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        基于MBD的復(fù)雜特征檢測(cè)工藝規(guī)劃技術(shù)研究*

        2016-05-30 01:03:10
        航空制造技術(shù) 2016年17期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量機(jī)點(diǎn)數(shù)曲面

        (沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110136)

        現(xiàn)代制造業(yè)企業(yè)為實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)-制造-檢測(cè)”全過程的數(shù)字化,正在從以往基于二維圖紙的模擬量傳遞開始向基于三維數(shù)學(xué)模型的數(shù)字量傳遞轉(zhuǎn)變。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可基于三維數(shù)學(xué)模型將零件的幾何尺寸信息、形位公差信息、零件技術(shù)要求、產(chǎn)品裝配信息等定義在模型中,形成一個(gè)全信息MBD模型[1-2]。下游檢測(cè)環(huán)節(jié)基于MBD模型,獲得檢測(cè)工序模型并制定檢測(cè)工藝規(guī)劃,最終完成對(duì)零件的檢測(cè)。

        在大多數(shù)企業(yè)中,檢測(cè)過程是依據(jù)二維圖紙傳遞檢測(cè)信息,基于二維圖紙和實(shí)體零件制訂檢測(cè)工藝規(guī)劃,并依據(jù)檢測(cè)工藝編制測(cè)量程序,最終驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)測(cè)量[3-5]。這種檢測(cè)方式對(duì)檢測(cè)工藝?yán)寐瘦^低,零件檢測(cè)準(zhǔn)備時(shí)間與測(cè)量員經(jīng)驗(yàn)有關(guān),且測(cè)量程序不具有唯一性。由于缺少檢測(cè)工藝規(guī)劃,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量員操作水平與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)零件的測(cè)量精度影響較大[6]。同時(shí),由于數(shù)據(jù)傳遞過程需要以圖紙形式進(jìn)行,不能實(shí)現(xiàn)零件質(zhì)量的過程控制,無法實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造再到檢測(cè)的數(shù)字化和無紙化[7]。只有一少部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)了基于三維模型的數(shù)字化檢測(cè)過程,但在檢測(cè)過程中,雖然減少了檢測(cè)準(zhǔn)備時(shí)間和基于三維數(shù)模的檢測(cè),但并未根據(jù)不同特征制訂檢測(cè)規(guī)劃和測(cè)量規(guī)范來驅(qū)動(dòng)檢測(cè)過程[8]。

        為實(shí)現(xiàn)基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)過程,打通數(shù)字化檢測(cè)環(huán)節(jié),需要制訂有效合理的檢測(cè)工藝和基于特征的測(cè)量規(guī)范。針對(duì)零件檢測(cè)工藝規(guī)劃的問題,提出了基于量化分析法的特征采樣點(diǎn)數(shù)公式和自適應(yīng)劃分形心采樣方法(ADCS),實(shí)現(xiàn)了基于特征的檢測(cè),并在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中實(shí)際測(cè)量。

        1 三維數(shù)字化檢測(cè)工藝規(guī)劃

        隨著MBD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,傳統(tǒng)的數(shù)字量為主,模擬量為輔的工作方式開始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作方式所代替?;贛BD的數(shù)字化制造已經(jīng)成為了未來發(fā)展的主流方向。為實(shí)現(xiàn)并行制造和加工現(xiàn)場(chǎng)的無紙化,發(fā)展基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)顯得尤為重要。基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的核心思想是數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)字驅(qū)動(dòng),即將檢測(cè)工序模型中設(shè)計(jì)尺寸提取出來,獲得待測(cè)特征的理論量值(特征坐標(biāo)值和矢量值),用這些數(shù)字量值驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)對(duì)實(shí)際零件進(jìn)行測(cè)量(圖1)[9-10]。

        圖1 基于MBD的數(shù)字化閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程Fig.1 Data flow of digital closed-loop control system based on MBD

        檢測(cè)工藝是指利用測(cè)量設(shè)備(手動(dòng)或自動(dòng))對(duì)機(jī)床加工后的成品、半成品零件的尺寸、形狀、位置和性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量數(shù)據(jù)與原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),是否達(dá)到要求的過程(圖2)。檢測(cè)工藝是測(cè)量員在零件檢測(cè)時(shí)的重要作業(yè)依據(jù)。

        圖2 數(shù)字化檢測(cè)工藝過程Fig.2 Digital inspection process

        三維數(shù)字化檢測(cè)工藝是基于MBD三維檢測(cè)工藝模型,將工藝模型中待檢測(cè)信息等數(shù)據(jù)提取出來,根據(jù)知識(shí)庫中的信息對(duì)模型的可檢測(cè)性進(jìn)行分析并根據(jù)分析結(jié)果來做檢測(cè)工藝分工,確定零件用何種方式、設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)模型中所有檢測(cè)特征進(jìn)行工藝路線規(guī)劃(單特征測(cè)量路徑規(guī)劃、多特征測(cè)量路徑規(guī)劃),并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行離線模擬仿真。將仿真后無誤的測(cè)量程序傳遞給測(cè)量機(jī),驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量。

        2 基于量化分析法的特征測(cè)量點(diǎn)數(shù)確定

        在零件檢測(cè)的過程中,檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量及分布直接決定零件的測(cè)量精度。測(cè)量點(diǎn)數(shù)的多少受到測(cè)量元素的尺寸大小、零件形位公差等級(jí)和測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的綜合影響。待測(cè)特征的尺寸較大、公差等級(jí)要求較高,則所需的測(cè)量點(diǎn)數(shù)也就越多,反之亦然[11-12]。測(cè)量機(jī)測(cè)量精度也是影響零件檢測(cè)的因素之一,即測(cè)量機(jī)精度越高,在測(cè)量點(diǎn)數(shù)相同的條件下,越能反映零件表面的真實(shí)形貌,無需進(jìn)行復(fù)校檢驗(yàn),測(cè)量效率高。

        假設(shè)加工誤差服從正態(tài)分布,ε=N(0,σ2)或ε=σ·Z。其中,Z服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,曲面上的測(cè)量點(diǎn)數(shù)可由式(1)來確定[13-14]。

        式中,N為零件所需的測(cè)量點(diǎn)數(shù);C為曲面的復(fù)雜程度系數(shù),設(shè)規(guī)則曲面、平面的C規(guī)則=1,則自由曲面的C自由=(α1+α2+α3+…+αn)×C規(guī)則,其中αi為自由曲面復(fù)雜程度系數(shù)影響因子且αi=Si/S1,Si為組成自由曲面的第i部分規(guī)則曲面(自由曲面可看作是由多個(gè)規(guī)則曲面的線性累加);K加工為加工工藝能力系數(shù),K加工等于零件公差T與加工誤差范圍 6σ之比,即K加工=T/6σ;Z1-δ、Zγ分別為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布1-δ、γ分位數(shù)。

        由式(1)可知,在確定曲面測(cè)量點(diǎn)時(shí),影響測(cè)量點(diǎn)數(shù)的因素有3種:零件形位公差、加工工藝能力、檢測(cè)結(jié)果的置信度。同時(shí),被測(cè)元素的測(cè)量點(diǎn)數(shù)還會(huì)受到測(cè)量機(jī)精度、特征尺寸等因素的影響,在綜合考慮加工工藝能力、零件形位公差、測(cè)量機(jī)精度以及特征尺寸等因素后,可通過量化分析的方法來確定特征的測(cè)量點(diǎn)數(shù)。

        2.1 規(guī)則曲面測(cè)量點(diǎn)數(shù)確定

        規(guī)則曲面即可由確定的表達(dá)式表示的曲面,常見的規(guī)則曲面包括:圓柱面、圓錐面、球面等。規(guī)則曲面是零件中比較常見的特征,有些時(shí)候規(guī)則曲面會(huì)作為零件的基準(zhǔn)面或裝配表面來使用,其表面的檢測(cè)結(jié)果將直接決定零件的定位精度和使用效率。

        規(guī)則曲面在加工過程中,通常是由車削、鏜削、銑削加工而成,利用統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),其加工誤差與公稱尺寸的關(guān)系呈三次拋物線,隨著零件公稱尺寸的增加,零件的加工誤差也會(huì)增加,并且精加工時(shí)的加工誤差更小,如圖3所示。

        規(guī)則曲面檢測(cè)時(shí),測(cè)量點(diǎn)通常會(huì)根據(jù)圓柱長(zhǎng)徑比分層布置或根據(jù)曲率變化來布置,然后利用最小二乘法、最小區(qū)域法等算法將曲面擬合出來,最后對(duì)其形位誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)。但對(duì)于測(cè)量點(diǎn)數(shù)并未具體給出確定的計(jì)算方法。

        圖3 軸(孔)零件加工誤差與基本公稱尺寸關(guān)系Fig.3 Relation between machining error and nominal size of shaft (hole)part

        設(shè)δ=γ,即零件檢測(cè)結(jié)果正確的概率為(1-γ)或(1-δ),由式(1)可得:

        零件檢測(cè)不僅需要考慮加工工藝能力的影響還需考慮檢測(cè)工藝能力的影響,故K應(yīng)為檢測(cè)工藝系數(shù)與加工工藝共同作用下的綜合工藝能力系數(shù)KZ,且由于是規(guī)則曲面可取C=1,則式(1)可變?yōu)?/p>

        其中,KZ為綜合工藝能力系數(shù),,K加工=T加工/6σ,

        其中,τ為測(cè)量機(jī)測(cè)量誤差,Δ為零件測(cè)量精度要求,可根據(jù)被測(cè)特征的公差大小和理論公稱尺寸進(jìn)行選取,即T/10≤Δ≤T/5。

        若K檢測(cè)值小于1,則表示測(cè)量設(shè)備不能滿足零件的檢測(cè)要求,需要使用精度更高的測(cè)量設(shè)備。因此,為滿足零件的檢測(cè)要求,K檢測(cè)值必須大于1。

        2.2 不規(guī)則平面測(cè)量點(diǎn)數(shù)確定

        平面特征經(jīng)常會(huì)以零件的加工基準(zhǔn)、檢測(cè)基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)等形式存在。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度,基準(zhǔn)平面的質(zhì)量控制就顯得尤為重要。平面測(cè)量點(diǎn)數(shù)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取一個(gè)3×3的點(diǎn)陣,然后進(jìn)行測(cè)量和擬合評(píng)價(jià)。而實(shí)際零件中的平面特征多為不規(guī)則平面,為獲得零件表面的實(shí)際形貌,需綜合考慮平面大小、測(cè)量設(shè)備精度、檢測(cè)精度要求、零件形位公差等因素,通過量化分析來計(jì)算平面所需的測(cè)量點(diǎn)數(shù),即

        由圖3可知,軸(孔)特征基本公稱尺寸與加工誤差關(guān)系呈三次拋物線,即

        構(gòu)成軸(孔)類特征的幾何元素為圓柱面,圓柱面可沿母線展成矩形平面。為獲得平面大小與加工誤差關(guān)系,亦可將平面等效為圓柱面,即將矩形平面沿著按長(zhǎng)(寬)方向不同長(zhǎng)徑比等效為與面積相同的等效圓柱面,利用等效后的圓柱面與加工誤差關(guān)系來分析被等效平面與加工誤差間關(guān)系,即:

        其中,S為被測(cè)平面面積(去除孔、型腔等后剩余平面部分);l為等效圓柱面的長(zhǎng)徑比,其值可根據(jù)被測(cè)平面的長(zhǎng)寬之比及其形位公差理論值等相關(guān)影響因素綜合給出,即理論形位公差值稍大時(shí),根據(jù)軸(孔)特征基本公稱尺寸與加工誤差間關(guān)系,可選取比長(zhǎng)寬比略大的等效長(zhǎng)徑比,反之亦然。

        根據(jù)零件加工誤差與軸(孔)特征基本公稱尺寸間關(guān)系可得等效圓柱面與加工誤差間關(guān)系,進(jìn)而得到平面與加工誤差關(guān)系,即:

        3 基于特征的采樣策略分析

        復(fù)雜特征在檢測(cè)時(shí),需要對(duì)其可檢測(cè)性進(jìn)行分析,根據(jù)可檢測(cè)性分析結(jié)果、測(cè)量設(shè)備資源庫和檢測(cè)工藝知識(shí)庫對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)工藝分工,并依據(jù)零件被測(cè)特征、所使用測(cè)量設(shè)備制訂檢測(cè)工藝規(guī)劃驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)測(cè)量。根據(jù)被測(cè)元素的采樣點(diǎn)數(shù),結(jié)合被測(cè)元素的特點(diǎn),提出了自適應(yīng)劃分形心采樣方法(ADCS)。

        從MBD模型中提取零件的被測(cè)元素、夾具信息、定位及裝配關(guān)系信息和測(cè)量設(shè)備信息等,生成檢測(cè)工序模型,并從檢測(cè)工序模型中提取被測(cè)特征的面積S。根據(jù)測(cè)量點(diǎn)數(shù),按照等面積原則將被測(cè)特征自適應(yīng)地劃分為N塊(N為被測(cè)特征的測(cè)量點(diǎn)數(shù)),每塊面積為A,即

        設(shè)劃分后網(wǎng)格在局部坐標(biāo)系(LCS)下的形心坐標(biāo)為,通過坐標(biāo)變換后在零件坐標(biāo)系(WCS)下的坐標(biāo)為(x,y),坐標(biāo)變換矩陣為T。建立被測(cè)特征的零件坐標(biāo)系(WCS)和所劃分等面積網(wǎng)格的局部坐標(biāo)系(LCS),在LCS中求解被測(cè)特征中所劃分的某一塊圖形面積的形心坐標(biāo),通過坐標(biāo)變換矩陣T將得到WCS下的坐標(biāo)(x,y),將其輸出作為測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)。

        式中,Tp為形心坐標(biāo)平移變換矩陣,即

        Tx為形心坐標(biāo)繞原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ變換矩陣,即

        在接觸式測(cè)量(CMM)中,測(cè)量采樣點(diǎn)分布以減少測(cè)量誤差影響為基本原則,主要考慮以下幾個(gè)方面:(1)盡可能滿足數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量分析的需要;(2)盡可能保證采樣點(diǎn)均勻分布,各采樣點(diǎn)間距盡可能相近;(3)采樣點(diǎn)盡可能散開覆蓋整個(gè)表面,避免采樣點(diǎn)過于集中,以保證檢測(cè)質(zhì)量;(4)避免落入測(cè)針不可測(cè)達(dá)區(qū)域;(5)避免采樣點(diǎn)太靠近被測(cè)元素邊界,如:表面邊界、障礙邊界和孔邊界等;(6)盡量避免測(cè)頭變換并減少測(cè)頭方向的使用數(shù)目;(7)盡量避免使用過長(zhǎng)的加長(zhǎng)桿;(8)曲線曲面曲率大的區(qū)域相應(yīng)加大點(diǎn)的分布密度[15-16]。

        自適應(yīng)劃分形心采樣方法以規(guī)則均勻分布為基礎(chǔ),在綜合考慮了被測(cè)元素表面形狀、表面大小、測(cè)量設(shè)備等影響因素后,通過對(duì)被測(cè)元素進(jìn)行等面積自適應(yīng)劃分,求解劃分后特征的形心,并輸出形心坐標(biāo),算法流程如圖4所示。

        圖4 自適應(yīng)劃分形心采樣流程Fig.4 Process of ADCS

        為保證采樣點(diǎn)在被測(cè)要素中分布為最大包容原則,網(wǎng)格劃分步驟可分為3步:(1)確定被測(cè)要素中所包含的非測(cè)量要素,如在被測(cè)要素中的孔、軸、型腔等;(2)去除非測(cè)量要素的影響,計(jì)算被測(cè)要素面積;(3)根據(jù)采樣點(diǎn)在被測(cè)要素中分布的最大包容原則,在被測(cè)要素中確定劃分中心,即當(dāng)被測(cè)要素為對(duì)稱圖形時(shí),可選擇其形心作為劃分中心,當(dāng)被測(cè)要素為非對(duì)稱圖形時(shí),可在被測(cè)要素中選擇最大圓孔(非測(cè)量要素)的圓心作為其劃分中心。

        將WCS下的各網(wǎng)格特征的形心坐標(biāo)輸出,作為測(cè)量機(jī)測(cè)量時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)(如圖5所示),驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量。

        圖5 基于形心的測(cè)量點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Measurement point layout diagram based on centroid

        4 實(shí)例驗(yàn)證

        在被測(cè)零件中選取斜平面(含孔)及直徑為φ30mm圓柱作為測(cè)量元素,如圖6所示。首先,在MBD模型中將被測(cè)特征要素識(shí)別出來,利用基于幾何結(jié)構(gòu)和基于拓?fù)潢P(guān)系的方法將被測(cè)要素從MBD模型中提取出來,獲得檢測(cè)工序模型;其次,從檢測(cè)工序模型中獲取被測(cè)要素已知理論數(shù)據(jù),將其帶入式(2)、式(5)確定被測(cè)元素測(cè)量點(diǎn)數(shù);再次,根據(jù)被測(cè)元素的采樣點(diǎn)數(shù),結(jié)合被測(cè)元素的特點(diǎn),利用ADCS方法對(duì)被測(cè)元素進(jìn)行劃分,得到網(wǎng)格圖形;最后,求解網(wǎng)格圖形在LCS的形心坐標(biāo),通過坐標(biāo)變換獲得其在WCS下坐標(biāo),并將其輸出作為測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)。

        圖6 被測(cè)零件與測(cè)量設(shè)備Fig.6 Measured part and measurement equipment

        當(dāng)測(cè)量元素為不規(guī)則平面,設(shè)其等效長(zhǎng)徑比l=2,測(cè)量機(jī)測(cè)量精度為τ=2.5μm,被測(cè)平面元素面積、公差可從模型中獲取,即S=863.0901mm2,T平面=0.07mm。

        由式(3)、式(4)可得D等效=11.7203mm,K檢測(cè)=2.8>1,滿足測(cè)量精度要求。將D等效和K檢測(cè)帶入式(5),可得該平面所需的測(cè)量點(diǎn)數(shù)N=6.3602≈6,則可將被測(cè)平面劃分為6塊。根據(jù)式(7)計(jì)算可得各網(wǎng)格圖形在LCS下的形心坐標(biāo),通過式(9)將其轉(zhuǎn)換為WCS下的坐標(biāo),最終獲得平面的采樣分布,如圖7所示。

        圖7 平面采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.7 Sample point distribution diagram of plane

        當(dāng)測(cè)量元素為規(guī)則曲面,設(shè)零件檢測(cè)結(jié)果正確的概率為99.5%,零件加工工藝系數(shù)K加工=1.67,測(cè)量機(jī)測(cè)量精度為τ=2.5μm,從模型中提取圓柱度T圓柱=0.1mm。

        由式(3)可得K檢測(cè)=4>1,滿足測(cè)量精度要求,綜合工藝系數(shù)K=4.33,帶入式(2)可得該圓柱面所需測(cè)量點(diǎn)數(shù)N=8.4902≈9,被測(cè)元素可劃分為9塊。由于圓柱長(zhǎng)徑比l<1,故在評(píng)價(jià)圓柱度時(shí),可按鳥籠法和等面積原則將網(wǎng)格分為兩層,求解其在WCS下的形心坐標(biāo)并輸出為測(cè)量機(jī)目標(biāo)點(diǎn),最終獲得規(guī)則曲面的采樣分布,如圖8所示。

        圖8 圓柱面采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.8 Sample point distribution diagram of cylinder

        為驗(yàn)證ADCS方法在采樣點(diǎn)布置時(shí)的準(zhǔn)確性,在同一被測(cè)元素中選取相同的采樣點(diǎn)數(shù),分別應(yīng)用ADCS方法和測(cè)量機(jī)自動(dòng)布點(diǎn)方法進(jìn)行采樣點(diǎn)的布置,測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可知,基于被測(cè)元素網(wǎng)格形心來布置測(cè)量點(diǎn)所獲得的形狀誤差值與測(cè)量機(jī)自動(dòng)布點(diǎn)所獲得形狀誤差值很接近,其差值相對(duì)于理論值可以忽略不計(jì)。因此,采用基于形心的測(cè)量點(diǎn)布置方法也可準(zhǔn)確表達(dá)出零件表面的實(shí)際形貌。

        為驗(yàn)證測(cè)量點(diǎn)數(shù)公式的準(zhǔn)確性,同一被測(cè)元素在測(cè)量時(shí),可取不同的測(cè)量點(diǎn)數(shù),按照ADCS方法來布置,實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)如表2、表3所示。由表2、表3可知,圓柱度誤差值隨著采樣點(diǎn)數(shù)增加而增加,在采樣點(diǎn)增加到9個(gè)以后,誤差值趨于穩(wěn)定,平面度誤差值隨著采樣點(diǎn)增加到6個(gè)以后也趨于穩(wěn)定。故表2、表3中數(shù)據(jù)很好地驗(yàn)證了規(guī)則曲面采樣公式和不規(guī)則平面采樣點(diǎn)數(shù)公式的準(zhǔn)確性。

        表1 測(cè)量結(jié)果比較

        表2 圓柱度測(cè)量值

        表3 平面度測(cè)量值

        5 結(jié)論

        本文對(duì)基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)過程進(jìn)行了詳細(xì)的討論,在研究了現(xiàn)有的檢測(cè)規(guī)劃方法和三維數(shù)字化的基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)了三維檢測(cè)工藝的概念,提出了基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)工藝的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)規(guī)則曲面、不規(guī)則平面的測(cè)量,將被測(cè)特征公差、測(cè)量機(jī)精度、零件加工誤差與被測(cè)元素尺寸關(guān)系等主要影響因素進(jìn)行量化,推導(dǎo)得出了確定規(guī)則曲面和不規(guī)則平面測(cè)量采樣點(diǎn)數(shù)公式,并基于特征提出了自適應(yīng)劃分形心采樣方法(ADCS)。通過實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證了規(guī)則曲面、不規(guī)則平面測(cè)量點(diǎn)數(shù)公式和自適應(yīng)劃分形心采樣方法的準(zhǔn)確性、合理性和高效性,為零件檢測(cè)提供了一種新的方法與思路。

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