王少鋒,洪軍,王建國,李寶童,楊朝暉

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,014010,內(nèi)蒙古包頭;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;3.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院,710072,西安)

?

大型薄壁件的多點(diǎn)支承/定位方法研究

王少鋒1,2,洪軍2,王建國1,李寶童2,楊朝暉3

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,014010,內(nèi)蒙古包頭;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;3.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院,710072,西安)

為了解析工件的加工變形與其多支承/定位點(diǎn)布局之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),提出了一種新穎的多點(diǎn)支承/定位布局優(yōu)化方法。利用有限差分方法表征加工變形敏感度的思路,建立了工件加工變形對(duì)于支承/定位點(diǎn)布局的解析敏感度表達(dá)式,沿減小加工變形最敏感的方向調(diào)整支承/定位點(diǎn)分布,可以有效抑制工件加工變形、改善工藝系統(tǒng)剛度。以常見的大型薄壁件的多點(diǎn)支承/定位為研究案例,使用提出的方法對(duì)其多支承/定位點(diǎn)初始布局進(jìn)行了搜索,以此作為全局優(yōu)化初值,并對(duì)優(yōu)化后的工件加工軌跡變形計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),結(jié)果表明,工件最大加工變形被控制在0.669 4 mm內(nèi),相對(duì)優(yōu)化前的1.022 mm減小了34.5%,由此驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的正確性與合理性,并且為多支承/定位點(diǎn)布局優(yōu)化的創(chuàng)新思維模式提供了理論指導(dǎo)。

薄壁件;多點(diǎn)定位;布局優(yōu)化

大尺度合金或復(fù)合材料薄壁件常用作現(xiàn)代大型飛行器的外蒙皮,其制造過程一般采用先加工后成型工藝,但成型工序所引起的外輪廓大變形極易影響飛行器的氣動(dòng)和隱身性能。

為克服上述問題,逐漸形成了先成型后加工的工藝,但成型后的半成品屬于弱剛度薄殼類零件,定位與支承難度增大,且面向剛性體的3-2-1的6點(diǎn)定位原理已不再適用。鑒于此,文獻(xiàn)[1]提出了N-2-1定位原理,削弱了薄壁工件在測量和化銑刻線等工藝過程中的變形;文獻(xiàn)[2-3]對(duì)上述研究進(jìn)行了拓展,提出了X-2-1動(dòng)態(tài)定位原理,旨在抑制切邊等工藝過程中部分定位點(diǎn)逐漸失效所導(dǎo)致的相應(yīng)加工區(qū)域剛度減弱的狀況。從目前已查閱文獻(xiàn)的內(nèi)容看,該理論對(duì)于如何尋找最優(yōu)X的研究積累還不夠充分。

傳統(tǒng)的裝夾方案確定依賴于直觀判斷和經(jīng)驗(yàn)積累,或者有針對(duì)性地對(duì)工件弱剛度部位進(jìn)行加固。其缺陷主要在于:弱剛度部位的針對(duì)性加固需長時(shí)間地嘗試和調(diào)整。為此,大量研究圍繞著工件裝夾定位布局的優(yōu)化展開。文獻(xiàn)[4]以最小化加工位置處的結(jié)點(diǎn)變形總和為優(yōu)化目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件靜態(tài)支承/定位點(diǎn)布局的優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]延伸了文獻(xiàn)[4]的研究,將優(yōu)化目標(biāo)修正為最小化工件法向變形的平方和。此外,文獻(xiàn)[6-7]提出了一種結(jié)合有限元計(jì)算迭代優(yōu)化求解的遺傳算法,旨在解決工件多支承/定位點(diǎn)的布局優(yōu)化及定位誤差與加工軌跡變形的最小化問題。類似地,文獻(xiàn)[8-9]通過遺傳算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件已知支承/定位點(diǎn)布局的優(yōu)化。由此可看出,上述研究不約而同地選定定位誤差與加工軌跡變形為工件支承/定位點(diǎn)布局優(yōu)化的目標(biāo),但整個(gè)優(yōu)化過程均在工件初始支承/定位點(diǎn)布局已知的條件下進(jìn)行。然而,恰恰是獲取工件支承/定位點(diǎn)布局最優(yōu)方案對(duì)其初始布局,即優(yōu)化過程的初值異常敏感,因此上述方法往往只是一種改進(jìn),而不是全局最優(yōu)方案。

本文依據(jù)課題組前期針對(duì)大型薄壁件多支承/定位點(diǎn)初始布局搜索算法的研究成果[10],確定薄壁工件支承/定位點(diǎn)的初始布局,將工件支承/定位點(diǎn)布局優(yōu)化過程表達(dá)為旨在減小加工變形下的多支承/定位點(diǎn)調(diào)整問題。同時(shí),設(shè)計(jì)了優(yōu)化策略的數(shù)學(xué)表達(dá),并研究分析了目標(biāo)最優(yōu)值與約束邊界之間的內(nèi)在聯(lián)系,提出了工件多點(diǎn)支承/定位布局優(yōu)化方法與流程,為裝配件的多點(diǎn)支承/定位布局優(yōu)化提供了新的理論支持與依據(jù)。

1 多支承/定位點(diǎn)的初始布局方案

文獻(xiàn)[10]以滿足工件夾緊力和外形精度為目標(biāo),提出了跟隨加工區(qū)域布置支承/定位點(diǎn)策略,由此為大型薄壁件多支承/定位點(diǎn)布局的全局優(yōu)化提供了一種可靠的支承/定位點(diǎn)初始布局方案。方案不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件不同加工區(qū)域定位誤差的針對(duì)性的重點(diǎn)防控,而且為進(jìn)一步優(yōu)化支承/定位點(diǎn)布局,以此控制工件加工變形、提高工藝系統(tǒng)剛度,為改善加工質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

本文4.1.1節(jié)給出了課題組前期研究案例中針對(duì)大型薄壁件定位的多支承/定位點(diǎn)初始布局方案搜索結(jié)果。

2 多支承/定位點(diǎn)布局優(yōu)化策略設(shè)計(jì)

自然界植物的生長過程特性,如向重性、向水性和向氧性等,可被看作是一個(gè)具有功能目標(biāo)自適應(yīng)性的最優(yōu)化過程。受此啟發(fā),將大型薄壁件多支承/定位點(diǎn)布局的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為如何沿減小加工變形的最敏感方向調(diào)整支承/定位點(diǎn)分布的問題,由此實(shí)現(xiàn)工件加工路徑處的加工變形逐漸趨于最小。顯然,搜索減小加工變形的最敏感方向是該優(yōu)化研究的關(guān)鍵。

2.1 優(yōu)化策略設(shè)計(jì)

借鑒優(yōu)化設(shè)計(jì)中的靈敏度概念,通過計(jì)算比較工件加工變形相對(duì)各支承/定位點(diǎn)單位量移動(dòng)下的變化率,移動(dòng)方向選為對(duì)應(yīng)工裝各支承/定位柱的驅(qū)動(dòng)方向,由此確定減小加工變形的最敏感支承/定位點(diǎn)及其移動(dòng)方向,并以此作為裝配件多點(diǎn)支承/定位布局優(yōu)化過程中應(yīng)遵循的優(yōu)化策略,即調(diào)整相應(yīng)支承/定位點(diǎn)沿減小工件加工變形的最敏感方向移動(dòng)。

為便于計(jì)算,使用中心差分對(duì)上述優(yōu)化策略進(jìn)行計(jì)算,以支承/定位點(diǎn)沿x軸移動(dòng)的靈敏度為例

(1)

式中

Pi、Δpx分別表示第i號(hào)支承/定位點(diǎn)空間坐標(biāo)與其沿x軸的單位移動(dòng)增量。

支承/定位點(diǎn)沿y軸移動(dòng)的靈敏度計(jì)算類似。

2.2 優(yōu)化策略決策實(shí)例

基于式(1)所示工件多支承/定位點(diǎn)布局優(yōu)化策略的數(shù)學(xué)內(nèi)涵,構(gòu)造如圖1所示的4支承/定位點(diǎn)的工件加工變形敏感度計(jì)算模型,以此分析相應(yīng)支承/定位點(diǎn)沿x、y軸的移動(dòng)對(duì)載荷受力處工件變形的影響,并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)靈敏度的計(jì)算。以#4支承/定位點(diǎn)的分析為例,分別將各支承/定位點(diǎn)沿x、y軸分別正、負(fù)偏置Δpx、Δpy時(shí),分析對(duì)工件表面法向載荷受力處變形的影響,可得對(duì)應(yīng)敏感度的計(jì)算結(jié)果,如表1所示。其他支承/定位點(diǎn)的計(jì)算類似。

材料:Al Alloy;彈性模量:70 GP;泊松比:0.3;單元:Shell[8]; 厚度:3 mm; ΔPx:20 mm; ΔPy:20 mm圖1 #4支承/定位點(diǎn)工件加工變形敏感度計(jì)算模型

定位/支承點(diǎn)SxSy1900×10-5900×10-52240×10-4535×10-43535×10-4240×10-44438×10-3438×10-3

由此可以看出,工件表面法向載荷受力處變形的波動(dòng)相對(duì)#4支承/定位點(diǎn)沿y軸的單位增量移動(dòng)最為敏感(Sy=4.38×10-3),而#1支承/定位點(diǎn)沿x、y軸的單位增量移動(dòng)對(duì)于削弱載荷受力處變形幾乎無影響(Sx=Sy=0.9×10-5)。顯然,調(diào)整支承/定位點(diǎn)布局的決策為沿y軸正向移動(dòng)#4支承/定位點(diǎn)。

3 多支承/定位點(diǎn)布局優(yōu)化方法

多支承/定位點(diǎn)布局優(yōu)化方法的研究關(guān)鍵在于:找出一個(gè)合適的多點(diǎn)支承/定位布局P,在滿足所有約束時(shí),使工件加工載荷下的工件加工變形最小。顯然,數(shù)學(xué)簡化多點(diǎn)支承/定位工裝原型、構(gòu)建優(yōu)化模型(包括優(yōu)化目標(biāo)和約束條件)與優(yōu)化算法是該研究的重點(diǎn)。

3.1 多點(diǎn)支承/定位陣列工裝的數(shù)學(xué)簡化

為了便于對(duì)文獻(xiàn)[10]所提出的多點(diǎn)柔性支承/定位陣列工裝原型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,將其簡化為圖2所示的通用模型。

圖2 多點(diǎn)柔性支承/定位陣列工裝簡化模型

如圖2所示,假設(shè)該系統(tǒng)具有滑枕的總數(shù)為m,每個(gè)滑枕具有n個(gè)支承/定位單元,則工件的任意支承/定位點(diǎn)布局形式可表示為

P=(P1,P2,…,Pm)

(2)

式中:Pi=(pi,1,pi,2,…,pi,n)T(i=1,2,…,m)表示第i號(hào)滑枕上n個(gè)支承/定位單元末端定位點(diǎn)坐標(biāo);pi,j=(pi,j_x,pi,j_y,pi,j_z)T(j=1,2,…,n)為相應(yīng)支承/定位單元末端定位點(diǎn)的空間坐標(biāo)。顯然,同一滑枕上各支承/定位點(diǎn)具有相同的x軸坐標(biāo)。為此,以pi_x表示對(duì)應(yīng)同一滑枕上的支承/定位點(diǎn)x坐標(biāo),那么第i號(hào)滑枕上第j號(hào)滑座上定位/支承單元末端定位點(diǎn)的空間坐標(biāo)可表示為

pi,j=(pi_x,pi,j_y,pi,j_z)T

(3)

3.2 構(gòu)建優(yōu)化模型

3.2.1 構(gòu)建目標(biāo)函數(shù) 為描述大型薄壁件裝夾定位后抗拒加工變形的能力,構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)如下

(4)

式中:kD為加工路徑各離散點(diǎn)處的系統(tǒng)工藝剛度;δm為工件加工路徑上不同位置的加工變形;Fp為加工載荷;n為加工路徑上各受力點(diǎn)處的法向量。

由式(4)可以判斷支承/定位點(diǎn)布局的優(yōu)劣:若對(duì)應(yīng)加工位置周圍存在足夠合理的支承/定位點(diǎn)布局,則該處剛度趨于無窮大,說明該加工位置已被充分支承與定位,加工變形近似為0;若該剛度很小,表明對(duì)應(yīng)加工位置處變形較大,加工質(zhì)量擾動(dòng)大,應(yīng)調(diào)整支承/定位點(diǎn)布局。因此,該指標(biāo)反映了工件在相應(yīng)加工位置處對(duì)支承/定位點(diǎn)布局優(yōu)化的需求程度。

基于文獻(xiàn)[10]得到的支承/定位單元初始布局P,在保證加工區(qū)域支撐剛度和裝夾精度的前提下,調(diào)整支承/定位點(diǎn)分布以減少實(shí)際加工變形,進(jìn)而使式(4)所給優(yōu)化目標(biāo)取得極大值的優(yōu)化過程可表述為如下優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

max(kD)=f(P1,P2,…,Pm)

(5)

3.2.2 構(gòu)建約束條件 為了避免不當(dāng)支承/定位點(diǎn)布局所引起的支承/定位夾持機(jī)構(gòu)間的幾何運(yùn)動(dòng)干涉,對(duì)圖2所示支承/定位夾持機(jī)構(gòu)各驅(qū)動(dòng)組件的運(yùn)動(dòng)極限進(jìn)行約束如下。

(1)滑枕移動(dòng)約束。第i號(hào)滑枕沿x軸的移動(dòng)范圍受第i-1、i+1號(hào)滑枕所在位置限制,即

pi-1_x+umin

i=2,3,…,m-1

(6)

式中:umin為相鄰滑枕接觸時(shí)相應(yīng)支承/定位單元末端定位點(diǎn)間的最小x向間距。

最外側(cè)兩滑枕(i=1,m)的移動(dòng)范圍受工裝系統(tǒng)基座外緣x向尺寸的限制,即

xmin

(7)

pm-1_x-umin

(8)

式中:xmin、xmax分別為第1、第m號(hào)滑枕沿x軸正負(fù)向所能移動(dòng)到的最遠(yuǎn)處。

(2)滑座移動(dòng)約束。第i號(hào)滑枕上的第j號(hào)滑座沿y軸的移動(dòng)范圍受第j-1、第j+1號(hào)滑座上支承/定位單元所處位置的限制,即

pi,j-1_y+vmin

i=1,2,…,m;j=2,3,…,n-1

(9)

式中:vmin為相鄰滑座接觸時(shí)相應(yīng)支承/定位單元末端定位點(diǎn)間的最小y向間距。

最外側(cè)兩滑座(j=1,n)的移動(dòng)范圍受工裝基座外緣y向尺寸的限制,即

ymin

(10)

pi,n-1_y-vmin

(11)

式中:ymin、ymax分別為第i(i=1,2,…,m)號(hào)滑枕上第1、第n號(hào)滑座沿y軸正、負(fù)向所能移動(dòng)到的最遠(yuǎn)處。

3.3 構(gòu)建優(yōu)化算法

通過求解優(yōu)化變量P1,P2,…,Pm,可確定支承/定位點(diǎn)分布,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件加工變形及其動(dòng)剛度的控制。需特別注意的是:支承/定位點(diǎn)的靈敏度計(jì)算通常只需考慮加工載荷附近區(qū)域,因距離較遠(yuǎn)的支承/定位點(diǎn)對(duì)加工變形幾乎無任何影響,這樣可大大節(jié)省計(jì)算資源,提高優(yōu)化效率。由此,該優(yōu)化過程實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下。

步驟1 初始化設(shè)置。設(shè)置支承/定位點(diǎn)初始布局P=(P1,P2,…,Pm),具體過程見文獻(xiàn)[10]。

步驟2 于支承/定位點(diǎn)布局P的工件有限元數(shù)值分析建模,求解工件的加工變形。

步驟3 求解工件加工路徑各離散加工位置處的系統(tǒng)工藝剛度。提取加工路徑各離散加工位置處最大變形,求解對(duì)應(yīng)各離散加工位置處剛度kD,若kD>kD_max,表明該支承/定位單元分布P滿足工件加工質(zhì)量需求,優(yōu)化計(jì)算結(jié)束;否則,需對(duì)支承/定位點(diǎn)布局進(jìn)行調(diào)整。

步驟5 沿x軸方向調(diào)整加工路徑上最大加工變形處周圍支承/定位點(diǎn)位置。利用式(1)計(jì)算各支承/定位點(diǎn)沿x方向移動(dòng)的靈敏度Sy[f(P)],沿影響加工變形最敏感方向移動(dòng)相應(yīng)支承/定位點(diǎn)。若移動(dòng)后支承/定位點(diǎn)滿足約束條件式(6)～式(8),則支承/定位點(diǎn)未觸界,重構(gòu)支承/定位點(diǎn)布局P=(P″1,P″2,…,P″m),返回步驟2;否則,支承/定位點(diǎn)觸界,優(yōu)化過程結(jié)束,布局P為最終優(yōu)化結(jié)果。

上述多點(diǎn)支承/定位布局優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 多點(diǎn)支承/定位布局優(yōu)化流程

4 算例研究

本節(jié)沿用文獻(xiàn)[10]所構(gòu)建的有限元數(shù)值計(jì)算模型,并基于文獻(xiàn)[10]所得到的大型薄壁件多支承/定位初始布局方案,修正模型中支承/定位點(diǎn)的初始位置。沿工件加工路徑依次施加300 N法向加工載荷分量,利用2.1節(jié)所設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略,通過3.3節(jié)所構(gòu)建的優(yōu)化算法對(duì)相應(yīng)支承/定位點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整,以此展示其逼近最大加工變形位置的整個(gè)過程。最終獲取對(duì)應(yīng)加工位置的最優(yōu)剛度,以此削弱加工變形,進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提優(yōu)化算法的正確性和合理性。

4.1 理論計(jì)算分析

4.1.1 多支承/定位點(diǎn)初始布局搜索 算例依據(jù)本課題組前期針對(duì)大型薄壁件多支承/定位點(diǎn)初始布局搜索算法的研究[10],在保證工件可靠夾持及對(duì)工件不同加工區(qū)域定位誤差有針對(duì)性重點(diǎn)防控的前提下,確定了工件支承/定位點(diǎn)的初始布局,其空間坐標(biāo)如表2所示。

表2 支承/定位點(diǎn)空間坐標(biāo) mm

圖4 調(diào)整階段I

圖5 調(diào)整階段II

圖6 調(diào)整階段III

圖7 調(diào)整階段XII

圖8 優(yōu)化前后加工路徑的加工變形對(duì)比

圖9 加工變形與工藝系統(tǒng)剛度變化歷程

4.1.3 工件加工路徑變形分析 工件加工路徑上各離散加工位置處的加工變形在優(yōu)化前后的對(duì)比如圖8所示。由此可看出:加工路徑1的加工變形在優(yōu)化后大大減小,而路徑2的加工變形基本不變。原因在于:相對(duì)加工路徑1,加工路徑2周圍的支承/定位點(diǎn)密度更大,最大加工變形未出現(xiàn)在路徑2上,優(yōu)化過程未改變加工路徑2周圍的支承/定位點(diǎn)分布。同時(shí),最大加工變形與工藝系統(tǒng)剛度的變化趨勢(shì)如圖9所示,可以發(fā)現(xiàn),最大變形比優(yōu)化前減小了34.5%,且大大提高了工件加工過程的剛度,保障了工件的加工質(zhì)量。

4.2 模態(tài)實(shí)驗(yàn)測試分析

4.2.1 模態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成 如圖10所示,構(gòu)建了模態(tài)測試系統(tǒng),主要由薄壁件、多點(diǎn)柔性支承/定位陣列工裝、086D50型PCB力錘(208C03型力傳感器)、壓電式ICP三向加速度傳感器、LMS SCADAS III多通道數(shù)采、Test.Lab模態(tài)分析軟件和計(jì)算機(jī)組成。該測試系統(tǒng)主要用于獲取外界激振下薄壁件與多點(diǎn)柔性工裝系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)支承/定位點(diǎn)布局下的響應(yīng)信號(hào),以及完成信號(hào)的濾波、放大等功能。

圖10 模態(tài)測試系統(tǒng)示意框圖

4.2.2 模態(tài)實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì) 采用單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)拾取的方法對(duì)工件模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測試。選擇薄壁件上表面的中央位置作為激勵(lì)點(diǎn),在工件模型上布置99個(gè)測點(diǎn)。在LMS分析軟件中,以薄壁件一個(gè)角點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,輸入所有測點(diǎn)的三維坐標(biāo),建立模型結(jié)構(gòu)的點(diǎn)框圖。圖11顯示了模態(tài)實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境。

圖11 模態(tài)實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境

在建立測點(diǎn)點(diǎn)框模型之后,完成多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的連接,測試中使用2個(gè)三向加速度傳感器獲取三維振型。對(duì)每個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行5次敲擊測試,取平均值,確保每次數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠。在完成一組測試之后將傳感器移至下一組測量點(diǎn),最終獲得整個(gè)模型99個(gè)測點(diǎn)的頻響函數(shù)。將頻率帶寬設(shè)置為0～200 Hz,利用LMS軟件中的Time MDOF模塊對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析。

4.2.3 模態(tài)參數(shù)識(shí)別、分析與系統(tǒng)修正 如圖12所示,提取對(duì)應(yīng)本節(jié)所得到的支承/定位點(diǎn)布局下薄壁件的1、2階模態(tài)振型,特別顯示1階模態(tài)振型。由此可以看出:工件在寬度方向上的剛度較差,其下側(cè)邊緣較長的懸出部分產(chǎn)生了彎曲振動(dòng)變形;工件的長度方向相對(duì)寬度方向剛度較弱,產(chǎn)生了彎曲振動(dòng)變形,且中間無支撐區(qū)域產(chǎn)生了沿垂直方向的彎曲。表3對(duì)其前2階振型的特點(diǎn)進(jìn)行了描述。

圖12 薄壁件1階模態(tài)振型

階數(shù)頻率/Hz振型描述特點(diǎn)140516左側(cè)邊緣、中間無支撐區(qū)域沿垂直方向彎曲垂直方向彎曲265203左下部邊緣沿寬度方向扭曲垂直方向微弱扭曲寬度方向扭曲

4.2.4 支承/定位點(diǎn)布局修正 鑒于本實(shí)驗(yàn)室多點(diǎn)支承/定位系統(tǒng)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束,選擇整體向左移動(dòng)最外側(cè)第2號(hào)滑枕上的p2,1和p2,2,以此修正支承/定位點(diǎn)布局。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與未調(diào)整p2,1和p2,2時(shí)薄壁件固有頻率相比,其1階固有頻率由未修正時(shí)的40.516 Hz提高到修正后的43.782 Hz。圖13所示為模態(tài)振型實(shí)測結(jié)果,修正后,其變形演變?yōu)樽笙逻吔堑穆N曲,且中間無支承/定位點(diǎn)部位振型明顯變小,較好地抑制了振動(dòng)。

圖13 薄壁裝配件1階模態(tài)振型(修正后)

5 結(jié) 論

本文緊密結(jié)合薄壁件多點(diǎn)支承/定位布局優(yōu)化的數(shù)學(xué)建模這一基礎(chǔ)理論問題,提出了多支承/定位點(diǎn)布局的優(yōu)化策略——沿減小加工變形最敏感方向調(diào)整支承/定位點(diǎn)分布。在此基礎(chǔ)上,提出了抑制加工變形的多點(diǎn)定位布局優(yōu)化方法。以常見的大型薄壁件的多點(diǎn)支承/定位為案例,并以本課題組前期研究中所提出的跟隨加工區(qū)域布置定位點(diǎn)的方法,對(duì)大型薄壁件的多支承/定位點(diǎn)初始布局進(jìn)行搜索,以此作為優(yōu)化初值,進(jìn)而全程展示了多支承/定位點(diǎn)布局的優(yōu)化流程。對(duì)優(yōu)化后的工件加工軌跡變形計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),發(fā)現(xiàn)最大加工變形被控制在0.669 4 mm內(nèi),相對(duì)優(yōu)化前的1.022 mm減小了34.5%,由此驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的正確性與合理性。此外,通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)相應(yīng)支承/定位點(diǎn)布局下工件固有頻率以及振型等進(jìn)行了測試,并以此提出了修正支承/定位點(diǎn)布局或添加輔助支承/定位點(diǎn)抑制振動(dòng)變形的方法。

[1] CAI W, HU S J, YUAN J. Deformable sheet metal fixturing: principles, algorithms, and simulations [J]. J Manuf Sci Eng, 1996, 118: 318-324.

[2] 胡福文, 李東升, 李小強(qiáng), 等. 面向飛機(jī)蒙皮柔性夾持?jǐn)?shù)控切邊的定位仿真系統(tǒng)及應(yīng)用 [J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2012(5): 993-998. HU Fuwen, LI Dongsheng, LI Xiaoqiang, et al. Locating simulation for aircraft skins NC trimming based on flexible holding fixture [J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2012(5): 993-998.

[3] 胡福文, 李東升, 李小強(qiáng), 等. 蒙皮柔性夾持?jǐn)?shù)控切邊的工藝設(shè)計(jì)方法 [J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 38(5): 675-680. HU Fuwen, LI Dongsheng, LI Xiaoqiang, et al. Process planning of aircraft skins NC trimming based on reconfigurable fixture [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2012, 38(5): 675-680.

[4] MENASSA R J, DEVRIES W R. Optimization methods applied to selecting support positions in fixture design [J]. Trans ASME J Eng for Ind, 1991, 113: 412-418.

[5] CAI W, HU S J, YUAN J X. Deformable sheet metal fixturing: principles, algorithms and simulations [J]. Trans ASME J Manufact Science and Engng, 1996, 118: 318-324.

[6] WU N H, CHAN K C. A genetic algorithm based approach to optimal fixture configuration [J]. Comput Ind Engng, 1996, 31(3/4): 919-924.

[7] KULANKARA K, SATYANRAYANA S, MELKOTE S N. Iterative fixture layout and clamping force optimization using the genetic algorithm [J]. Transactions of the ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2002, 124: 119-125.

[8] 秦國華, 張衛(wèi)華, 周孝倫. 夾緊方案的數(shù)學(xué)建模及夾緊力的優(yōu)化設(shè)計(jì) [J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2008, 24(4): 438-446. QIN Guohua, ZHANG Weihua, ZHOU Xiaolun. Modeling and optimal design of fixture clamping scheme [J]. Mechanical Science and Technology, 2008, 24(4): 438-446.

[9] 陸俊百. 飛行器大型薄壁件柔性工藝裝備系統(tǒng)研究 [D]. 北京: 清華大學(xué), 2010.

[10]王少鋒, 洪軍, 王建國, 等. 大型薄壁件多點(diǎn)定位的初始布局優(yōu)化算法研究 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 50(5): 38-44. WANG Shaofeng, HONG Jun, WANG Jianguo, et al. Initial distribution optimization for multi-point location of large-scale thin-wall component [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50(5): 38-44.

[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

王少鋒,洪軍,王建國,等.大型薄壁件多點(diǎn)定位的初始布局優(yōu)化算法研究[J].2016,50(5):38-44.[doi:10.7652/xjtuxb 201605006]

吳繼琸,朱剛賢,陸斌,等.自愈合效應(yīng)對(duì)光內(nèi)送粉激光變斑熔覆成形薄壁件的影響[J].2016,50(1):145-150.[doi:10.7652/xjtuxb201601022]

周強(qiáng),劉志剛,洪軍,等.卡爾曼濾波在精密機(jī)床裝配過程誤差狀態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用[J].2015,49(12):97-103.[doi:10.7652/xjtuxb201512016]

王少鋒,張進(jìn)華,劉志剛,等.大型飛機(jī)機(jī)身壁板裝配位姿調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[J].2011,45(3):102-106.[doi:10.7652/xjtuxb201103019]

丁建軍,蔣莊德,李兵,等.線結(jié)構(gòu)光掃描測頭誤差分析與補(bǔ)償方法[J].2008,42(3):286-290.[doi:10.7652/xjtuxb2008 03007]

(編輯 杜秀杰)

Multi-Point Location Method of Large-Scale Thin-Wall Component

WANG Shaofeng1,2,HONG Jun2,WANG Jianguo1,LI Baotong2,YANG Zhaohui3

(1. School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mongolia 014010,China; 2. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;3. School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To analyze the relationship between workpiece machining deformation and multi-point location/support distribution, a new optimization method is proposed to amend multi-point location/support distribution. Depending on the idea of representing the sensitivities of machining deformation with finite difference method, the analytic expressions for sensitivities of machining deformation with respect to location/support distribution are established. The location/support distribution is adjusted along the most sensitive direction to restrain machining deformation and improve process system stiffness. A multi-point location of large-scale thin-wall component is taken as an example, and the searched initial distribution of location/support point is regarded as the initial value for the global optimization of multi-point location/support distribution. A comparison with non-optimized workpiece machining path deformation shows the maximum machining deformation is reduced by 34.5%, which is limited below 0.669 4 mm far less than the non-optimized value of 1.022 mm.

thin-wall component; multi-point location; distribution optimization

2015-12-16。 作者簡介:王少鋒(1980—),男,講師;洪軍(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51405377)。

時(shí)間:2016-03-11

10.7652/xjtuxb201606019

TH161

A

0253-987X(2016)06-0122-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160311.1711.002.html