具体为，预先计算每个接触位置的支反 力Ni, j，定位/支撑球半径为r，其与工件的压接触半径远小于r，同时工件的曲率半径远大 于r，工件在接触局部可看作平面，根据Hertz接触理论，由支反力造成的定位/支撑球与工 件接触位置的变形可以表达将得到的各个接触位置的变形d i，j作为定位约束条件，用有 限元法重新计算，即可求解出存在定位误差时工件的真实变形。薄壁零件在夹具系统中的 数学定义可以表示为：如果工装系统的坐标系用? (oXYZ)表示，薄壁件自身的坐标系用a (o*X*Y*Z*)表示，薄壁零件在定位工装系统中的定位可以由& (o*X*Y*Z*)在& (oXYZ)中 的位资表述，即存在一个确定的向量T，使得& (oXYZ) =T X& (〇*X*Y*Z*)
[0017] 其中：Τ = [sx, sy, sz, q χ, q y, q ζ]，Τ中：sx、sy、sz分别是薄壁零件坐标系的坐 标原点相对于工装系统坐标原点的位移量；q x、q y、q z分别是工装系统坐标系按顺序沿 X、y、ζ轴旋转形成薄壁零件自身坐标系所转过的角度。在这个过程中，假设薄壁零件上第 i个定位点在自身坐标系i (〇*X*Y*Z*)中的坐标是（Xi*，Yi*Zi*)，定位头在工装系统坐标 系a (οχγζ)中对应的坐标是（xi，Yi，zi)，则一定有（xi，Yi，zi) = tx (xi*，Yi*zi*)，定位 的本质上就是把求得的T中的sx、sy、sz转换为伺服电机的转动量，进而得出多点定位误 差。
[0018] 进一步，在步骤五中，最后确定定位点的具体分为4个步骤：
[0019] 第一步：初步计算出薄壁工件表面上要定位/支撑点的所有位置坐标{(χ，γ，ζ)}， 由于定位点的个数受支撑杆数量的限制，所以点的分布需要综合考虑薄壁件的变形、强度、 重力及待加工部位的受力情况等诸多因素；
[0020] 第二步：根据所求出的初步位置以及法矢量进而求出与其相切的各立柱定位头球 心{(X*，Y*，Z*)};
[0021] 第三步：根据同一齿轮座上所有立柱X轴坐标值相同的特点，对所求的定位球心 坐标进行最小二乘法直线拟合，从而得到新的{(XI*，Y1*)}坐标；
[0022] 第四步：应用最小二乘法拟合得到的{(XI*，Y1*)}坐标即可反求出立柱前段定位 头球心的坐标位置{(Z*)}，即Z轴的定位高度计算。
[0023] 采用本发明的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，通过设置的逐点自由度的大 小反映了工件在该处对定位元件的需求程度，然后，基于逐点自由度，提出了自适应的多点 定位方法，在考虑到多点定位误差的同时，自适应地调整柔性工装系统的定位/支撑分布， 保证工艺系统刚度最大化基本上能够解决现有的六点定位原理对于刚度差和跨度大空间 大型曲面薄壁件已不在适用此类工件的加工的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是一种大型曲面薄壁件的多点定位方法的方法流程图。
[0025] 图2是一种大型曲面薄壁件的中最后确定定位点的方法流程图。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合附图对本发明做进一步描述：
[0027] 实施例：
[0028] 本发明提供本发明是这样实现的，根据附图1所示，一种大型曲面薄壁件的多点 定位方法，所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法包括以下步骤：
[0029] S101:初始化设置基础定位/支撑分布；
[0030] S102:分析确定逐点自由度；
[0031] S103:自适应调整定位/支撑分布；
[0032] S104:计算多点定位误差；
[0033] S105:最后确定定位点。
[0034] 进一步，在S101中，进行初始化，设置好基础定位/支撑分布在工件的部位；
[0035] 进一步，在S102中，根据步骤一中设置好基础定位/支撑分布，切削加工过程中， 工艺系统在外力作用下，会在各个受力方向产生相应的变形，其中对加工精度影响最大的 是沿加工面法向的压力F和变形y。因此，工艺系统的刚度定义为k，对于大型薄壁件，由于 其跨度大，刚度很小，即使按照传统的六点定位原理约束了工件所有的自由度，在定位元件 较少的部位，加工过程中仍然会产生很大的变形。针对这种状况，大型薄壁件的逐点自由度 的定义，d = e-k为工件上某点的逐点自由度，k为工件在该点的刚度，工件的自由度就和刚 度联系在了一起，工件上不同部位有着不同的逐点自由度，若某处存在定位元件，该处刚度 趋近于无穷大，逐点自由度近似为〇,表明该处的工件已经被充分定位；若某处距离定位元 件很远，则该处刚度很小，逐点自由度趋近于1，可以理解为，该处需要添加一个定位元件， 从而分析确定逐点自由度；
[0036] 进一步，在S103中，根据确定的逐点自由度，自适应调整定位/支撑分布，具体为， 大型薄壁件可看作力学系统中的薄壳构件，因此工件在工装上的定位/支撑情况可作为一 个薄壳支撑系统来对待，加工过程中，刀具的切削力直接作用于工件表面，相当于给薄壳系 统施加了一集中载荷F，同时各定位/支撑点将产生相应的支反力。在切削力和支反力的共 同作用下，工件在受力点处变形为y，则可以得出该处的逐点自由度d，当某一区域的逐点 自由度大于工件平均逐点自由度时，该区域的等效支撑面积应增大，反之，则减小；根据上 述信息，定位/支撑分布的自适应调整过程可以表述为如下的优化问题：为了使系统的整 体刚度最大，在给定总支撑能力C max的约束条件下，求各区域的等效支撑面积，使工件的 最大逐点自由度趋于最小，数学描述为，
[0037] 目标函数 d max = f(Sl，S2, · · ·，SN);
[0038] 约束条件(3 ￡C max ;
[0039] 求优化变量Sl，S2,...，SN ;使得d max ?min,根据求出的最优Sl，S2,...，SN 值，即可确定定位/支撑分布，从而实现变形控制。
[0040] 进一步，在S104中，计算多点定位误差，具体为，预先计算每个接触位置的支反力 Ni, j，定位/支撑球半径为r，其与工件的压接触半径远小于r，同时工件的曲率半径远大于 r，工件在接触局部可看作平面。根据Hertz接触理论，由支反力造成的定位/支撑球与工 件接触位置的变形可以表达将得到的各个接触位置的变形d i，j作为定位约束条件，用有 限元法重新计算，即可求解出存在定位误差时工件的真实变形。薄壁零件在夹具系统中的 数学定义可以表示为：如果工装系统的坐标系用& (oXYZ)表示，薄壁件自身的坐标系用a (〇*X*Y*Z*)表示，薄壁零件在定位工装系统中的定位可以由& (o*X*Y*Z*)在& (oXYZ)中 的位资表述，即存在一个确定的向量T，使得& (oXYZ) =T X & (〇*X*Y*Z*)
[0041] 其中：Τ = [sx, sy, sz, q χ, q y, q ζ]，Τ中：sx、sy、sz分别是薄壁零件坐标系的坐 标原点相对于工装系统坐标原点的位移量；q x、q y、q z分别是工装系统坐标系按顺序沿 X、y、ζ轴旋转形成薄壁零件自身坐标系所转过的角度。在这个过程中，假设薄壁零件上第 i个定位点在自身坐标系& (〇*X*Y*Z*)中的坐标是（Xi*，Yi*Zi*)，定位头在工装系统坐标 系a (οχγζ)中对应的坐标是（xi，Yi，zi)，则一定有（xi，Yi，zi) = tx (xi*，Yi*zi*)，定位 的本质上就是把求得的T中的sx、sy、sz转换为伺服电机的转动量，进而得出多点定位误 差。
[0042] 进一步，在S105中，最后确定定位点的步骤具体如下：
[0043] 结合附图2所示，
[0044] S201 :初步计算出薄壁工件表面上要定位/支撑点的所有位置坐标{(X，Y，Z)}，由 于定位点的个数受支撑杆数量的限制，所以点的分布需要综合考虑薄壁件的变形、强度、重 力及待加工部位的受力情况等诸多因素；
[0045] S202:根据所求出的初步位置以及法矢量进而求出与其相切的各立柱定位头球心 {(X*，Y*，Z*)};
[0046] S203 :根据同一齿轮座上所有立柱X轴坐标值相同的特点，对所求的定位球心坐 标进行最小二乘法直线拟合，从而得到新的{(XI*，Υ1*)}坐标；
[0047] S204 :应用最小二乘法拟合得到的{(XI*，Υ1*)}坐标即可反求出立柱前段定位头 球心的坐标位置{(Ζ*)}，即Ζ轴的定位高度计算。
[0048] 采用本发明的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，通过设置的逐点自由度的大 小反映了工件在该处对定位元件的需求程度，然后，基于逐点自由度，提出了自适应的多点 定位方法，在考虑到多点定位误差的同时，自适应地调整柔性工装系统的定位/支撑分布， 保证工艺系统刚度最大化基本上能够解决现有的六点定位原理对于刚度差和跨度大空间 大型曲面薄壁件已不在适用此类工件的加工的问题。
[〇〇49] 利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下， 设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法 包括以下步骤： 步骤一：初始化设置基础定位/支撑分布； 步骤二：分析确定逐点自由度； 步骤三：自适应调整定位/支撑分布； 步骤四：计算多点定位误差； 步骤五：最后确定定位点。
2. 如权利要求1所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，其特征在于，在步骤一 中，进行初始化，设置好基础定位/支撑分布在工件的部位。
3. 如权利要求1所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，其特征在于，根据步骤 一中设置好基础定位/支撑分布，提出大型薄壁件的逐点自由度的定义，进而分析确定逐 点自由度。
4. 如权利要求1所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，其特征在于，在步骤四 中，计算多点定位误差，具体为，预先计算每个接触位置的支反力Ni，j，定位/支撑球半径 为r，其与工件的压接触半径远小于r，同时工件的曲率半径远大于r，工件在接触局部可看 作平面，根据Hertz接触理论，由支反力造成的定位/支撑球与工件接触位置的变形可以表 达将得到的各个接触位置的变形d i，j作为定位约束条件，用有限元法重新计算。
5. 如权利要求1所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，其特征在于，最后确定 定位点的具体分为4个步骤。
6. 如权利要求5所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，其特征在于，第一步：初 步计算出薄壁工件表面上要定位/支撑点的所有位置坐标{(X，Y，Z) }，由于定位点的个数 受支撑杆数量的限制，所以点的分布需要综合考虑薄壁件的变形、强度、重力及待加工部位 的受力情况等诸多因素。
7. 如权利要求5所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，其特征在于，第二步：根 据所求出的初步位置以及法矢量进而求出与其相切的各立柱定位头球心{(X*，Y*，Z*)}。
8. 如权利要求5所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，其特征在于，第三步：根 据同一齿轮座上所有立柱X轴坐标值相同的特点，对所求的定位球心坐标进行最小二乘法 直线拟合，从而得到新的{(XI*，Y1*)}坐标。
9. 如权利要求5所述的一种大型曲面薄壁件的多点定位方法，其特征在于，第四步应 用最小二乘法拟合得到的{(XI*，Y1*)}坐标即可反求出立柱前段定位头球心的坐标位置 {(Z*)}，即Z轴的定位高度计算。
【文档编号】B23Q3/18GK104097098SQ201410319688
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】曹岩, 杜江, 白瑀, 李靖 申请人:西安工业大学