加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大型结构件自适应加工方法，在自适应装夹装置的基础上，实时 监测变形，监测触发特征加工顺序调整以及在机检测，属于CAM/CNC技术领域，具体地说是 一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法。
【背景技术】
[0002] 随着飞机制造业以及数控技术的发展，整体结构件因其重量轻，结构效率高，可靠 性好等优点被广泛应有于航空航天领域。但由于航空结构件的大型化和薄壁化，导致零件 在加工过程因受各种因素的影响，加工结束后往往产生弯曲，翘曲或弯扭组合等变形，其中 夹紧力是影响工件变形的重要因素。
[0003] 在零件加工过程中随着材料的去除，零件会发生塑性变形，同时在已加工表面产 生残余应力，但由于传统的装夹模式为固定装夹，零件在加工过程中固定不动，无法释放内 部应力，待加工结束去除装夹约束后，零件会发生回弹产生变形，且变形情况难以预测。为 了满足零件的尺寸外形和精度要求，又需采用多次装夹的方式对变形后的零件进行修正， 过程繁复，严重影响了加工效率。
[0004] 而针对结构件加工过程中的变形控制问题，现在多采用的有限元模拟仿真的方式 预测零件加工变形的基本趋势，然后通过优化装夹方式，提高切削速度等方法在一定程度 上控制或减缓零件的变形。但这些方法都是在初始毛坯的基础上利用模拟仿真的方法。而 实际加工过程中，由于残余应力、热应力等因素的随机性，机理复杂，其引起的变形难以事 前准确预测，将会造成各种误差，进一步的加工会导致零件的欠切或过切。导致实际中间过 程难以控制，严重者会造成零件的报废。
[0005] 为了解决上述问题，本发明在低应力装夹模式的基础上，根据零件加工过程中实 际的变形量进行加工策略的调整。本发明最大特点是将基于残余应力等不确定性因素的变 形预测难题转化为基于在线监测以及在机检测等确定性因素的问题求解。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有的飞机大型结构件加工过程中易变形，且变形量难以控 制，造成尺寸误差，形状误差和位置误差，导致进一步的加工可能出现过切或欠切，严重者 造成零件的报废等问题，发明一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工 方法，该方法使用自适应装夹装置，在加工过程中根据集成在装夹装置上的位移传感器的 监测量自适应调整装夹释放加工过程中的残余应力，从而减小工件变形。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] -种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，其特征在于包 括以下步骤：
[0009] 步骤1 :装夹布置。根据零件的具体形状，选择零件靠近几何中心的边缘位置或者 变形较小的位置为半固定装夹点，一般情况下固定不动，可看作固定装夹点。只有在进行加 工基准调整时才恢复为自适应调整装夹。其余装夹点均为自适应装夹。
[0010] 步骤2 :在工件加工过程中每完成一个工步，即一把刀具的加工完成后，则打开自 适应装夹装置的运动开关，使装夹能够通过变形释放残余应力，进而保证工件处于低应力 状态；步骤3:装夹装置与位移传感器集成，当装夹装置的运动开关打开后，位移传感器监 测工件在每一个装夹位置的变形量；
[0011] 步骤4:根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测；
[0012] 步骤5 :根据在机检测结果进行刀轨策略的调整。
[0013] 所述根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测的原则 是：
[0014] (1)通过集成在装夹装置上的位移传感器，实时监测位移变形量，判定所在 范围，如果变形量小于零件一次切削加工允许的最大加工余量3_与单面允许变形量《a， 即：
[0015] ? a&Wi^amax
[0016] 其中wa=rft下-a-
[0017] 单面允许变形量是指工件变形后毛坯仍然能够在原加工基准下将理论最终状态 包络，其中^为尺寸公差的下偏差，amin为零件精加工时下表面所需的最小加工余量，amax 为工件一次切削加工允许的最大加工余量。
[0018] 表明变形在允许范围内，继续进行零件加工，但需要对特征的加工顺序进行调整 以减小进一步加工的变形量；
[0019] (2)如果小于单面允许变形量《 a但大于零件一次切削加工允许的最大加工 余量amax，即：
[0020] r!+tTamax
[0021] 表明零件的变形仍在可控范围内，但加工余量已不满足加工要求，需要触发在机 检测，根据检测点的实际变形量，调整走刀策略，再进行零件的后续加工；
[0022] (3)当零件位移变形量％超过单面允许变形量wa但小于双面允许变形量《s 时，即：
[0023] r!+tT -amin&Wi^ ?s
[0024] 双面允许变形量是指超过该值之后不能通过调整基准使毛坯将工件的最终理论 状态包络，考虑到零件的精加工余量要求及外形尺寸公差等指标，的计算公式为：
[0025] ?s=r托+t下u-'
[0026] 其中'为零件精加工时上表面所需的最小加工余量。
[0027] 此情况表明零件变形量已超过允许变形量，需要对加工基准进行调整，再继续加 工；(4)当位移变形量％超过危险变形量《 3时，即：
[0028] r托+t下u-'
[0029] 表明零件变形量已达到警戒值，已不能通过调整加工策略或基准来保证零件的合 格率，需采取特殊手段才能进一步加工。
[0030] 所述特征加工顺序调整方法为：
[0031] 步骤1 :沿径向对零件所有槽特征进行分层，靠近装夹点的零件最外侧槽特征为 径向第一层特征，依次向里偏置一个特征，所得到的特征为径向第二层特征，如此直到所有 特征都被分层；
[0032] 步骤2:根据各监测点的位移变形量，确定变形量最大的装夹点，首先加工距离该 装夹点最近的特征；
[0033] 步骤3 :在加工完当前特征后，寻求距离当前特征最远的特征，按对角加工的原则 对当前特征的对角特征进行加工；
[0034] 步骤4 :为了确定当前特征的对角特征，首先需要确定每个特征的中心点，如槽特 征腹板面的中心点，然后测算当前特征的中心点与其余特征中心点的距离，距离最远的即 可视为当前特征的对角特征。
[0035] 所述在机检测的检测点规划方法为：对零件进行特征识别，获取零件的腹板面、侧 面和轮廓面，每3000mm2的区域内分布一个检测点。
[0036] 所述根据在机检测结果进行刀轨策略调整的方法为：在零件变形量超过零件一次 切削加工允许的最大加工余量&_后，停机检测，获取每个检测点的厚度，进而求出加工余 量，根据各点的加工余量对走刀策略进行调整，先切削加工余量较大的地方，待各处的加工 余量相对均匀后，再按对角加工的原则对零件继续切削。
[0037] 所述根据在机检测结果进行加工基准调整的方法为：根据在机检测结果进行加工 基准调整的方法为：首先确定检测点Pi到其相应特征Fj最终理论状态的距离d(PpFp，其 中检测点Pi是根据零件加工过程中的中间状态选定的，而相应特征是指零件中间状态对应 的理想最终状态的特征；如果？ 1在的外法线方向，则距离为正，反之距离为负值；计算所有 检测点到其相应特征最终理论状态的距离的均方差，记为S;利用遗传算法，对所有检测点 进行统一的坐标变换，在保证d(Pi，Fj)不小于零件加工最小余量的情况下，求解出S最小值 时对应的变换矩阵；根据变换矩阵对自适应装夹装置进行调整，改变工件的加工基准，使零 件的最终状态在满足加工余量的要求下被包络于工件中间加工状态的材料实体内。
[0038] 所述的加工基准调整方法，也可在计算出变换矩阵后，将机床的坐标系按照变换 矩阵进行变换，然后进行加工。
[0039] 本发明的有益效果是：
[0040]本发明通过使用自适应装夹装置和相应的调整策略，在加工过程中根据集成在装 夹装置上的位移传感器的监测量自适应调整装夹释放加工过程中的残余应力，能明显减小 工件变形，提高加工精度和质量。
[0041] 本发明将基于残余应力等不确定性因素的变形预测难题转化为基于在线监测以 及在机检测等确定性因素的问题求解，能从根本上保证了零件最终加工质量。
【附图说明】
[0042] 图1为本发名加工-监测-检测-装夹集成的自适应加工流程示意图。
[0043] 图2为本发明实施例的飞机结构件。
[0044]图3为典型飞机结构件在传统装夹模式下毛坯剖视示意图，黑色实线所组成的区 域为零件毛坯，黑色虚线组成的凹槽状矩形区域为零件最终理论状态，两侧为装夹装置，下 方黑色虚线为加工基准面。
[0045]图4为传统加工模式下零件加工过程示意图。
[0046] 图5为传统加工模式下除去装夹力后的零件变形示意图。
[0047] 图6为本发明的典型飞机结构件低应力加工模式下毛坯剖视示意图，两侧及底部 夹具为低应力夹具示意图。
[0048] 图7为本发明的低应力加工模式下零件加工过程示意图。
[0049] 图8为本发明的低应力加工模式下走刀策略调整示意图。
[0050] 图9为本发明的低应力加工模式下加工基准调整示意图。
[0051] 图10为本发明的低应力装夹装置示意图，图中：10. 1为安装基座、10. 7为位移传 感器、10. 9为零件连接装置、10. 10为力传感器、10. 16为运动机构。
[0052] 图11为本发明的典型易变形零件的装夹布局图。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0054] 附图2为典型飞机大型结构件槽特征示意图，详述如下。
[0055] -种基于低应力装夹的加工策略调整方式包括以下步骤（如图1所示）：
[0056] 步骤1，输入零件模型，对其进行特征识别，共识别出19个槽特征。将这些槽特征 依次进行编号七、^^……P19。
[0057] 步骤2 :对零件进行特征识别，获取零件的腹板面、侧面和轮廓面，每3000mm2的区 域内分布一个检测点。确定这些检测点与各个特征的关联关系，即确定每个检测点隶属的 具体特征，或者每个特征包含的检测点的数目，Pi=(mpi