CN112817271A - 基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，包括工件的初步装夹、特征配准的自由度选择、特征的在机测量、特征位置误差矩阵计算、余量分配结果校验和刀路补偿。本发明的有益效果：本发明针对铸造机匣外表面的管接头和凸台等特征在铣削加工时易出现余量不均匀的现象提出了一种利用在机测量数据进行特征位置配准的余量优化方法。该方法可以最大程度的发挥五轴数控机床的自动化功能，减少工件装夹过程中人工介入和干预的频率，在保证铸造机匣毛坯加工余量均匀化的前提下，也提高了机匣整体的加工效率。

Description

基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法

技术领域

本发明涉及属于数控铣削加工中的铸造机匣毛坯余量均匀化处理技术领域，具体涉及一种基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法。

背景技术

近年来，随着航空领域制造技术的发展，航空发动机的性能及设计结构在不断的改进和提高，新一代高性能发动机大量采用了复杂整体薄壁结构的零件，显著提高了发动机的推重比。目前我国的航发动机的机匣类零件多数为精铸毛坯，其加工特性是空间内特征要素复杂，精度要求较高。因此，这也导致机匣零件的制造成形难度越来越大，其中对于铸造机匣而言，由于其铸造过程中的热变形等原因导致的铸造误差往往超过1mm，这使得在后续对其表面的凸台、管接头等特征进行铣削加工时，往往会存在加工余量分配不均匀等问题，目前主要采用人工划线找正的方式进行特征的位置找正和余量优化，铸造机匣表面结构如图1所示。

铸造机匣的毛坯为整体精铸成型，铸造精度难以控制，毛坯状态不一致，部分毛坯表面的管接头、凸台等特征的位置度与理论位置有较大偏差，进而采用传统点位铣削加工会导致管接口壁厚偏薄，严重情况会存在孔壁穿透，传统加工中，常采用的方法为人工调整加工偏差，该方法人工干预度大，不仅没有将机床自动化功能充分发挥出来，同时影响了零件加工效率和设备利用率，甚至可能因过度人为参与而发生低层次质量问题。

由于铸造工艺本身的误差，导致机匣外表面上的特征的铸造误差往往超过1mm，目前主要通过现场操作人员采用打表和划线的方式进行特征位置找正和加工余量分配，这使得在对其表面的凸台、管接头等特征进行铣削加工时，会存在以下问题：

1.划线找正精度低，加工余量分配不均匀，且划线找正对操作人员的技能水平要求高；

2.加工坐标系的变换以及程序的检查需要工艺人员进行确认，确认过程耗时长、效率低；

3.工件的找正及加工过程中，人为干预因素多，加工风险大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，针对上述铸造机匣管接头、凸台等特征铣削加工中的余量分配不均匀等问题，利用特征的在机测量结果进行位置最佳拟合计算和加工余量分配，然后将计算得到的位置刚体变换作用到加工刀路上，使得零件毛坯的余量更加均匀化。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，包括：

步骤1：将工件安装到机床工作台上，根据机匣的基准特征设定加工坐标系；

步骤2：通过绕固定轴的旋转和在垂直于该固定轴平面内的平移进行位置和姿态调整，其中的固定轴则是加工特征的回转轴，将绕固定轴的旋转和在垂直于该固定轴平面内的平移定义为两个自由轴状态；

步骤3：针对这类回转体结构特征的位置找正及余量均匀化，在特征的四周布置测量点可以充分有效的反应特征的形位偏差；

步骤4：以测量点到理论模型的距离误差最小作为优化目标函数，在满足余量均匀分布的条件下，实现测量数据点与几何模型的精确配准；

步骤5：对步骤3中的测量路径进行矩阵逆变换A^-1，然后重新测量，得到新的测量结果，比较实际测量点与理论模型之间的偏差，若不满足要求则重复上述步骤，迭代测量；

步骤6：将满足步骤5中余量检验的位置变换矩阵A作用于加工刀路上，对刀路进行修正补偿，利用补偿后的刀路去加工铸造机匣表面的特征。

在其中一个实施例中，所述基准特征包括基准面、基准孔和角向孔。

在其中一个实施例中，步骤3中，对测量路径进行后处理并发送到数控机床上进行在机测量，测量完成后可得到理论测量点对应的结果文件，其中的数据主要为点的实际坐标值。

在其中一个实施例中，步骤4中，假设通过在机测量得到的实测点P_i的坐标值为(x_i，y_i，z_i)，其对应的理论测量点_P′_i的坐标值为(x′_i，y′_i，z′_i)，则实测点与理论点之间的距离可表示为：

d_i＝||AP_i-P′_i||，其中A为待求的位置变换矩阵，然后用“距离的平方和”作为目标函数，则得到非线性的“最小二乘”优化问题：

优化变量为绕固定旋转角度α和在垂直于固定轴平面内的平移(x，y)。

在其中一个实施例中，利用数值求解工具，即可计算得到优化变量(x，y，α)，则位置变换矩阵可表示为：

6.如权利要求5所述的基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，其特征在于，计算得到的α＝0.295，x＝1.03，y＝-0.85。

在其中一个实施例中，步骤5具体如下：判断测量点到理论模型表面的距离偏差Δd，如果任意两个点到理论模型表面的距离偏差相对均匀，即有

为设定的阈值，则表示特征的毛坯余量在经过变换之后变得更加均匀；

相反地，如果距离偏差的均匀程度不满足设定的阈值

则根据本次的测量结果，重新计算位置变换矩阵，直到余量校验满足设定的阈值

或者重复测量次数达到设定最大次数k。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行任一项所述的方法。

本发明的有益效果：

本发明针对铸造机匣外表面的管接头和凸台等特征在铣削加工时易出现余量不均匀的现象提出了一种利用在机测量数据进行特征位置配准的余量优化方法。该方法可以最大程度的发挥五轴数控机床的自动化功能，减少工件装夹过程中人工介入和干预的频率，在保证铸造机匣毛坯加工余量均匀化的前提下，也提高了机匣整体的加工效率。

附图说明

图1是本发明基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法中的铸造机闸模型示意图。

图2是本发明基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法的流程示意图。

图3是本发明基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法中的管接头特征示意图。

图4是本发明基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法中的两自由轴示意图。

图5是本发明基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法中的测量路径示意图。

图6是本发明基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法中的余量均匀化示意图。

图7是本发明基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法中的刀路补偿示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明的毛坯加工余量优化方法的主要步骤包括工件的初步装夹、特征配准的自由度选择、特征的在机测量、特征位置误差矩阵计算、余量分配结果校验和刀路补偿，本发明的技术流程如图2所示。

工件初步装夹：在这一步中将工件安装到机床工作台上，操作人员根据机匣的基准特征(基准面、基准孔、角向孔)设定加工坐标系。

自由度选择：铸造机匣表面的管接头、凸台等特征一般为回转体，如图3所示。对这类特征的加工余量进行均匀化时，主要是通过绕固定轴的旋转和在垂直于该固定轴平面内的平移进行位置和姿态调整，其中的固定轴则是加工特征的回转轴，本发明将绕固定轴的旋转和在垂直于该固定轴平面内的平移定义为两个自由轴状态，如图4所示。因此在后续步骤4中进行矩阵计算时，则计算这种两自由轴下的位置变换矩阵。

特征在机测量：针对这类回转体结构特征的位置找正及余量均匀化，在特征的四周布置测量点可以充分有效的反应特征的形位偏差，这里以管接头结构为例，设计了一种在回转体四周均布测量点的在机测量路径规划策略，测量路径的显示与仿真如图5所示。对测量路径进行后处理并发送到数控机床上进行在机测量，测量完成后可得到理论测量点对应的结果文件，其中的数据主要为点的实际坐标值。

计算位置变换矩阵：以测量点到理论模型的距离误差最小作为优化目标函数，在满足余量均匀分布的条件下，实现测量数据点与几何模型的精确配准，实现机匣零件管接头、凸台等特征加工余量均匀化和优化。假设通过在机测量得到的实测点P_i的坐标值为(x_i，y_i，z_i)，其对应的理论测量点P′_i的坐标值为(x′_i，y′_i，z′_i)，则实测点与理论点之间的距离可表示为：

d_i＝||AP_i-P′_i||，其中A为待求的位置变换矩阵，然后用“距离的平方和”作为目标函数，则得到非线性的“最小二乘”优化问题：

优化变量为绕固定旋转角度α和在垂直于固定轴平面内的平移(x，y)，利用Matlab等数值求解工具，即可计算得到优化变量(x，y，α)，则位置变换矩阵可表示为：

本实施例中，计算得到的α＝0.295，x＝1.03，y＝-0.85。

余量校验：对步骤3中的测量路径进行矩阵逆变换A^-1，然后重新测量，得到新的测量结果，比较实际测量点与理论模型之间的偏差，也即判断测量点到理论模型表面的距离偏差Δd，如果任意两个点到理论模型表面的距离偏差相对均匀，即有

为设定的阈值，则表示特征的毛坯余量在经过变换之后变得更加均匀。本实施例设定阈值

该过程如图6所示，然后执行步骤6进行刀路补偿；相反地，如果距离偏差的均匀程度不满足设定的阈值

则根据本次的测量结果，重新计算位置变换矩阵，进行迭代测量直到余量校验满足设定的阈值

或者重复测量次数达到设定最大次数k，本实施例中设定最大次数k＝5。本发明将上述重复测量的过程称之为迭代测量。

刀路补偿：将满足步骤5中余量检验的位置变换矩阵A作用于加工刀路上，对刀路进行修正补偿，利用补偿后的刀路去加工铸造机匣表面的管接头、凸台特征，即可实现零件毛坯余量的均匀化加工，刀路补偿过程如图7所示。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，其特征在于，包括：

步骤1：将工件安装到机床工作台上，根据机匣的基准特征设定加工坐标系；

步骤2：通过绕固定轴的旋转和在垂直于该固定轴平面内的平移进行位置和姿态调整，其中的固定轴则是加工特征的回转轴，将绕固定轴的旋转和在垂直于该固定轴平面内的平移定义为两个自由轴状态；

步骤3：针对这类回转体结构特征的位置找正及余量均匀化，在特征的四周布置测量点可以充分有效的反应特征的形位偏差；

步骤4：以测量点到理论模型的距离误差最小作为优化目标函数，在满足余量均匀分布的条件下，实现测量数据点与几何模型的精确配准；

步骤5：对步骤3中的测量路径进行矩阵逆变换A^-1，然后重新测量，得到新的测量结果，比较实际测量点与理论模型之间的偏差，若不满足要求则重复上述步骤，迭代测量；

步骤6：将满足步骤5中余量检验的位置变换矩阵A作用于加工刀路上，对刀路进行修正补偿，利用补偿后的刀路去加工铸造机匣表面的特征。

2.如权利要求1所述的基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，其特征在于，所述基准特征包括基准面、基准孔和角向孔。

3.如权利要求1所述的基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，其特征在于，步骤3中，对测量路径进行后处理并发送到数控机床上进行在机测量，测量完成后可得到理论测量点对应的结果文件，其中的数据主要为点的实际坐标值。

4.如权利要求1所述的基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，其特征在于，步骤4中，假设通过在机测量得到的实测点P_i的坐标值为(x_i，y_i，z_i)，其对应的理论测量点P′_i的坐标值为(x′_i，y′_i，z′_i)，则实测点与理论点之间的距离可表示为：

d_i＝||AP_i-P′_i||，其中A为待求的位置变换矩阵，然后用“距离的平方和”作为目标函数.则得到非线性的“最小二乘”优化问题：

优化变量为绕固定旋转角度α和在垂直于固定轴平面内的平移(x，y)。

5.如权利要求4所述的基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，其特征在于，利用数值求解工具，即可计算得到优化变量(x，y，α)，则位置变换矩阵可表示为：

6.如权利要求5所述的基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，其特征在于，计算得到的α＝0.295，x＝1.03，y＝-0.85。

7.如权利要求1所述的基于在机测量的铸造机匣毛坯加工余量优化方法，其特征在于，步骤5具体如下：判断测量点到理论模型表面的距离偏差Δd，如果任意两个点到理论模型表面的距离偏差相对均匀，即有

为设定的阈值，则表示特征的毛坯余量在经过变换之后变得更加均匀；

相反地，如果距离偏差的均匀程度不满足设定的阈值

则根据本次的测量结果，重新计算位置变换矩阵，直到余量校验满足设定的阈值

或者重复测量次数达到设定最大次数k。

8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1到7任一项所述方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1到7任一项所述方法的步骤。

10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1到7任一项所述的方法。

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