一种基于双基准约束的精加工配准方法与流程

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种基于双基准约束的精加工配准方法。

背景技术：

在航空制造领域内，大量的零件之间存在着要求较高的装配关系。对于这类零件来说，其安装平面与安装孔(或安装轴)的位置极其重要，其他的几何特征需要首先保证相对于安装平面与安装孔(或安装轴)的位置关系。这类零件的安装平面通常与安装孔(或安装轴)垂直，并且在关键型面的精加工之前已经完成了制备，且待精加工的面仅具有少量的加工余量。例如在航空发动机的整体叶盘的叶片精加工工序中，叶盘辐板上已制备了基准平面与垂直于基准平面的基准孔，但待加工的叶片上仍然保留着少量的加工余量。为了保证整体叶盘数控加工后叶片的位置度,必须在叶盘叶片的自适应铣削中首先保持加工叶片相对于平面基准与圆柱面基准的位置关系，然后通过调整每片叶片的理论位置使得叶片具有较好的余量分布。

针对这种基准面与基准孔(或基准轴)已制备的零件，在采用基于检测点的配准技术来实现零件的自适应定位的过程中，不能仅仅依靠待加工面的检测点与其理论曲面之间的距离最小进行配准。这会造成待加工面与毛坯之间虽然能够匹配，但是精加工后的面丧失了相对于圆柱面基准的位置关系。

因此在配准过程中，必须首先将设计模型上的基准平面与毛坯上的基准平面进行统一，将设计模型上的基准孔(或基准轴)与毛坯上的基准孔(或基准轴)的位置进行统一。然后在保证平面基准与圆柱面基准不动的前提下进行待加工面的配准，从而实现能够保证基准平面与基准孔(或基准轴)位置的自适应定位。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种基于双基准约束的精加工配准方法，能够保证零件与平面理论基准、圆柱面理论基准相对的位置关系，保证待加工面相对于平面基准与圆柱面基准的位置精度，从而保证零件与其他部件的配合；能够提高零件在配准过程中的计算效率，降低配准过程所需时间，提高加工精度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双基准约束的精加工配准方法，包括以下步骤：

s1：将待加工的零件固定后，根据零件的待加工面确定两个参考部，所述参考部为平面和圆柱面，根据平面和圆柱面分别得到平面理论基准和圆柱面理论基准；

s2：对零件的待加工面、平面和圆柱面分别进行检测，分别得到待加工面检测点、平面检测点和圆柱面检测点；

s3：通过对两组平面检测点和圆柱面检测点进行分别拟合得到平面拟合基准和圆柱面拟合基准，所述平面拟合基准和圆柱面拟合基准相互垂直，通过平面拟合基准/圆柱面拟合基准向平面理论基准/圆柱面理论基准运动，得到第一平移矢量t1和第一旋转矩阵r1，再根据第一平移矢量t1和第一旋转矩阵r1将待加工面检测点进行变换；

s4：根据平面理论基准和圆柱面理论基准约束建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立配准模型，通过局部坐标系约束运动的自由度，并通过余量约束控制待加工面的加工余量，并求解配准模型；

s5：将局部坐标系中的配准结果转换至全局坐标系中，并输出最终结果。

进一步改进的，步骤s5中，将局部坐标系导入全局坐标系后得到第二旋转矩阵r2和第二平移矢量t2，输出结果为：r1r2，(t1+t2)。

进一步改进的，步骤s4中，所述局部坐标系的原点设在圆柱面中心轴与平面的交点处，所述局部坐标系的z轴设在圆柱面的中心轴上。

进一步改进的，步骤s4中，根据圆柱面理论基准和平面理论基准建立局部坐标系，根据圆柱面理论基准和平面理论基准对局部坐标系下配准过程中使用的变换矩阵的自由度进行约束，使得变换过程中零件仅能够绕局部坐标系的一个轴进行转动，然后在局部坐标系下建立基于约束的配准模型。

进一步改进的，步骤s4中，建立局部坐标系，然后在局部坐标系下建立带有加工余量约束、圆柱面理论基准和平面理论基准约束的配准模型，在局部坐标系中通过控制配准模型中的变量个数来控制运动自由度，使得配准过程中不发生基准面的偏离。

进一步改进的，步骤s1中，将待加工的零件固定在数控机床上；步骤s2中，通过数控机床对零件的待加工面、平面和圆柱面分别进行检测，分别得到待加工面检测点、平面检测点和圆柱面检测点。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明通过平面拟合基准/圆柱面拟合基准向平面理论基准/圆柱面理论基准运动，得到第一平移矢量t1和第一旋转矩阵r1，再根据第一旋转矩阵r1和第一平移矢量t1将待加工面检测点进行变换。对于变换后的待加工面检测点，根据平面理论基准和圆柱面理论基准建立相应的运动约束，即通过平面理论基准和圆柱面理论基准约束零件在配准过程中的运动自由度，从而保证了配准后零件待加工面相对于平面理论基准和圆柱面理论基准的位置关系，从而保证零件与其他部件的配合。本发明所述配准方法能够减少零件在计算过程中所需要的时间，提高加工后零件的位置精度。

附图说明

图1为待加工零件的结构示意图；

图2为具有待加工面检测点和两组基准检测点的待加工零件的示意图；

图3为建立拟合基准的示意图；

图4为建立局部坐标系和全局坐标系时零件的示意图；

图5为在局部坐标系下建立配准模型的示意图；

图6为输出结果的过程示意图。

图中：1、待加工面；2、圆柱面理论基准；3、平面理论基准；4、待加工面检测点；5、圆柱面检测点；6、平面检测点；7、局部坐标系；8、全局坐标系；10、配准后的待加工面理论点和待加工面检测点；11、配准后的平面基准理论点和平面检测点；12、配准后的圆柱面基准理论点和圆柱面检测点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例公开的是一种基于双基准约束的精加工配准方法，可用于已具有圆柱面基准与平面基准的零件的精加工工序，例如航空发动机整体叶盘的叶片的某一部分已完成加工，叶片的另一部分需要自适应精加工的工序中。该类零件在关键特征的精加工前已制备有相关的平面基准与圆柱面基准，且平面基准的法矢与圆柱面基准的中轴重合，因而在此基础上需要进行同时带有平面约束与圆柱面约束的配准。相关的基准将在检测或后续的装配过程中起到重要的定位作用。本方法通过在配准模型中增加基准约束条件，建立在基准平面约束、基准圆柱面约束与余量约束下的配准模型，可首先保证自适应待加工面1相对于平面基准与圆柱面基准的位置关系，并在此基础上对自适应待加工面1的位置进行调整，从而保证自适应待加工面1不仅具有相对于两个基准的位置关系，而且具有较为均匀的余量分布。

目前使用的自适应加工技术是：基于在线测量技术，通过使用配准算法求解出具有较好加工状态的零件模型的位置与姿态。该零件模型的实际姿态通过求解出的旋转矩阵进行表示，零件模型的实际位置通过求解出的平移矢量进行表示。目前使用的主要配准算法有icp算法、rpm算法、kc算法、gmm算法以及多种基于icp算法的改进方法和针对工程应用领域的具体问题的多种改进方法等。然而，目前的自适应加工技术的基本思路是：首先在预定的全局坐标系8下进行待加工面1的在线测量，然后通过配准模型求解相对于全局坐标系8的工件模型的旋转矩阵与平移矢量，最后将旋转矩阵与平移矢量变换为机床坐标系的命令。目前使用的配准方法在相关问题的处理过程中只关注于待加工面1的测量结果相对于理论结果的偏差，并不考虑待加工面1相对于某些基准面的位置关系。

目前的自适应加工方法在加工一般零件时具有较好的应用结果，但是对于已制备有平面基准与圆柱面基准的零件的自适应加工问题，则存在着较大的缺陷。若待加工面1与平面基准和圆柱面基准之间具有一定的位置要求，则必须首先保证该待加工面1相对于两个基准的位置关系，从而保证整个加工与检测工序、装配工序的基准一致，保证加工零件相关位置尺寸的合格，这对于具有相对位置度要求的零件来说具有重要的意义。

例如对于整体叶盘的叶片精加工工序来说，如果仅通过叶片表面的检测点在无约束的状态下向叶片模型上进行配准，那么配准后的叶片将与理论叶片之间产生一定的偏离，在这种偏离模型下加工出的叶片在测量工序中却仍然需要使用原始的基准面与基准孔作为基准进行检测，尤其是各个截面线的位置度的检测，这将造成检测出的零件位置度出现较大偏差，从而影响零件整体的动平衡与寿命，影响零件与整机的最终交付。

因此，本实施例提出一种基于双基准约束的精加工配准方法，在平面拟合基准与圆柱面拟合基准的基础上首先建立零件安装在机床工作台后的零件实际基准平面与基准孔的位置，将配准方法改进为基于平面基准与圆柱面基准约束的配准方法，并结合待加工面1上的余量约束，建立用于双约束条件下的自适应加工专用的配准方法，以实现在优先保证加工面的配准结果相对于平面基准与圆柱面基准位置精度的基础上进行的带余量的配准。目前，国内外尚不存在相关的配准方法，因而制约了配准技术在数字化制造领域内的合理应用，限制了自适应加工技术的发展。

本实施例是一种基于双基准约束的精加工配准方法，可用于已制备有平面基准与圆柱面基准的零件的精加工工序，例如航空发动机电解式整体叶盘的叶片精加工工序中。该类零件在关键特征的精加工前已制备有相关的平面基准与圆柱面基准，且平面基准的法矢与圆柱面基准的中轴重合，因而在此基础上需要进行同时带有平面基准与圆柱面基准约束的配准。相关的基准将在检测或后续的装配过程中起到重要的定位作用。本方法通过在配准模型中增加基准约束条件，建立在平面基准与圆柱面基准约束与余量约束下的配准模型，可首先保证自适应待加工面1相对于平面基准与圆柱面基准的位置关系，并在此基础上对自适应待加工面1的位置进行调整，从而保证自适应待加工面1具有较为均匀的余量分布或均匀过渡的余量分布。

本实施例提供了一种基于双基准约束的精加工配准方法，用于实现合理的零件姿态的调整。该平面拟合基准与圆柱面拟合基准相互垂直，且待加工面1相对于平面拟合基准与圆柱面拟合基准具有位置度要求。在保证加工后零件的型面相对于平面基准与圆柱面基准的相对位置关系的基础上，进行零件姿态的调整，从而控制精加工时的待加工面1上的余量分布。本实施例优先保证待加工型面相对于平面拟合基准与圆柱面拟合基准之间的相对位置关系，在此基础上确定零件的理论位置与姿态，从而实现加工余量的均匀分布或均匀过渡。

首先将零件安装于数控机床的工作台上进行初定位，使用机床的测头在线测量工件基准平面与基准圆柱面上的检测点与待加工面1上的检测点；然后通过拟合的方法拟合基准平面与基准圆柱面，将拟合基准面移动至理论基准面，同时带动待加工面1上的检测点进行相同运动

请参照图1至图6，一种基于双基准约束的精加工配准方法，包括以下步骤：

s1：将待加工的零件固定后，根据零件的待加工面1确定两个参考部，所述参考部为平面和圆柱面，根据平面和圆柱面分别得到平面理论基准3和圆柱面理论基准2；优选的，将待加工的零件固定在数控机床上；

s2：通过数控机床对零件的待加工面1、平面和圆柱面分别进行检测，分别得到待加工面检测点4、平面检测点6和圆柱面检测点5；

s3：通过对两组平面检测点6和圆柱面检测点5进行拟合得到平面拟合基准和圆柱面拟合基准，所述平面拟合基准和圆柱面拟合基准相互垂直，通过平面拟合基准/圆柱面拟合基准向平面理论基准3/圆柱面理论基准2运动，得到第一平移矢量t1和第一旋转矩阵r1，再根据第一平移矢量t1和第一旋转矩阵r1将待加工面检测点4进行变换；在步骤s3中，保证平面拟合基准的法矢方向与圆柱面拟合基准的中心轴方向重合；具体的，两组基准检测点分别为圆柱面检测点5和平面检测点6。为了保证平面拟合基准与圆柱面拟合基准之间的关系，可首先建立平面拟合基准，求出平面拟合基准的法矢方向，然后再基于此法矢方向构建圆柱面拟合基准，从而保证平面拟合基准与圆柱面拟合基准之间具有准确的垂直关系。

将平面拟合基准的法矢方向作为圆柱面拟合基准的中心轴方向来构建圆柱面拟合基准，则得到具有相互垂直关系的一组平面拟合基准与圆柱面拟合基准，再将其整体向平面理论基准3与圆柱面理论基准2运动，得到第一旋转矩阵r1和第一平移矢量t1。

s4：建立基于平面理论基准3约束与圆柱面理论基准2约束的配准模型，通过约束配准过程的自由度来保证圆柱面拟合基准与圆柱面理论基准2重合，平面拟合基准与平面理论基准3重合。建立局部坐标系7，然后在局部坐标系7下建立配准模型；，通过控制配准模型中的运动自由度来控制变换过程沿两个理论基准进行运动。配准就是通过对检测点和理论模型的比较，将真实模型向理论模型旋转、平移的过程，使得最终的真实模型与理论模型之间满足一定的位置关系。配准模型是在检测点到配准曲面距离求解的基础上建立的优化模型，其基本的形式如下所示，式中的di为第i个检测点到理论面的最近距离，为第i个检测点到理论面的余量，εi为第i个点对应的余量下限值。

由于检测点在局部坐标系7下进行配准，为了满足平面理论基准3与圆柱面理论基准2对待加工面检测点4的运动约束，可通过限制旋转矩阵rl2的变量来限制局部坐标系7下的旋转自由度。由于旋转矩阵rl2是在局部坐标系7下进行的求解，因而必须将其转换至全局坐标系8中，即转换为全局坐标系8下的第二旋转矩阵r2与第二平移矢量t2。在局部坐标系7下的配准是带着两个基准约束的配准。优选的，所述局部坐标系7的原点设在圆柱面中心轴与平面的交点处，所述局部坐标系7的z轴设在圆柱面的中心轴上；进一步优选的，根据圆柱面理论基准2和平面理论基准3建立局部坐标系7。基于圆柱面理论基准2和平面理论基准3建立配准运动模型，控制待加工面检测点4在圆柱面理论基准2和平面理论基准3的约束下进行运动，该运动仅包含一个绕圆柱面理论基准2的中心轴的转动(即局部坐标系7下某一个坐标轴的转动)，因而不会造成平面拟合基准和平面理论基准3之间、圆柱面拟合基准和圆柱面理论基准2之间的偏差，进而保证了相关的位置度；在此基础上建立基于余量约束的配准模型，并通过求解配准模型得到相应的运动变换关系，求解局部坐标系7下的旋转矩阵rl2。

再进一步优选的，建立局部坐标系7，然后在局部坐标系7下建立带有加工余量约束、圆柱面理论基准2和平面理论基准3的配准模型，在局部坐标系7中通过控制配准模型中的变量个数来控制运动自由度，使得配准过程中不发生基准面的偏离。

s5：求解局部坐标系7下的配准结果并将局部坐标系7下计算的旋转矩阵rl2转换至全局坐标系8中并输出结果。优选的，将局部坐标系7导入全局坐标系8后得到第二旋转矩阵r2和第二平移矢量t2，最终的输出最终结果为：r1r2，(t1+t2)。

请参照图6，第一旋转矩阵r1与第二旋转矩阵r2是全局坐标系(owxwywzw)下的变换矩阵，矩阵为3x3的矩阵，第一平移矩阵t1与第二平移矩阵t2是全局坐标系(owxwywzw)下的平移矢量，矢量为3x1的矢量，olxlylzl为局部坐标系7，otxtytzt为理论坐标系。首先通过平面基准的检测点拟合平面基准面，令平面拟合基准的法矢方向为圆柱面拟合基准的中心轴方向的条件下拟合圆柱面，并建立坐标系o1x1y1z1；其次通过r1与t1将z1轴变换至zt轴，o1点变换至ot点；再次建立局部坐标系olxlylzl，在局部坐标系7内通过绕zl轴的旋转待加工面检测点4向待加工面1的理论模型进行配准，配准模型中对每个点通过方程进行余量约束，通过优化方法(可选罚函数等方法)解得局部坐标系7下的旋转矩阵rl2；然后将局部坐标系7下的旋转矩阵rl2转换至全局坐标系(owxwywzw)下，得到第二旋转矩阵r2与第二平移矩阵t2；最后输出最终的旋转矩阵r＝r1r2，t＝(t1+t2)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。