一种群孔加工工艺规划方法技术

本发明专利技术属于航空航天制造领域，具体涉及一种群孔加工工艺规划方法，本发明专利技术以单次制孔操作加工的全部孔为一组，将每组待加工孔的孔位，以制孔执行器孔加工方向为投影方向，投影在垂直于制孔执行器孔加工方向的平面S，将制孔执行器上各个单孔加工功能的中心点投影在平面S，计算平面内每组待加工孔位投影点与制孔执行器上对应孔加工功能中心投影点的距离，以每组距离为优化对象，实现每组孔较优的制孔执行器孔加工位置和姿态的规划。本发明专利技术将单次制孔操作加工孔的孔位偏差和孔法矢偏差最小问题转化为平面内距离最小问题，将空间规划问题简化为平面规划问题，增加了规划可行性，降低了孔位和法矢双约束规划的复杂度，提高了制孔工艺规划效率。孔工艺规划效率。孔工艺规划效率。

【技术实现步骤摘要】
一种群孔加工工艺规划方法


[0001]本专利技术属于航空航天制造领域，具体涉及一种群孔加工工艺规划方法。

技术介绍

[0002]群孔是指局部或者全局具有规律地、分布在平面或者曲面上的特定孔径的一组孔，群孔结构广泛应用于家居、汽车、船舶、粒子物理实验设备、航空航天器等产品上，主要功能有装饰、过滤、消声降噪、改善气动性能等。目前针对零件群孔结构的制造工艺，较为成熟的主要有：钻孔、冲床制孔、激光制孔、高压水流制孔、电火花脉冲制孔、超声振动制孔等。
[0003]民用航空发动机为改善气动性能和降低噪声，设计了利用亥姆霍兹（Helmholtz）共振原理消音的声衬结构，声衬结构由穿孔面板、共振腔以及刚性背板三部分构成。其中穿孔面板的制造需要在声衬面板上制备大量直径仅为1mm左右的小孔，孔间距一般在2mm左右，孔数达到数十万级，每个孔单独加工效率非常低，为保证生产制造效率通常需要批量加工。航空航天器具有群孔结构的零部件，例如民用航空发动机的声衬结构等，群孔普遍位于零部件内外部的曲面上，孔法矢为曲面在孔心位置的法向量，曲面曲率的变化导致孔法矢方向不一致，法矢变化不规律，群孔批量加工工艺规划需要同时考虑所有孔的孔位偏差和孔法矢偏差，规划过程十分复杂，规划效率极低。

技术实现思路

[0004]针对群孔加工工艺规划同时考虑孔位偏差和孔法矢偏差，规划过程复杂效率低的问题，本专利技术提出了一种群孔加工工艺规划方法。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：一种群孔加工工艺规划方法，包括如下步骤：步骤一，将待加工孔进行分组，以制孔执行器单次制孔操作加工的孔分为一组，每组孔分别进行制孔执行器孔加工位置和姿态的规划；步骤二，将待加工孔的孔位、制孔执行器上各个单孔加工功能的中心点，以制孔执行器孔加工方向为投影方向，投影在垂直于制孔执行器孔加工方向的平面S上；步骤三，计算平面S内每组待加工孔孔位投影点与制孔执行器上对应单孔加工功能中心投影点的距离，通过距离进行制孔执行器孔加工位置和姿态规划；步骤四，采用分步迭代优化方法规划制孔执行器孔加工位置和姿态，以每组孔中，各个孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点距离的标准差最小为约束条件，优化制孔执行器孔加工矢量方向；以孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点的距离平方和最小为约束条件，规划制孔执行器孔加工位置；步骤五，采用优化算法规划方法进行制孔执行器孔加工位置和姿态规划，以距离的平方和最小为目标，以孔制造公差和制孔设备行程空间作为制孔执行器孔加工位置和姿态的边界条件，通过优化方法实现每组孔的制孔执行器孔加工位置和姿态的规划。
[0006]进一步地，所述制孔执行器为具有多个单孔加工功能或者多个具备单孔加工功能
的器件，制孔执行器单次制孔操作可加工多个孔。
[0007]进一步地，所述孔加工矢量中的矢量方向包括沿孔加工方向矢量和垂直孔加工方向矢量。
[0008]进一步地，分步迭代优化方法具体包括如下步骤：步骤1，计算单次制孔操作加工的待加工孔的轴线矢量平均值，以平均值作为制孔执行器沿孔加工方向的矢量初始值；步骤2，基于已有的制孔执行器沿孔加工方向的矢量，以每组孔中，各个孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点距离的标准差最小为约束条件，优化垂直孔加工方向的矢量；步骤3，基于已经优化得到的垂直孔加工方向矢量，以每组孔中，各个孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点距离的标准差最小为约束条件，优化制孔执行器沿孔加工方向的矢量；步骤4，基于已经优化得到的孔加工姿态矩阵，以孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点的距离平方和最小为约束条件，优化制孔执行器的孔加工位置；重复步骤2~步骤4，距离的标准差和平方和不再减小，停止迭代，此时制孔执行器孔加工位置和姿态满足孔制造公差要求，则完成规划；否则，转至下一步骤优化算法规划方法。
[0009]进一步地，所述优化算法规划方法为：首先构建投影平面S，沿制孔执行器孔加工方向，以距离制孔执行器端面L（L>0）的平面为投影平面；其次构建与投影平面相关的坐标系UCS (x,y,z,α,β,γ)，坐标原点为制孔执行器孔加工功能中心在投影平面S内的投影，坐标系Z轴为制孔执行器孔加工方向矢量，即坐标系Z轴垂直于投影平面，x,y,z,α,β,γ是UCS(x,y,z,α,β,γ)在世界坐标系中的位姿参数，其中，x,y,z是UCS (x,y,z,α,β,γ)位于投影平面内的坐标原点在世界坐标系中的坐标值，α,β,γ分别为UCS(x,y,z,α,β,γ)相对世界坐标系Z轴、X轴、Y轴的旋转角度；孔位投影点与制孔执行器上对应单孔加工功能中心点投影点的距离平方和L为参数x,y,z,α,β,γ的函数F(x,y,z,α,β,γ)，制孔执行器孔加工位置点和孔加工姿态矩阵为坐标系UCS(x,y,z,α,β,γ)中的已知量，采用数值求解方法或者遗传算法求解min(F(x,y,z,α,β,γ))得到x,y,z,α,β,γ，即可得到制孔执行器孔加工位置点和姿态矩阵；若该孔加工位置点和姿态矩阵满足孔位公差、孔法矢公差要求，则以此作为制孔执行器孔加工位置和姿态，否则当前加工设备条件无法满足孔加工要求。
[0010]再进一步地，所述优化算法规划方法具体实施过程为：需要制孔的零件和制孔执行器所在世界坐标系为，与制孔执行器固联的刀具坐标系为，以平行于制孔执行器孔加工装置或功能的轴线方向为刀具坐标系的Z轴，以制孔执行器单孔加工装置端面为刀具坐标系的XY平面，制孔执行器孔加工进给方向为制孔执行器孔加工装置或功能的轴线方向，制孔执行器孔加工位置点和孔加工方向矢量为刀具坐标系中的已知量；
世界坐标系中任意点在刀具坐标系中表示为，从世界坐标系到刀具坐标系的变换矩阵为，即
[0011]变换矩阵为
[0012]其中x,y,z,α,β,γ是表示变换矩阵的6个独立参数，x,y,z是刀具坐标系的坐标原点在世界坐标系中的坐标值，α,β,γ是刀具坐标系相对世界坐标系坐标轴Z轴、X轴、Y轴的旋转角度，变换矩阵能够表示世界坐标系在刀具坐标系为中的位姿；零件上任意已知孔位在世界坐标系中为，在刀具坐标系中表示为，即
[0013]孔位在刀具坐标系的XY平面内的投影点为，正交投影变换矩阵为，
[0014]即，
[0015]其中，
[0016]是独立参数x,y,z,α,β,γ表示的矩阵；制孔执行器单次制孔操作加工的一组孔的孔位为（i=1~n），在刀具坐标系的投影点为（i=1~n）；在刀具坐标系的XY平面内，孔位投影点与制孔执行器上各个对应单孔加工功能中心点投影点（i=1~n）的距离平方和L为独立参数x,y,z,α,β,γ的函数，即
[0017]通过数值方法或者遗传算法求解取函数取最小值时x,y,z,α,β,γ的取值，得到和，此时对应的即为制孔执行器孔加工位置点和孔加工矢量。
[0018]进一步地，制孔执行器包括机加钻头、冲压设备冲头、激光加工装置、高压水流加
工装置、电火花制孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种群孔加工工艺规划方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，将待加工孔进行分组，以制孔执行器单次制孔操作加工的孔分为一组，每组孔分别进行制孔执行器孔加工位置和姿态规划；步骤二，将待加工孔的孔位、制孔执行器上各个单孔加工功能的中心点，以制孔执行器孔加工方向为投影方向，投影在垂直于制孔执行器孔加工方向的平面S上；步骤三，计算平面S内每组待加工孔孔位投影点与制孔执行器上对应单孔加工功能中心投影点的距离，通过距离进行制孔执行器孔加工位置和姿态规划；步骤四，采用分步迭代优化方法规划制孔执行器孔加工位置和姿态，以每组孔中，各个孔位投影点与制孔执行器上对应单孔加工功能中心投影点距离的标准差最小为约束条件，优化制孔执行器孔加工矢量方向；以孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点的距离平方和最小为约束条件，规划制孔执行器孔加工位置；如果规划结果满足要求则完成规划；否则，转至步骤五优化算法规划方法；步骤五，采用优化算法规划方法进行制孔执行器孔加工位置和姿态规划，以距离的平方和最小为目标，以孔制造公差和制孔设备行程空间作为制孔执行器孔加工位置和姿态的边界条件，通过优化方法实现每组孔的制孔执行器孔加工位置和姿态的规划。2.根据权利要求1所述的一种群孔加工工艺规划方法，其特征在于：所述制孔执行器为具有多个单孔加工功能或者多个具备单孔加工功能的器件，制孔执行器单次制孔操作可加工多个孔。3.根据权利要求1所述的一种群孔加工工艺规划方法，其特征在于：所述孔加工姿态包括沿孔加工方向的矢量 和垂直孔加工方向的矢量。4.根据权利要求1所述的一种群孔加工工艺规划方法，其特征在于：分步迭代优化方法具体包括如下步骤：步骤1，计算单次制孔操作加工的待加工孔的轴线矢量平均值，以平均值作为制孔执行器沿孔加工方向的矢量初始值；步骤2，基于已有的制孔执行器沿孔加工方向的矢量，以每组孔中，各个孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点距离的标准差最小为约束条件，优化垂直孔加工方向的矢量；步骤3，基于已经优化得到的垂直孔加工方向矢量，以每组孔中，各个孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点距离的标准差最小为约束条件，优化制孔执行器沿孔加工方向的矢量；步骤4，基于已经优化得到的制孔执行器孔加工姿态，以孔位投影点与制孔执行器上各对应单孔加工功能中心投影点的距离平方和最小为约束条件，优化制孔执行器的孔加工位置；重复步骤2~步骤4，直到距离的标准差和平方和不再减小，停止迭代，此时制孔执行器孔加工位置和姿态满足孔制造公差要求，则完成规划；否则，转至下一步骤优化算法规划方法。5.根据权利要求1所述的一种群孔加工工艺规划方法，其特征在于：所述优化算法规划
方法为：首先构建投影平面S，沿制孔执行器孔加工方向，以距离制孔执行器端面L（L>0）的平面为投影平面；其次构建与投影平面相关的坐标系UCS(x,y,z,α,β,γ)，坐标原点为制孔执行器孔加工功能中心在投影平面S内的投影，坐标系Z轴为制孔执行器孔加工方向矢量，即坐标系Z轴垂直于投影平面，x,y,z,α,β,γ是UCS(x,y,z,α,β,γ)在世界坐标系中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌利，曾德标，宋戈，高鑫，沈昕，王鹏程，姜振喜，章绍昆，刘翘楚，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：