专利名称：多源约束类复杂曲面零件精密加工预处理方法
技术领域：
本发明属于复杂曲面零件精密加工领域，特别涉及多源约束类复杂曲面零件精密 加工预处理方法。
背景技术：
在航空航天、国防军工、能源动力、运载等重大工程中的核心装备中存在许多具有 复杂曲面特征的关键零部件。这些关键零件不但要保证结构、材料、形状和制造精度等要 求，更要高可靠性地满足运动、动力、气动、传热、透波、强度及能量转换等性能指标，零件最 终精确尺寸和加工方式受几何、物理、性能等多源约束的限制，设计加工难度大，对传统的 制造理论与方法提出了新的挑战。目前，复杂曲面零件精密高效加工技术的研究大多针对以最初设计的几何尺寸为 最终加工标准的复杂曲面零件，例如叶片、整体叶轮、螺旋锥齿轮、光学非球面镜等复杂曲 面零件。这类复杂曲面零件加工制造时，根据确定的几何模型，按照空间曲面的数控加工轨 迹，采用多轴联动机床进行加工，然后采用通用仪器(如三坐标测量机等)测量，以检测加 工精度是否满足设计要求。但是，在航天航空、国防军工等领域，还存在着一类具有复杂曲 面特征的零部件，例如火箭燃料贮箱、共底构件、导弹天线罩等。其最终曲面不但受到几何 因素制约，更受到物理和性能等因素的制约，其最终的曲面几何形状不同于原始设计形状， 同一批零件的最终加工曲面不具有一致性。加工制造时，需先进行待加工面或加工基准面 几何参数的测量以及零件物理性能参数的测量，并根据测量结果和性能要求进行形面再设 计，确定最终加工形面及去除量的分布，最后必须采用专用的数字化加工设备实现其精密 加工件。采用传统加工工艺和通用的数控加工装备已经无法满足其精密加工。对这类零件 的加工多采用经验试凑和完全手工的方式，不仅加工效率低，且加工精度难以保证。近年来 国内虽然开始一定的研究，但制造技术水平与国外相比还存在相当大的差距，尚没有形成 一套比较完整的分析、研究、和加工的理论体系传统的机械零件分类方法，例如根据零件 几何结构特征的分类方法、根据零件工艺特征的分类方法，以及根据零件功能的分类方法 等，都不能直观地表达该类复杂曲面零件的典型特征，都不能从面形的制约机理方面合理 地区分该类复杂曲面零件。发明人郭东明等的发明专利名称“导弹天线罩几何精度测量装 置”(ZL99213477. 3)对该类薄壁回转体的几何参数测量方法进行了研究，并发明了专用测 量装置，但以上研究只基于几何因素，没有考虑其他性能要求对精度的影响；卢杰持等发表 于机械工程学报1999年第6期第65-67页的文献“航天大型蜂窝复合材料构件的配合型面 加工技术”所述对大型共底配对构件加工的分析研究中，采用了微分几何学中相伴曲线、曲 面的方法，但这样的相伴要素是以几何因素驱动和定义的，也没有考虑性能、物理等约束的 影响。以上研究都只是针对具体曲面零件进行的，没有形成一套从约束源出发对具有多约 束源特征的曲面零件进行分析研究的系统的方法。
发明内容
本发明要解决的技术难题是针对现有的技术缺陷，以性能为主要制造要求的复杂 曲面零件尚不明确其约束源间的耦合机理、缺少完整系统的分析体系的突出难题，以及对 该类零件的工艺制备，传统的加工制造基础理论已经无法满足的突出难题，从决定曲面最 终面形的性能约束出发，发明了多源约束面形再设计类复杂曲面零件和几何单约束面形类 复杂曲面零件的分类定义方法；运用以零件性能指标为驱动的性能相伴方法找到目标曲面 和以性能指标驱动的相伴曲面之间的映射关系，并且计算求得目标曲面各点各区域的加工 余量分布，最终确定满足性能要求的目标曲面精确面形。本发明采用的技术方案是本发明多源约束类复杂曲面零件精密加工预处理方 法，其特征是，首先对具有复杂曲面特征的零件进行约束源分析，确定零件类型；其次根据 目标曲面最终面形的约束源类型，即几何约束、物理约束及性能约束等，分析其他约束与几 何约束间的耦合作用机理，或者建立约束源之间的耦合关联模型，确定对目标曲面起决定 作用的性能指标；然后以满足该性能指标为目标，找出对目标曲面的面形起决定作用的以 性能指标为驱动的性能相伴曲面，通过对该性能相伴曲面的分析计算，确定通过调整几何 约束以满足性能要求的修磨补偿方法，求得目标曲面各点区域的加工余量分布，最终确定 满足性能指标的目标曲面精确面形；具体预处理方法的步骤如下(1)分析零件的曲面特征，确定零件类型，多源约束面形再设计类复杂曲面零件应 具备如下特征1)零件的尺寸大、精度高、形状复杂、多为薄壁件，可加工性差；2)原始设计的几何尺寸仅仅是在理想状态下确定的，并且几何尺寸不是唯一约 束，还有物理和性能等约束，而且性能要求往往为主要制造要求；3)考虑到零件的个体差异，只能根据实际测量的每个零件的毛坯或半精加工后的 物理性能和几何尺寸，按照零件实际性能与目标性能之间的差异，进行加工曲面再设计，解 算出精加工时的几何参数反调量或去除余量的分布，据此进行零件的最终加工，获得满足 性能要求的零件最终尺寸和形状；4)零件的制造必须经过测量、再设计、精密加工的过程，加工装备呈现测量与加工 一体化的特征；(2)根据零件的约束类型，分析约束间的耦合作用机理，或者建立约束源的耦合关 联模型，确定决定目标曲面最终精确面形的性能约束指标；(3)根据约束间的耦合关系，确定目标曲面和性能相伴曲面间的映射关系f，找出 对目标曲面面形起决定作用的以性能指标为驱动的性能相伴曲面；首先设某具有多源约束特征复杂曲面S的曲面方程为r = r (u, ν)，在曲面S上设 立双参数活动标架，参见附
图1 {r (u, ν) (u, ν), e2 (u, ν), e3 (u, ν)} (1)在曲面S上选择正交坐标网，r(u，ν)为曲面S的向径，u和ν分别为曲面双向参 数，θι和％分别为坐标曲线的单位切向量，取％为曲面S的单位法向量η(此时，保证曲面 第一基本式参数F E0,使参数曲线网正交)；即
权利要求
1.本发明多源约束类复杂曲面零件精密加工预处理方法，其特征是，首先对具有复杂 曲面特征的零件进行约束源分析，确定零件类型；其次根据目标曲面最终面形的约束源类 型，即几何约束、物理约束及性能约束等，分析其他约束与几何约束间的耦合作用机理，或 者建立约束源之间的耦合关联模型，确定对目标曲面起决定作用的性能指标；然后以满足 该性能指标为目标，找出对目标曲面的面形起决定作用的以性能指标为驱动的性能相伴曲 面，通过对该性能相伴曲面的分析计算，确定通过调整几何约束以满足性能要求的修磨补 偿方法，求得目标曲面各点区域的加工余量分布，最终确定满足性能指标的目标曲面精确 面形；具体预处理方法的步骤如下(1)分析零件的曲面特征，确定零件类型，多源约束面形再设计类复杂曲面零件应具备 如下特征1)零件的尺寸大、精度高、形状复杂、多为薄壁件，可加工性差；2)原始设计的几何尺寸仅仅是在理想状态下确定的，并且几何尺寸不是唯一约束，还 有物理和性能等约束，而且性能要求往往为主要制造要求；3)考虑到零件的个体差异，只能根据实际测量的每个零件的毛坯或半精加工后的物理 性能和几何尺寸，按照零件实际性能与目标性能之间的差异，进行加工曲面再设计，解算出 精加工时的几何参数反调量或去除余量的分布，据此进行零件的最终加工，获得满足性能 要求的零件最终尺寸和形状；4)零件的制造必须经过测量、再设计、精密加工的过程，加工装备呈现测量与加工一体 化的特征；(2)根据零件的约束类型，分析约束间的耦合作用机理，或者建立约束源的耦合关联模 型，确定决定目标曲面最终精确面形的性能约束指标；(3)根据约束间的耦合关系，确定目标曲面和性能相伴曲面间的映射关系f，找出对目 标曲面面形起决定作用的以性能指标为驱动的性能相伴曲面；首先设某具有多源约束特征复杂曲面S的曲面方程为r = r (u, ν)，在曲面S上设立双 参数活动标架，参见附图1 {r (u, ν) (u, ν), e2 (u, ν), e3 (u, ν)} (1)在曲面S上选择正交坐标网，r (u，ν)为曲面S的向径，u和ν分别为曲面双向参数，θι 和％分别为坐标曲线的单位切向量，取％为曲面S的单位法向量η (此时，保证曲面第一基 本式参数F E0,使参数曲线网正交)；即
全文摘要
本发明多源约束类复杂曲面零件精密加工预处理方法属于复杂曲面零件精密加工领域，特别涉及多源约束类复杂曲面零件精密加工预处理方法。本发明对复杂曲面零件进行约束源分析，先确定零件类型，根据目标曲面最终面形的约束源类型，分析约束间的耦合作用机理，建立约束源之间的耦合关联模型，以满足性能指标为目标，找出对目标曲面的面形起决定作用的以性能指标为驱动的性能相伴曲面，确定通过调整几何约束以满足性能要求的修磨补偿方法，求得目标曲面各点区域的加工余量分布，最终确定满足性能指标的目标曲面精确面形。本发明提高了该类复杂曲面零件精密加工的效率和精度，使零件同时满足几何要求和性能要求。
文档编号G06F17/50GK102043875SQ20101050213
公开日2011年5月4日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者刘巍, 王永青, 王福吉, 贾振元, 郭东明, 魏伟力 申请人:大连理工大学