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      隨機定位加工在數(shù)控加工中的應(yīng)用

      2014-04-27 13:07:58袁士平
      制造技術(shù)與機床 2014年7期
      關(guān)鍵詞:壁板基準坐標系

      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)移動工件,調(diào)整工件的位置、方向,使工件的基準與編程坐標系精確重合,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、找基準邊、基準孔等。這些方法在許多工件上遇到了困難:(1)飛機蒙皮、壁板等由曲面構(gòu)成的復(fù)雜工件,無法直接構(gòu)建基準,傳統(tǒng)的找正方法需要設(shè)計夾具,工件曲面與夾具上的模胎貼合,將工件基準轉(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,使基準變得不再精確,傳統(tǒng)找正方法會喪失精度。(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,傳統(tǒng)找正方法需要消耗大量的時間和人力物力。(4)大型工件的尺寸有可能超過機床的行程,工件上的基準可能在機床行程范圍之外,傳統(tǒng)的找正方法無法實施。(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,本文提出隨機定位加工。

      1 隨機定位加工的定義

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

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

      2 隨機定位加工的主要算法

      隨機定位加工的主要算法是將工件-機床模型與零件理論模型中的幾何體進行最大程度重疊的配準算法。比較常用的配準算法有三點對齊法,最小二乘法。

      三點對齊法需要分別從工件-機床模型與零件理論模型中確定出3 對基準點{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P1、P2和P3的平面到包含Q1、Q2和Q3的平面[2]??捎贸S萌S軟件實現(xiàn),按照2 組點創(chuàng)建2 個坐標系,再用2 個坐標系將對應(yīng)的幾何體對齊即可。3 點對齊法的優(yōu)點是計算簡單,缺點是參與配準的點太少,個別點的誤差將造成結(jié)果偏差較大。

      最小二乘法是應(yīng)用較廣泛的配準算法,首先在工件上測量多個特征點,再求特征點坐標與工件零件理論模型距離的平方和。當(dāng)平方和最小時,可認為工件-機床模型與零件理論模型達到最大重合。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 等軟件實現(xiàn)。

      由于測量誤差、工件變形、工件制造誤差的存在,工件-機床模型與零件理論模型不可能完全重合。工件-機床模型與理論模型達到最大重合后,需要給出每個點的偏差值、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)。對某些偏差較大的異常點,在分析工件實際情況基礎(chǔ)上可以手動予以剔除。

      3 隨機定位加工的應(yīng)用實例

      某飛機垂直安定面壁板(如圖1 所示)為變厚度,帶桁條、對接接頭結(jié)構(gòu),長約9 m,寬約2. 5 m,厚度3.40 mm,該壁板帶有飛機氣動外形,與飛機機身、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Φ54 H7 裝配孔位置度要求達到Φ0.1 mm。由于復(fù)材成形工藝不能形成準確的輪廓、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。(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,夾具上的參考基準變得不可靠。(3)夾具重10 t,長11 m,要想在機床上實現(xiàn)精確的平移、轉(zhuǎn)動很困難。在這種情況下,筆者采用了隨機定位加工的方法,用橋式五坐標銑床、API 的T3 型激光跟蹤儀、SpatialAnalyzer、UG NX 軟件實現(xiàn)了隨機定位加工。加工過程為:

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

      (2)在機床行程范圍內(nèi)鉆一個Φ6H7 且垂直于XY 平面的孔,用激光跟蹤儀測量此孔的位置,并設(shè)置為工件-機床模型的坐標原點。在機床主軸頭上裝一個靶標座,機床運動到3 個點,用激光跟蹤儀記錄這3個點,作為工件-機床模型的X、Y、Z 坐標方向。同時在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)將此點設(shè)定為機床工作坐標系的原點。

      (3)特征點定在工件周邊的靶標孔上,如圖2 所示,用激光跟蹤儀測量靶標孔的位置,得到工件-機床模型。

      (4)將理論模型和工件-機床模型進行配準。將理論數(shù)模中的靶標孔孔位、實測孔位導(dǎo)入到SpatialAnalyzer 軟件中,將對兩組孔用最小二乘法進行最佳擬合轉(zhuǎn)換,得出轉(zhuǎn)換矩陣、每個點的偏差值(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)的對齊基準孔、基準面的方法,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,同時將編程坐標系設(shè)定為機床工作坐標系,即得到匹配零件實際位置的數(shù)控程序用于加工。加工完的零件順利裝機,滿足了設(shè)計要求。

      4 結(jié)語

      隨機定位加工測量、計算工件-機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 模型的配準技術(shù)綜述[J]. 機床與液壓,2007(9):236 -237,255.

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