6+X定位方法与流程

本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种机械零件的无应力站装夹定位技术，具体地说是一种在加工过程中既保证加工基准又能释放变形的6+X定位方法。

背景技术：

零件加工过程中，为了保证加工基准，通常采用固定装夹方法，使零件在加工过程中保持固定。由于材料去除引起的残余应力重新分布导致零件产生的变形在装夹打开后集中释放，零件最终会产生较大的变形，无法满足零件的精度要求。为了减小加工变形，目前多采用优化装夹布局、调整切削参数等方法，这些方法都是基于固定装夹，很难解决残余应力释放导致的变形。

针对加工导致零件变形的问题，发明专利CN104625785B发明了浮动装夹自适应加工方法与工艺装备，该方法随着零件的加工变形自动调整零件装夹的状态，加工中零件能够充分释放变形，零件卸载后变形量小。浮动装夹自适应加工方法在加工过程中即要保证加工基准又能释放变形，而传统基于固定装夹的定位方法已无法满足该方法的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对传统定位方法不能适用于浮动装夹自适应加工方法的问题，发明了一种既能保证加工基准又能释放变形的6+X定位方法。

本发明的技术方案是：

一种6+X定位方法，其特征是将待加工零件划分为固定装夹区域和浮动装夹区域，固定装夹区域限制零件6个自由度，保证加工基准，浮动装夹区域采用X个浮动定位点辅助支撑零件，浮动定位点在加工过程中根据零件变形不断调整定位位置以充分释放变形。零件的固定装夹区域根据零件中间加工状态质心计算，零件的其余区域为浮动装夹区域。

所述的中间加工状态质心的计算方法为：首先通过分析零件的结构特征和加工特点，对零件进行加工特征分类，并定义各特征加工时的材料去除区域为该特征的加工几何，再根据零件加工工艺参数对加工几何进行分层，以单个特征加工几何的单个加工层为一个加工单元，零件加工过程中每去除一个加工单元，即产生一个新的中间加工状态，计算所有加工单元所对应的中间加工状态下的质心。

中间加工状态几何以表示为毛坯减掉已去除的加工单元：

$PG=SG-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{\mathrm{MG}}_i$

式中PG表示当前中间加工状态几何，SG表示毛坯几何，MG_i为零件的第i个加工单元的几何，k表示当前已去除的加工单元的数目。

零件中间加工状态质心由毛坯的质心和加工单元的质心计算：

$\stackrel{\→}{r_p}=\frac{m_s\stackrel{\→}{r_s}-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{m}_i{\stackrel{\→}{r}}_i}{m_s-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{m}_i}$

式中表示当前中间加工状态质心的位置矢量，m_s表示毛坯质量，为毛坯质心位置矢量,m_i表示第i个加工单元的质量，为第i个加工单元的质心位置矢量，k表示当前已去除的加工单元的数目。

所述的固定装夹区域的计算方法一为：在零件上确定主定位面，在主定位面上优化确定一个三角形包络零件所有中间加工状态质心，且使其面积最小，从而使零件所受的支撑力和重力保持平衡，并减小其对释放变形的影响，优化确定的三角形区域即为固定装夹区域。方法步骤如下：

步骤一：根据零件特征，选择零件的下表面为主定位面。

步骤二：将零件的全部中间加工状态的质心投影到主定位面上。

步骤三：采用优化算法求解三角区域。以包络所有质心投影为约束，并保证三角形三边边长都不小于定位元件所需要的尺寸，以三角区域面积最小为优化目标，求解最优三个顶点坐标，解得的三角区域即为固定装夹区域。

所述的固定装夹区域计算方法二为：首先在零件上确定主定位面，再计算中间加工状态质心集的中心，根据实验法或计算分析法在零件主定位面上确定变形满足一定条件的区域Sur，在区域Sur内找到一个三角区域，使其包络最多的中间加工状态质心，从而使零件所受的支撑力和重力保持平衡，保持零件稳定，再使优化顶点面积最小，从而减小其对释放变形的影响，求解的三角形区域即为固定装夹区域。步骤如下：

步骤一：根据零件特征，选择零件的下表面为主定位面。

步骤二：将零件的全部中间加工状态的质心投影到主定位面上。

步骤三：计算中间加工状态质心集的中心将投影到主定位面上，坐标为O₀。设零件有n个加工单元，则有n个中间加工状态质心，则表示为：

$\stackrel{\→}{r_0}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{p=1}^n{\stackrel{\→}{r}}_p}{n}$

式中为第p个中间加工状态的质心位置矢量。

步骤四：根据实验法或计算分析法得到零件整体变形分布，在零件主定位面上选择相对于O₀变形量小于δ₁的连续区域为Sur。式中δ₁根据零件允许变形量(δ₀)选取，δ₁＝μ*δ₀，其中μ通过经验确定，一般取0.2～0.5。

步骤五：以区域Sur为三角形顶点的约束，以三角区域所包络质心数量为优化目标，采用优化算法求解三角区域所能包络的最大质心数目P。

步骤六：采用优化算法在区域Sur内求解三角形，使其包络P个质心，以三角区面积最小为优化目标，并保证三角形三边边长都不小于定位元件所需要的尺寸，求解最优三个顶点坐标，解得的三角区域即为固定装夹区域。三角区域未包络的质心所对应的中间加工状态不能进行变形释放。

所述的“X个浮动定位点”，其中“X”的值根据实际加工需求以及零件刚度进行选取，以保证零件加工的稳定性。其中浮动定位点根据零件变形调整定位位置。

本发明的有益效果是：

本发明实现了零件的准确定位，有效减少了加工变形，保证了零件的加工精度。

附图说明

图1为6+X定位方法示意图。图中：1.1为零件固定装夹区，1.2为浮动装夹区域，1.3为浮动定位点，1.4为零件中间加工状态质心，1.5为固定定位点。

图2为发明示例零件及特征加工几何示意图。

图3为中间加工状态质心求解示意图。

图4为示例零件按层优先加工时加工单元分布图。

图5为示例零件按深度优先加工时加工单元分布图。

图6为示例零件按层优先加工时固定装夹分区示意图。图中：6.1为浮动装夹区域，6.2为固定装夹区域，6.3为零件中间加工状态质心，6.4为零件主定位面。

图7为示例零件按深度优先加工时固定装夹分区示意图。图中：7.1为浮动装夹区域，7.2为固定装夹区域，7.3为零件中间加工状态质心，7.4为区域Sur，7.5为零件主定位面。

具体实施方式

下面结合附图和示例零件对本发明作进一步说明：

一种机械零件加工过程中的6+X装夹定位方法，如附图1，将待加工零件划分为固定装夹区域1.1和浮动装夹区域1.2，固定装夹区域1.1限制零件6个自由度，保证加工基准，浮动装夹区域1.2采用X个浮动定位点1.3辅助支撑零件，浮动定位点1.3在加工过程中根据零件变形不断调整定位位置以充分释放变形。零件的固定装夹区域1.1根据零件中间加工状态质心1.4计算，零件的其余区域为浮动装夹区域1.2。具体步骤如下：

步骤1：划分加工单元。附图2为示例零件，根据零件结构特征对其进行特征识别，零件共有6个槽特征，编号为P1、P2、P3、P4、P5、P6。槽特征的加工几何为立方体，如图MG₂和MG₅分别为槽P2和P5的加工几何。P1～P6槽深均为d＝15mm，加工时切深为5mm，则按照单个特征的单个加工层区分加工单元，每个槽有3个加工单元，整个零件共有18个加工单元。

步骤2：求解中间加工状态质心。零件中间加工状态质心由毛坯的质心和加工单元的质心计算：

$\stackrel{\→}{r_p}=\frac{m_s\stackrel{\→}{r_s}-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{m}_i{\stackrel{\→}{r}}_i}{m_s-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{m}_i}$

式中表示当前中间加工状态质心的位置矢量，m_s表示毛坯质量，为毛坯质心位置矢量,m_i表示第i个加工单元的质量，为第i个加工单元的质心位置矢量，k表示当前已去除的加工单元的数目。

如附图3所示的零件的中间加工状态，已去除两个加工单元U1和U2，建立坐标系O_xyz。U1和U2均为立方体，质心为几何中心，U1和U2质心位置矢量和为质心相对坐标原点O的矢量，U1和U2的质量m₁和m₂通过体积和密度求取。毛坯为立方体，质量m_s和质心位置矢量通过毛坯尺寸求取。则附图3所示的零件的中间加工状态的质心位置表示为：

${\stackrel{\→}{r}}_2=\frac{m_s\stackrel{\→}{r_s}-m_1{\stackrel{\→}{r}}_1-m_2{\stackrel{\→}{r}}_2}{m_s-m_1-m_2}$

类似地，求出零件所有中间加工状态的质心。零件的加工工艺不同，则中间加工状态也不同，对于示例零件采用层优先和深度优先两种工艺方案，层优先工艺方案的加工单元U1～U18见附图4，质心位置计算结果如下表。

深度优先工艺方案的加工单元U1～U18见附图5。质心位置计算结果如下表。

步骤3：求取固定装夹区域

步骤2所述的两种工艺方案质心分布不一样，采取的工艺也不一样。对于层优先工艺方案，质心分布较集中，采取下述方法一求取固定装夹区域。对于深度优先工艺方案，质心分布相对分散，采取方法二求取固定装夹区域。

方法一：如附图6，采用层优先工艺方案。

选取零件下表面为主定位面6.4)，将零件所有中间加工状态投影到主定位面上，令投影点为(O₁～O₁₈)。为使零件所受的支撑力和重力保持平衡，保持零件稳定，使用遗传算法求解三角区域，使其包络所有质心，且面积最小。

由于主定位面位于XY平面，三角区域T_ABC三个顶点可用二维坐标表示，设坐标分别为A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)，三角区域位置函数u可表示为：

u＝(x1,y1,x2,y2,x3,y3)

设三角区域面积为S_ABC遗传算法适应度函数为:

f(u)＝Min(S_ABC)

约束条件1为三角区域包络所有中间加工状态质心投影：

O₁～O₁₈∈T_ABC

三角区三边长l₁、l₂、l₃不小于设置定位元件所需要的尺寸，示例零件固定装夹区定位元件直径为30mm，约束条件2为：

l₁、l₂、l₃≥30

本遗传算法初始种群数为100，在迭代过程中，当种群中的个体不满足约束条件时，则通过变异生成后代作为种群中的新个体。

通过上述遗传算法可求解三角区域T_ABC即为零件的固定装夹区域6.2。

解得u＝(177.5,35,195.654,50,177.5,65)

方法二：如附图7，采用深度优先工艺方案。

1、如附图7所示，选取零件下表面为主定位面7.5，将零件的所有中间加工状态质心投影到主定位面上，则质心投影表示为(O₁～O₁₈)。

2、计算零件中间加工状态质心集的中心示例零件有18个加工单元，则有18个中间加工状态质心，则表示为：

$\stackrel{\→}{r_0}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{p=1}^{18}{\stackrel{\→}{r}}_p}{18}$

式中为第P个中间加工状态的质心位置矢量。

通过计算

中间加工状态质心集中心在主定位面上的投影坐标为O₀(203.8，50)。

3、求取区域Sur。根据有限元计算求得零件整体变形分布，在零件主定位面上选择相对O₀变形量小于δ₁的连续区域为Sur。式中δ₁根据零件允许变形量(δ₀)选取，δ₁＝μ*δ₀，其中μ通过经验确定，一般取0.2～0.5。

示例零件允许变形量δ₀＝0.05mm，取μ＝0.3，δ₁＝0.3*0.05＝0.015mm。根据有限元计算求得主定位面上相对与O₀点变形量小于0.015mm的连续区域，即为区域Sur7.4。

4、在区域Sur中求解三角区域所能包络的最大质心数量P_max。由于主定位面位于XY平面，三角区域T_ABC三个顶点可用二维坐标表示，设坐标分别为A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)，三角区域位置函数u可表示为：

u＝(x1,y1,x2,y2,x3,y3)

设P为三角区域T_ABC所包络质心的数量，遗传算法适应度函数为:

f(u)＝Max(P)

在迭代过程中，当种群中的个体不满足约束条件时，则通过变异生成后代作为种群中的新个体。通过上述算法可求解示例零件三角区域所能包络的最大质心数量P_max＝16。

5、上一步中求得的T_ABC为多解，再次通过遗传算法求解包络P_max个质心且面积最小的解。三角区域位置函数u可表示为：

u＝(x1,y1,x2,y2,x3,y3)

设三角区域面积为S_ABC遗传算法适应度函数为:

f(u)＝Min(S_ABC)

设P为三角区域T_ABC所包络质心的数量，约束条件为

P＝16

三角区三边长l₁、l₂、l₃不小于设置定位元件所需要的尺寸，示例零件固定装夹区定位元件直径为30mm，约束条件2为：

l₁、l₂、l₃≥30

本遗传算法初始种群数为100，在迭代过程中，当种群中的个体不满足约束条件时，则通过变异生成后代作为种群中的新个体。

通过上述遗传算法可求解三角区域T_A即为零件固定装夹区域。

解得u＝(177.5,35,216.623,50,177.5,65)

零件未被T_ABC包络的质心为O₁₁和O₁₂，这两个质心所对应的中间加工状态不进行变形释放。

步骤4：求取浮动装夹区域

零件上固定装夹区域之外的区域即为浮动装夹区域。

步骤5：固定装夹区域定位。固定装夹区域定位方式依据实际情况确定，如附图1所示，示例零件在三角区域三个定点为固定定位点1.5，分别选用圆形销、菱形销和点接触进行定位，限制零件六个自由度。

步骤6：浮动装夹区域定位。浮动装夹区域内根据实际加工需求以及零件刚度选取X个浮动定位点，以保证零件加工的稳定性。其中浮动定位点根据零件变形调整定位位置。如附图1所示，示例零件选取了8个浮动定位点1.3。

本发明未涉及部分与现有技术相同采用现有技术加以实现。