加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法技术

本发明专利技术公开了一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，其特征是使用自适应装夹装置，在加工过程中能够根据工件变形自适应调整装夹，释放加工过程中的残余应力，位移传感器与装夹装置集成，通过位移传感器实时监测工件的变形量，并根据实际变形情况进行特征加工顺序及刀轨策略调整。如果变形量在允许范围之内，则调整加工顺序减小下一步加工的变形。如果变形量达到警戒值，则触发在机检测，并根据检测数据调整刀轨策略，保证进一步加工的工件质量。本发明专利技术将基于残余应力等不确定性因素的变形预测难题转化为基于在线监测以及在机检测等确定性因素的问题求解，能从根本上保证零件最终加工质量。

【技术实现步骤摘要】
加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法
本专利技术涉及一种大型结构件自适应加工方法，在自适应装夹装置的基础上，实时监测变形，监测触发特征加工顺序调整以及在机检测，属于CAM/CNC
，具体地说是一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法。
技术介绍
随着飞机制造业以及数控技术的发展，整体结构件因其重量轻，结构效率高，可靠性好等优点被广泛应有于航空航天领域。但由于航空结构件的大型化和薄壁化，导致零件在加工过程因受各种因素的影响，加工结束后往往产生弯曲，翘曲或弯扭组合等变形，其中夹紧力是影响工件变形的重要因素。在零件加工过程中随着材料的去除，零件会发生塑性变形，同时在已加工表面产生残余应力，但由于传统的装夹模式为固定装夹，零件在加工过程中固定不动，无法释放内部应力，待加工结束去除装夹约束后，零件会发生回弹产生变形，且变形情况难以预测。为了满足零件的尺寸外形和精度要求，又需采用多次装夹的方式对变形后的零件进行修正，过程繁复，严重影响了加工效率。而针对结构件加工过程中的变形控制问题，现在多采用的有限元模拟仿真的方式预测零件加工变形的基本趋势，然后通过优化装夹方式，提高切削速度等方法在一定程度上控制或减缓零件的变形。但这些方法都是在初始毛坯的基础上利用模拟仿真的方法。而实际加工过程中，由于残余应力、热应力等因素的随机性，机理复杂，其引起的变形难以事前准确预测，将会造成各种误差，进一步的加工会导致零件的欠切或过切。导致实际中间过程难以控制，严重者会造成零件的报废。为了解决上述问题，本专利技术在低应力装夹模式的基础上，根据零件加工过程中实际的变形量进行加工策略的调整。本专利技术最大特点是将基于残余应力等不确定性因素的变形预测难题转化为基于在线监测以及在机检测等确定性因素的问题求解。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的飞机大型结构件加工过程中易变形，且变形量难以控制，造成尺寸误差，形状误差和位置误差，导致进一步的加工可能出现过切或欠切，严重者造成零件的报废等问题，专利技术一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，该方法使用自适应装夹装置，在加工过程中根据集成在装夹装置上的位移传感器的监测量自适应调整装夹释放加工过程中的残余应力，从而减小工件变形。本专利技术的技术方案是：一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：装夹布置。根据零件的具体形状，选择零件靠近几何中心的边缘位置或者变形较小的位置为半固定装夹点，一般情况下固定不动，可看作固定装夹点。只有在进行加工基准调整时才恢复为自适应调整装夹。其余装夹点均为自适应装夹。步骤2：在工件加工过程中每完成一个工步，即一把刀具的加工完成后，则打开自适应装夹装置的运动开关，使装夹能够通过变形释放残余应力，进而保证工件处于低应力状态；步骤3：装夹装置与位移传感器集成，当装夹装置的运动开关打开后，位移传感器监测工件在每一个装夹位置的变形量；步骤4：根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测；步骤5：根据在机检测结果进行刀轨策略的调整。所述根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测的原则是：(1)通过集成在装夹装置上的位移传感器，实时监测位移变形量ωi，判定ωi所在范围，如果变形量小于零件一次切削加工允许的最大加工余量amax与单面允许变形量ωa，即：(ωi≤ωa)&(ωi≤amax)其中ωa＝r1+t下-amin单面允许变形量是指工件变形后毛坯仍然能够在原加工基准下将理论最终状态包络，其中t下为尺寸公差的下偏差，amin为零件精加工时下表面所需的最小加工余量，amax为工件一次切削加工允许的最大加工余量。表明变形在允许范围内，继续进行零件加工，但需要对特征的加工顺序进行调整以减小进一步加工的变形量；(2)如果ωi小于单面允许变形量ωa但大于零件一次切削加工允许的最大加工余量amax，即：(ωi≤r1+t下-amin)&(ωi≥amax)表明零件的变形仍在可控范围内，但加工余量已不满足加工要求，需要触发在机检测，根据检测点的实际变形量，调整走刀策略，再进行零件的后续加工；(3)当零件位移变形量ωi超过单面允许变形量ωa但小于双面允许变形量ωs时，即：(ωi≥r1+t下-amin)&(ωi≤ωs)双面允许变形量是指超过该值之后不能通过调整基准使毛坯将工件的最终理论状态包络，考虑到零件的精加工余量要求及外形尺寸公差等指标，ωs的计算公式为：ωs＝r1+r2+t下-amin-amin'其中amin'为零件精加工时上表面所需的最小加工余量。此情况表明零件变形量已超过允许变形量，需要对加工基准进行调整，再继续加工；(4)当位移变形量ωi超过危险变形量ωs时，即：ωi≥r1+r2+t下-amin-amin′表明零件变形量已达到警戒值，已不能通过调整加工策略或基准来保证零件的合格率，需采取特殊手段才能进一步加工。所述特征加工顺序调整方法为：步骤1：沿径向对零件所有槽特征进行分层，靠近装夹点的零件最外侧槽特征为径向第一层特征，依次向里偏置一个特征，所得到的特征为径向第二层特征，如此直到所有特征都被分层；步骤2：根据各监测点的位移变形量，确定变形量最大的装夹点，首先加工距离该装夹点最近的特征；步骤3：在加工完当前特征后，寻求距离当前特征最远的特征，按对角加工的原则对当前特征的对角特征进行加工；步骤4：为了确定当前特征的对角特征，首先需要确定每个特征的中心点，如槽特征腹板面的中心点，然后测算当前特征的中心点与其余特征中心点的距离，距离最远的即可视为当前特征的对角特征。所述在机检测的检测点规划方法为：对零件进行特征识别，获取零件的腹板面、侧面和轮廓面，每3000mm2的区域内分布一个检测点。所述根据在机检测结果进行刀轨策略调整的方法为：在零件变形量超过零件一次切削加工允许的最大加工余量amax后，停机检测，获取每个检测点的厚度，进而求出加工余量，根据各点的加工余量对走刀策略进行调整，先切削加工余量较大的地方，待各处的加工余量相对均匀后，再按对角加工的原则对零件继续切削。所述根据在机检测结果进行加工基准调整的方法为：根据在机检测结果进行加工基准调整的方法为：首先确定检测点Pi到其相应特征Fj最终理论状态的距离d(Pi，Fj)，其中检测点Pi是根据零件加工过程中的中间状态选定的，而相应特征是指零件中间状态对应的理想最终状态的特征；如果Pi在的外法线方向，则距离为正，反之距离为负值；计算所有检测点到其相应特征最终理论状态的距离的均方差，记为S；利用遗传算法，对所有检测点进行统一的坐标变换，在保证d(Pi，Fj)不小于零件加工最小余量的情况下，求解出S最小值时对应的变换矩阵；根据变换矩阵对自适应装夹装置进行调整，改变工件的加工基准，使零件的最终状态在满足加工余量的要求下被包络于工件中间加工状态的材料实体内。所述的加工基准调整方法，也可在计算出变换矩阵后，将机床的坐标系按照变换矩阵进行变换，然后进行加工。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过使用自适应装夹装置和相应的调整策略，在加工过程中根据集成在装夹装置上的位移传感器的监测量自适应调整装夹释放加工过程中的残余应力，能明显减小工件变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加工‑监测‑检测‑装夹集成的大型结构件自适应加工方法，其特征在于它包括以下步骤：步骤1：装夹布置，根据零件形状，选取零件中间边缘位置或变形小的位置作为半固定装夹点，其余装夹点位置处于自适应装夹状态；步骤2：在工件加工过程中每完成一个工步，即一把刀具的加工完成后，则打开自适应装夹装置的运动开关，使装夹能够通过变形释放残余应力，进而保证工件处于低应力状态；步骤3：装夹装置与位移传感器集成，当装夹装置的运动开关打开后，位移传感器监测工件在每一个装夹位置的变形量；步骤4：根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测；步骤5：根据在机检测结果进行刀轨策略的调整或加工基准的调整。

【技术特征摘要】
1.一种加工-监测-检测-装夹集成的大型结构件自适应加工方法，其特征在于它包括以下步骤：步骤1：装夹布置，根据零件形状，选取零件中间边缘位置或变形小的位置作为半固定装夹点，其余装夹点位置处于自适应装夹状态；步骤2：在工件加工过程中每完成一个工步，即一把刀具的加工完成后，则打开自适应装夹装置的运动开关，使装夹能够通过变形释放残余应力，进而保证工件处于低应力状态；步骤3：装夹装置与位移传感器集成，当装夹装置的运动开关打开后，位移传感器监测工件在每一个装夹位置的变形量；步骤4：根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测；步骤5：根据在机检测结果进行刀轨策略的调整或加工基准的调整。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的根据监测变形量的实际情况分别触发特征加工顺序调整和在机检测是指：(1)通过集成在装夹装置上的位移传感器，实时监测位移变形量ωi，判定ωi所在范围，如果变形量小于零件一次切削加工允许的最大加工余量amax与单面允许变形量ωa，即：(ωi≤ωa)&(ωi≤amax)其中：ωa＝rI+t下-aminr1表示零件下表面剩余的加工余量；单面允许变形量是指工件变形后毛坯仍然能够在原加工基准下将理论最终状态包络，其中t下为尺寸公差的下偏差，amin为零件精加工时下表面所需的最小加工余量，amax为工件一次切削加工允许的最大加工余量；表明变形在允许范围内，继续进行加工，但需要对特征的加工顺序进行调整以减小进一步加工的变形量；(2)如果ωi小于单面允许变形量ωa但大于零件一次切削加工允许的最大加工余量amax，即：(ωi≤rI+t下-amin)&(ωi≥amax)表明零件的变形仍在可控范围内，但加工余量已不满足加工要求，需要触发在机检测，根据检测点的实际变形量，调整走刀策略，再进行零件的后续加工；(3)当零件位移变形量ωi超过单面允许变形量ωa但小于双面允许变形量时ωs，即：(ωi≥rI+t下-amin)&(ωi≤ωs)双面允许变形量是指超过该值之后不能通过调整基准使毛坯将工件的最终理论状态包络，考虑到零件的精加工余量要求及外形尺寸公差等指标，ωs的计算公式为：ωs＝r1+r2+t下-amin-amin'其中amin'为零件精加工时上表面所需的最小加工余量；r1表示零件下表面剩余的加工余量，r2表示零件上表面留下的加工余量；此情况表明零件变形量已超过单面允许变形量，需要对加工基准进行调整，再继续加工；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李迎光，刘长青，郝小忠，王慧洁，蒋欣，邵文瑶，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32