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        隨機(jī)定位加工在數(shù)控加工中的應(yīng)用

        2014-04-27 13:07:58袁士平
        制造技術(shù)與機(jī)床 2014年7期
        關(guān)鍵詞:壁板基準(zhǔn)坐標(biāo)系

        袁士平

        (北京航空制造工程研究所,北京100024)

        數(shù)控加工過程中,需要找正環(huán)節(jié),即通過人工反復(fù)移動(dòng)工件,調(diào)整工件的位置、方向,使工件的基準(zhǔn)與編程坐標(biāo)系精確重合,然后才能執(zhí)行數(shù)控加工程序。傳統(tǒng)的找正方法有一面兩銷、找基準(zhǔn)邊、基準(zhǔn)孔等。這些方法在許多工件上遇到了困難:(1)飛機(jī)蒙皮、壁板等由曲面構(gòu)成的復(fù)雜工件,無法直接構(gòu)建基準(zhǔn),傳統(tǒng)的找正方法需要設(shè)計(jì)夾具,工件曲面與夾具上的模胎貼合,將工件基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到夾具上,這種方法精度低、成本高。(2)大型工件由熱脹冷縮、重力和內(nèi)應(yīng)力等引起的尺寸變化往往在1 mm 以上,使基準(zhǔn)變得不再精確,傳統(tǒng)找正方法會(huì)喪失精度。(3)大型工件的重量往往超過10 t,尺寸10 m 以上,工件難以精確移動(dòng),傳統(tǒng)找正方法需要消耗大量的時(shí)間和人力物力。(4)大型工件的尺寸有可能超過機(jī)床的行程,工件上的基準(zhǔn)可能在機(jī)床行程范圍之外,傳統(tǒng)的找正方法無法實(shí)施。(5)部分工件的某些位置需要局部加工,如精鍛葉片的榫頭、精鑄工件的接頭,傳統(tǒng)的找正方法難以保證加工區(qū)域和非加工區(qū)域之間精確的位置關(guān)系。(6)用于夾持鈑金件、壁板類工件的柔性夾持工裝,可以夾緊各種形狀的曲面工件,但不具有便于找正的基準(zhǔn)元件,傳統(tǒng)找正方法無能為力。為了解決上述問題,本文提出隨機(jī)定位加工。

        1 隨機(jī)定位加工的定義

        隨機(jī)定位加工是一種找正方法,該方法在找正裝夾過程中,不要求工件的基準(zhǔn)與編程基準(zhǔn)精確重合,而是將工件在機(jī)床上粗略放置、夾緊,測(cè)量工件上的特征點(diǎn)在機(jī)床工作坐標(biāo)系下的坐標(biāo),得到工件-機(jī)床模型,然后與零件理論模型進(jìn)行配準(zhǔn),最后將數(shù)控程序映射到機(jī)床工作坐標(biāo)系下,使數(shù)控程序匹配工件的實(shí)際位置,實(shí)現(xiàn)精確的加工。

        英國DELCAM 公司[1]的OMV 和PS - Fixture 軟件,通過計(jì)算得出工件當(dāng)前位置坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的偏差量,從而相應(yīng)調(diào)整機(jī)床坐標(biāo)系,來實(shí)現(xiàn)精確裝夾。其原理與隨機(jī)定位加工類似,但僅見在英國宇航公司有應(yīng)用。

        2 隨機(jī)定位加工的主要算法

        隨機(jī)定位加工的主要算法是將工件-機(jī)床模型與零件理論模型中的幾何體進(jìn)行最大程度重疊的配準(zhǔn)算法。比較常用的配準(zhǔn)算法有三點(diǎn)對(duì)齊法,最小二乘法。

        三點(diǎn)對(duì)齊法需要分別從工件-機(jī)床模型與零件理論模型中確定出3 對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn){P1,P2,P3}和{Q1,Q2,Q3},然后步驟如下:(1)變換P1到Q1;(2)變換矢量(P2→P1)到(Q2→Q1);(3)變換包含3 點(diǎn)P1、P2和P3的平面到包含Q1、Q2和Q3的平面[2]。可用常用三維軟件實(shí)現(xiàn),按照2 組點(diǎn)創(chuàng)建2 個(gè)坐標(biāo)系,再用2 個(gè)坐標(biāo)系將對(duì)應(yīng)的幾何體對(duì)齊即可。3 點(diǎn)對(duì)齊法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單,缺點(diǎn)是參與配準(zhǔn)的點(diǎn)太少,個(gè)別點(diǎn)的誤差將造成結(jié)果偏差較大。

        最小二乘法是應(yīng)用較廣泛的配準(zhǔn)算法,首先在工件上測(cè)量多個(gè)特征點(diǎn),再求特征點(diǎn)坐標(biāo)與工件零件理論模型距離的平方和。當(dāng)平方和最小時(shí),可認(rèn)為工件-機(jī)床模型與零件理論模型達(dá)到最大重合。最小二乘法精度較高,但求解難度較大,在工程應(yīng)用中,可以用SpatialAnalyzer、UG NX、PolyWorks、IMAGEWARE 等軟件實(shí)現(xiàn)。

        由于測(cè)量誤差、工件變形、工件制造誤差的存在,工件-機(jī)床模型與零件理論模型不可能完全重合。工件-機(jī)床模型與理論模型達(dá)到最大重合后,需要給出每個(gè)點(diǎn)的偏差值、最大偏差值,便于工藝員判定定位偏差是否在可接受范圍內(nèi)。對(duì)某些偏差較大的異常點(diǎn),在分析工件實(shí)際情況基礎(chǔ)上可以手動(dòng)予以剔除。

        3 隨機(jī)定位加工的應(yīng)用實(shí)例

        某飛機(jī)垂直安定面壁板(如圖1 所示)為變厚度,帶桁條、對(duì)接接頭結(jié)構(gòu),長約9 m,寬約2. 5 m,厚度3.40 mm,該壁板帶有飛機(jī)氣動(dòng)外形,與飛機(jī)機(jī)身、水平尾翼、垂尾大梁等構(gòu)件有著復(fù)雜的裝配關(guān)系。周邊輪廓的輪廓度要在1 mm 以內(nèi),桁條的位置度在Φ0.5 mm,8 個(gè)Φ54 H7 裝配孔位置度要求達(dá)到Φ0.1 mm。由于復(fù)材成形工藝不能形成準(zhǔn)確的輪廓、孔等結(jié)構(gòu),所以該壁板在邊緣上留有一定余量,由數(shù)控加工工序切割輪廓、裝配孔。

        本壁板的剛性很差,所以借用復(fù)材成形工序中使用的模具支撐工件,在不脫模的情況下進(jìn)行數(shù)控加工。該工件在找正過程中的困難有:(1)工件上不具有便于找正的基準(zhǔn)。(2)模具、工件在烘箱內(nèi)經(jīng)過數(shù)百度的固化過程,變形在2 mm 左右,夾具上的參考基準(zhǔn)變得不可靠。(3)夾具重10 t,長11 m,要想在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)精確的平移、轉(zhuǎn)動(dòng)很困難。在這種情況下,筆者采用了隨機(jī)定位加工的方法,用橋式五坐標(biāo)銑床、API 的T3 型激光跟蹤儀、SpatialAnalyzer、UG NX 軟件實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)定位加工。加工過程為:

        (1)用吊車將工件吊到機(jī)床上,目視將待加工位置放在機(jī)床行程范圍內(nèi),進(jìn)行粗略定位。

        (2)在機(jī)床行程范圍內(nèi)鉆一個(gè)Φ6H7 且垂直于XY 平面的孔,用激光跟蹤儀測(cè)量此孔的位置,并設(shè)置為工件-機(jī)床模型的坐標(biāo)原點(diǎn)。在機(jī)床主軸頭上裝一個(gè)靶標(biāo)座,機(jī)床運(yùn)動(dòng)到3 個(gè)點(diǎn),用激光跟蹤儀記錄這3個(gè)點(diǎn),作為工件-機(jī)床模型的X、Y、Z 坐標(biāo)方向。同時(shí)在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)將此點(diǎn)設(shè)定為機(jī)床工作坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

        (3)特征點(diǎn)定在工件周邊的靶標(biāo)孔上,如圖2 所示,用激光跟蹤儀測(cè)量靶標(biāo)孔的位置,得到工件-機(jī)床模型。

        (4)將理論模型和工件-機(jī)床模型進(jìn)行配準(zhǔn)。將理論數(shù)模中的靶標(biāo)孔孔位、實(shí)測(cè)孔位導(dǎo)入到SpatialAnalyzer 軟件中,將對(duì)兩組孔用最小二乘法進(jìn)行最佳擬合轉(zhuǎn)換,得出轉(zhuǎn)換矩陣、每個(gè)點(diǎn)的偏差值(如圖3 所示)。由圖3 可以看出,工件存在較大變形,最大的地方偏差為1.06 mm,如果采用傳統(tǒng)的對(duì)齊基準(zhǔn)孔、基準(zhǔn)面的方法,將產(chǎn)生較大的定位誤差。

        (5)按照理論模型編制數(shù)控加工程序,同時(shí)將編程坐標(biāo)系設(shè)定為機(jī)床工作坐標(biāo)系,即得到匹配零件實(shí)際位置的數(shù)控程序用于加工。加工完的零件順利裝機(jī),滿足了設(shè)計(jì)要求。

        4 結(jié)語

        隨機(jī)定位加工測(cè)量、計(jì)算工件-機(jī)床模型與零件理論之間的位置關(guān)系,使數(shù)控加工程序匹配工件的實(shí)際位置,應(yīng)用在航空壁板、大型工件、精鑄件精鍛件、柔性夾持工裝等工件上,能提高找正精度和效率。

        [1]程浩.自適應(yīng)加工技術(shù)——零件快速裝夾新概念[J]. 航空制造技術(shù),2006(5):101 -102.

        [2]劉晶.基于CAD 模型的配準(zhǔn)技術(shù)綜述[J]. 機(jī)床與液壓,2007(9):236 -237,255.

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