CN116227241B - 一种锻轴最优加工定位位置确定方法及锻轴加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锻轴最优加工定位位置确定方法及锻轴加工方法，包括：获取待加工锻轴的点云模型并进行分段切片处理，得到分段点云模型；基于各段分段点云模型的质心位置确定锻轴加工定位的初始中心轴位置；基于锻轴模型图和初始中心轴，判断加工余量是否满足要求，若是则以初始中心轴与待加工锻轴两端面的两个交点作为最优加工定位位置，否则对初始中心轴位置进行调整，若调整后的加工余量满足加工要求则以调整后的中心轴与待加工锻轴两端面的两个交点作为最优加工定位位置，否则判定锻轴为废弃锻轴。本发明可以在满足加工余量的约束下，精准地定位待加工的高铁轮轴等大型锻轴轴胚的中心轴位置，从而完成最优加工余量下的锻轴成型。

Description

一种锻轴最优加工定位位置确定方法及锻轴加工方法

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，特别涉及一种锻轴最优加工定位位置确定方法及锻轴加工方法。

背景技术

随着数字化、信息化、智能化浪潮席卷全球，现代智能数字化智能制造正不断替代工业领域传统经济生产模式。高铁轮轴是高铁动力传动***和承载***的重要组成部分，高铁轮轴具有重量大（单个轮轴的重量计以吨计量）、作业时高速旋转等特点，保障其加工制造精度和质量是决定高铁动力传动***综合性能和安全运行的关键因素。

高铁轮轴等大型锻轴重量大、尺寸大，因此轴胚的铸造极容易发生热变形、冷却变形等多种难以避免的工艺变形问题，这给精加工带来了极大的挑战和困难。因此，在自动化机加工制造中，需要准确地确定出高铁轮轴等大型锻轴的最优加工余量，并且保证加工旋转面积最小，旋转平衡度最优，从而最大程度的保证加工质量。

针对高铁轮轴等大型锻轴的传统加工方法是，首先，通过锻轴在地面上的滚动判断锻轴是否发生大变形；然后，人工对大型锻轴轴胚进行测量，选择两端面的中心点；最后，以两端面的中心点为机床的固定定位点进行精加工。这种方法具有测量不准确、无法保证足够加工余量、人工测量准确度低、人工成本高、浪费轴胚材料等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种锻轴最优加工定位位置确定方法及锻轴加工方法，在智能化、自动化的机床进行精加工的工艺中，本发明解决了人工选择锻轴端面定位点困难、不准确、效率低等问题，可以精确地判断最优的加工余量，对锻轴加工位置进行最优定位，保证锻轴机加工时最优的旋转平衡度，实现大型锻轴轴胚的智能化精加工。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种锻轴最优加工定位位置确定方法，其特点是包括以下步骤：

步骤1，获取待加工锻轴的点云模型；

步骤2，对所述点云模型进行分段切片处理，得到p段分段点云模型；

步骤3，计算各段分段点云模型的质心位置；

步骤4，基于各段分段点云模型的质心位置，确定锻轴加工定位的初始中心轴位置；

步骤5，基于待加工锻轴的模型图和初始中心轴位置，判断加工余量是否满足要求，若加工余量满足加工要求，则跳转至步骤6；否则跳转至步骤7；

步骤6，以初始中心轴与所述待加工锻轴两端面的两个交点作为锻轴最优加工定位位置；

步骤7，对初始中心轴位置进行调整，若调整后的加工余量满足加工要求，则以调整后的中心轴与所述待加工锻轴两端面的两个交点作为锻轴最优加工定位位置，否则判定待加工锻轴为无法进行精加工的废弃锻轴。

作为一种优选方式，所述步骤4中，基于各段分段点云模型的质心位置，确定锻轴加工定位的初始中心轴位置包括：

步骤401，计算偶数段分段点云模型的质心位置之和，获得第一质心点P₁的位置；计算奇数段分段点云模型的质心位置之和，获得第二质心点P₂的位置；

步骤402，连接第一质心点P₁和第二质心点P₂，以直线P₁P₂所处的位置作为初始中心轴位置。

作为一种优选方式，所述步骤5中，基于待加工锻轴的模型图和初始中心轴位置，判断加工余量是否满足要求包括：

步骤501，计算点云模型上第i个点到初始中心轴的距离h_i；

步骤502，在模型图的Z轴坐标为Z₀处，对点云模型初始中心轴位置与模型图中心轴进行匹配，若针对任一h_i，均满足h_i-h₀>0，则判断加工余量满足要求，否则判断加工余量不满足要求；其中，h₀为所述模型图的中心轴半径值。

进一步地，所述步骤502中还包括，若加工余量不满足要求，则沿Z轴的正方向或负方向移动模型图，寻找满足加工余量的Z轴基准位置Z_q。

作为一种优选方式，所述步骤7包括：

步骤701，对所述点云模型进行切片处理，获得多个点云切片；

步骤702，调整初始中心轴位置，对初始中心轴位置进行最优控制调整，以获取调整后的中心轴位置；其中，最优控制调整过程中，以所有点云切片上的点到中心轴上的平均偏差距离最小为目标函数。

作为一种优选方式，所述步骤702包括：

在模型图所在的坐标系内，建立待调整中心轴的方程；

将所述方程代入所述目标函数后，利用梯度下降法迭代计算所述方程的各系数值；

在迭代步数达到设定值时，基于此时对应的调整后的中心轴位置判断加工余量是否满足加工要求，若是则停止迭代计算并以此时的中心轴位置作为调整后的中心轴位置，否则继续迭代计算；

在利用梯度下降法迭代计算达到结束条件时，基于此时对应的调整后的中心轴位置判断加工余量是否满足加工要求，若是则以此时的中心轴位置作为调整后的中心轴位置，否则判定待加工锻轴为无法进行精加工的废弃锻轴。

作为一种优选方式，所述步骤1中，获取待加工锻轴的点云模型包括：

步骤101，对待加工锻轴进行扫描以获取锻轴几何数据；

步骤102，对所述锻轴几何数据进行点云处理，获得点云模型。

作为一种优选方式，所述待加工锻轴的模型图为待加工锻轴的CAD模型图。

作为一种优选方式，所述待加工锻轴为高铁轮轴轴胚。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种锻轴加工方法，其特点是基于所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，确定的锻轴最优加工定位位置，对锻轴进行加工。

与现有技术相比，本发明可以在满足加工余量的约束下，精准地定位待加工的高铁轮轴等大型锻轴轴胚的中心轴位置，从而完成最优加工余量下的锻轴成型，解决了传统方法中测量不准确、选择的中心点连线难以保证加工余量最优、人工测量效率低、人工成本高、浪费轴胚材料等缺陷，提高了对高铁轮轴等大型锻轴的加工定位精度、加工效率，降低了人工成本。

附图说明

图1为本发明锻轴最优加工定位位置确定方法一实施例的流程图。

图2为本发明锻轴最优加工定位位置确定方法另一实施例的流程图。

图3为本发明初始中心轴位置确定流程一实施例的流程图。

图4为对锻轴点云模型进行分段切片处理示意图。

图5为本发明锻轴最优加工定位位置确定方法又一实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的第一方面提供了一种锻轴最优加工定位位置确定方法，包括以下步骤：

步骤1，获取待加工锻轴的点云模型；

步骤2，对所述点云模型进行分段切片处理，得到p段分段点云模型；

步骤3，计算各段分段点云模型的质心位置；

步骤4，基于各段分段点云模型的质心位置，确定锻轴加工定位的初始中心轴位置；

步骤5，基于待加工锻轴的模型图和初始中心轴位置，判断加工余量是否满足要求，若加工余量满足加工要求，则跳转至步骤6；否则跳转至步骤7；

步骤6，以初始中心轴与所述待加工锻轴两端面的两个交点作为锻轴最优加工定位位置；

步骤7，对初始中心轴位置进行调整，若调整后的加工余量满足加工要求，则以调整后的中心轴与所述待加工锻轴两端面的两个交点作为锻轴最优加工定位位置，否则判定待加工锻轴为无法进行精加工的废弃锻轴。

如图2所示，在另一种优选实施方式中，锻轴最优加工定位位置确定方法中：

首先，利用3D扫描仪等对待加工锻轴进行全方位的扫描以获取完整的锻轴几何数据；对所述锻轴几何数据进行点云处理，获得点云模型。

然后，基于微分的思想对锻轴点云模型进行分段切片处理，计算每一分段的质心位置，对奇数和偶数段的分段点云模型进行聚类，通过分别计算奇数段锻轴分段点云模型和偶数段分段点云模型的质心之和，可得到两个质心点，将连接这两个质心点的线段所在的直线位置作为初始中心轴位置；

最后，通过待加工锻轴的标准模型图（如CAD模型图）和加工余量的约束条件建立优化模型，利用梯度下降算法对中心轴的位置进行优化，以确定最优的中心轴位置，从而获得最终的机加工定位点坐标。

本发明中，选择初始中心轴位置作为优化的定位点的开始，并以最佳余量为约束优化中心轴的位置，具体流程如图3所示。

对扫描锻轴得到的三维点云模型进行分段切片处理，如图4所示，将锻轴以步进长度q为分段间隔分为p段分段点云模型（称为“离散轴胚”），对每一分段进行编号：1,2,3,4,...,m,n(p),其中m为奇数，n为偶数，计算每一分段点云模型的质心坐标，如式（1）所示，然后分别提取奇数段和偶数段轴胚的分段点云模型，并计算质心之和，获得第一质心点P₁的位置；计算奇数段分段点云模型的质心位置之和，获得第二质心点P₂的位置，计算如式（2），（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中，a为其中一个分段点云模型的点云总数，(x_b,y_b,z_b)为一个分段点云模型中点的坐标，P_c为一个分段点云模型的质心坐标；(x_j,y_j,z_j)为每一个偶数分段点云模型的质心坐标，(x_i,y_i,zi)为每一个奇数分段点云模型的质心坐标，P₁为所有偶数分段点云模型的质心坐标之和，P₂为所有奇数分段点云模型的质心坐标之和。

连接第一质心点P₁和第二质心点P₂，以直线P₁P₂所处的位置作为初始中心轴位置。

然后，以该初始中心轴位置为基线，和锻轴的CAD尺寸进行比较判断加工余量，若满足加工余量的加工要求，则以该中心轴和锻轴两端面的交点为定位点进行机床精加工；若不满足加工余量的加工要求，则根据下述的基于梯度下降法的中心轴优化方法对中心轴的位置进行调整；若优化后的中心轴仍不满足加工余量要求，则视为无法进行机床精加工的废弃锻轴。

在一些优选实施例中，基于待加工锻轴的模型图和初始中心轴位置，判断加工余量是否满足要求包括：

计算点云模型上第i个点到初始中心轴的距离h_i。以点云的一个空间点P为例说明，在中轴线上选取一点A，连结PA；在中轴线上另取一点B(不同于点A)，把线段AB改写成向量AB，过点P到AB的距离h即为所求的距离。

其中，为与AB平行的任意向量。

设定一个匹配经验值Z₀（Z₀可使得绝大多数加工件成功适配，根据实验经验给出），在模型图的Z轴坐标为Z₀处，对点云模型初始中心轴位置与模型图中心轴进行匹配，若针对任一h_i，均满足h_i-h₀>0，则判断该初始中心轴可以作为加工的旋转轴心且加工余量满足要求，否则判断该初始中心轴不可以作为加工的旋转轴心且加工余量不满足要求；其中，h₀为所述模型图的中心轴半径值。

在一些优选实施例中，若加工余量不满足要求，则沿Z轴的正方向或负方向移动模型图，寻找满足加工余量的Z轴基准位置Z_q。若在Z₀范围内没有满足加工余量的Z_q，则进行中心轴位置的优化。

在一些优选实施例中，中心轴位置的优化过程包括：

对所述点云模型进行切片处理，获得多个点云切片。设置不同的点云切片数量，选取不同的点云切片位置，可简化计算，提高运算效率。

整初始中心轴位置，对初始中心轴位置进行最优控制调整，以获取调整后的中心轴位置；其中，最优控制调整过程中，以所有点云切片上的点到中心轴上的平均偏差距离最小为目标函数。

目标函数为：

其中，N为点云模型的切片数量，h_i为第i个点云切片模型上的点到中心轴的距离，为所有点云到中心轴的平均距离。

在模型图所在的坐标系内，建立待调整中心轴的方程为：Ax+By+Cz+D=0。

将轴的方程带入上述目标函数，并使用梯度下降法进行计算方程的各系数值A,B,C,D的值。

为了提高工程效率，优化的过程不需要找到梯度最小的点，当迭代步数达到设定值q时，即可利用此时优化得到的中心轴位置进行加工余量判断，若满足要求则停止优化并以此时的中心轴位置作为调整后的中心轴位置，若不满足则继续进行优化迭代计算。当优化达到梯度最小即达到迭代结束条件的时候，基于此时对应的调整后的中心轴位置判断加工余量是否满足加工要求，若是则以此时的中心轴位置作为调整后的中心轴位置，否则判定待加工锻轴为无法进行精加工的废弃锻轴。

本发明锻轴最优加工定位位置确定方法又一实施例的流程图如图5所示。

本发明中，待加工锻轴的模型图可以但不限于为待加工锻轴的CAD模型图。所述待加工锻轴可以但不限于为高铁轮轴轴胚。

基于同一个发明构思，本发明的第二方面还提供了一种锻轴加工方法，其于所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，确定的锻轴最优加工定位位置，对锻轴进行加工。

综上，本发明基于3D点云扫描技术，将高铁轮轴轴胚等大型锻轴加工前寻找最优加工位置的物理过程映射为基于点云切片模型的最优中心轴的优化。基于微分的思想，将点云模型进行切片处理，以奇偶编号进行聚类从而确定初始中心轴，建立了以加工余量为约束的最优化模型，基于梯度下降算法对中心轴位置进行优化，从而定位出锻轴加工的最优位置，为大型锻轴的精加工提供了精准的加工定位方法。

上述初始中心轴位置选择方式、加工余量判断方式、中心轴位置优化方式，可以自由组合，用于确定锻轴最优加工定位位置。

上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部步骤来实现本实施例方案的目的。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锻轴最优加工定位位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取待加工锻轴的点云模型；

步骤2，对所述点云模型进行分段切片处理，得到段分段点云模型；

步骤3，计算各段分段点云模型的质心位置；

步骤4，基于各段分段点云模型的质心位置，确定锻轴加工定位的初始中心轴位置；包括：

步骤401，计算偶数段分段点云模型的质心位置之和后取平均值，获得第一质心点的位置；计算奇数段分段点云模型的质心位置之和后取平均值，获得第二质心点/>的位置；

步骤402，连接第一质心点和第二质心点/>，以直线/> 所处的位置作为初始中心轴位置；

步骤5，基于待加工锻轴的模型图和初始中心轴位置，判断加工余量是否满足要求，若加工余量满足加工要求，则跳转至步骤6；否则跳转至步骤7；

步骤6，以初始中心轴与所述待加工锻轴两端面的两个交点作为锻轴最优加工定位位置；

步骤7，对初始中心轴位置进行调整，若调整后的加工余量满足加工要求，则以调整后的中心轴与所述待加工锻轴两端面的两个交点作为锻轴最优加工定位位置，否则判定待加工锻轴为无法进行精加工的废弃锻轴。

2.根据权利要求1所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，其特征在于，所述步骤5中，基于待加工锻轴的模型图和初始中心轴位置，判断加工余量是否满足要求包括：

步骤501，计算点云模型上第个点到初始中心轴的距离/>；

步骤502，在模型图的Z轴坐标为Z₀处，对点云模型初始中心轴位置与模型图中心轴进行匹配，若针对任一，均满足/>，则判断加工余量满足要求，否则判断加工余量不满足要求；其中，/>为所述模型图的中心轴半径值。

3.根据权利要求2所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，其特征在于，所述步骤502中还包括，若加工余量不满足要求，则沿Z轴的正方向或负方向移动模型图，寻找满足加工余量的Z轴基准位置Z _q 。

4.根据权利要求2所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，其特征在于，所述步骤7包括：

步骤701，对所述点云模型进行切片处理，获得多个点云切片；

步骤702，调整初始中心轴位置，对初始中心轴位置进行最优控制调整，以获取调整后的中心轴位置；其中，最优控制调整过程中，以所有点云切片上的点到中心轴上的平均偏差距离最小为目标函数。

5.根据权利要求4所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，其特征在于，

所述步骤702包括：

在模型图所在的坐标系内，建立待调整中心轴的方程；

将所述方程代入所述目标函数后，利用梯度下降法迭代计算所述方程的各系数值；

在迭代步数达到设定值时，基于此时对应的调整后的中心轴位置判断加工余量是否满足加工要求，若是则停止迭代计算并以此时的中心轴位置作为调整后的中心轴位置，否则继续迭代计算；

在利用梯度下降法迭代计算达到结束条件时，基于此时对应的调整后的中心轴位置判断加工余量是否满足加工要求，若是则以此时的中心轴位置作为调整后的中心轴位置，否则判定待加工锻轴为无法进行精加工的废弃锻轴。

6.根据权利要求1至5任一项所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，其特征在于，所述步骤1中，获取待加工锻轴的点云模型包括：

步骤101，对待加工锻轴进行扫描以获取锻轴几何数据；

步骤102，对所述锻轴几何数据进行点云处理，获得点云模型。

7.根据权利要求1至5任一项所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，其特征在于，所述待加工锻轴的模型图为待加工锻轴的CAD模型图。

8.根据权利要求1至5任一项所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，其特征在于，所述待加工锻轴为高铁轮轴轴胚。

9.一种锻轴加工方法，其特征在于，包括：基于如权利要求1至8任一项所述的锻轴最优加工定位位置确定方法，确定的锻轴最优加工定位位置，对锻轴进行加工。