一種基于超聲波測厚的薄壁件自動補償加工方法*

鐘柳春,畢慶貞,張 凱，王宇晗，杜 璠

(1.上海拓璞數(shù)控科技有限公司 技術部，上海 201111；2.上海交通大學 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240；3.長征機械廠,成都 610100)

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一種基于超聲波測厚的薄壁件自動補償加工方法*

鐘柳春1,畢慶貞2,張 凱1，王宇晗2，杜 璠3

(1.上海拓璞數(shù)控科技有限公司 技術部，上海 201111；2.上海交通大學 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240；3.長征機械廠,成都 610100)

針對薄壁工件在加工時易發(fā)生加工變形而出現(xiàn)加工誤差，導致工件加工精度降低的問題，提出了一種基于超聲波測厚裝置的自動補償加工方法。該方法首先利用超聲波測量原理提出了一種厚度測量裝置，利用該裝置對特征刀位點進行厚度測量，并由測得的厚度值插值得到所有刀位點厚度，進而補償加工量，完成補償加工。最后以航空薄壁件加工為例，對該方法進行了仿真分析與試驗驗證，結(jié)果表明，該方法能夠有效保證加工精度。

薄壁工件；加工誤差；補償加工；超聲波測厚

0 引言

近年來，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，大型薄壁形狀零件的應用越來越廣泛。這類零件不僅形狀復雜，加工精度要求高，而且具有剛度較低的特征。薄壁工件在加工時，因受到切削力作用而發(fā)生變形，變形后又發(fā)生彈性恢復，從而發(fā)生讓刀現(xiàn)象，造成部分材料殘留下來，導致加工后的工件厚度不均勻。在加工條件一定的情況下，工件越薄，變形量越大。為了消除工件加工變形影響，實現(xiàn)加工后的工件厚度均勻，需要對工件進行因變形而產(chǎn)生誤差的補償加工。

在保證薄壁件加工精度方面，許多學者做了大量研究。國內(nèi)方面，王志剛等[1]利用有限元建立了薄壁件加工的切削力模型，分析了工件在加工時候的變形情況，從而通過在加工編程時對變形量進行補償來控制加工精度。劉建寧[2]等利用解析法和數(shù)值方法獲得銑削過程中銑刀和工件的變形量，根據(jù)加工變形規(guī)律，建立補償方案。胡權威等[3]針對切削力的確定提出了一種基于有限元的正交優(yōu)勢分析方法，采用正交試驗設計方法來指導有限元仿真參數(shù)的設計，通過仿真計算得到較好的切削參數(shù)，從而保證加工精度。畢運波等[4]在綜合考慮工件加工工序的前提下，建立了薄壁件銑削加工全過程的三維有限元模型，對不同加工階段中工件殘余應力對加工變形的影響進行了分析，從而通過控制殘余應力來控制加工精度。Beizhi Li等[5]分析了切削深度與殘余應力對加工變形所產(chǎn)生的影響，通過控制切削深度與殘余應力來控制加工變形。國外方面Ratchev[6]等人還通過有限元方法建立了薄壁件銑削過程中加工變形和表面誤差的柔性預測模型。Jitender[7]建立了薄壁件銑削加工變形有限元分析系統(tǒng)，模擬加工過后的變形量。綜合以上研究內(nèi)容，針對薄壁件加工的加工精度控制策略主要分為兩個方面：①分析加工變形的影響因素，利用有限元建立工件的加工模型，對工件加工變形量進行分析預測，從而對變形量進行補償加工。②針對工件中的殘余應力進行建模，分析不同加工時段工件內(nèi)部的殘余應力對加工變形產(chǎn)生的影響，從而通過控制殘余應力來控制加工變形量，保證加工精度?？偨Y(jié)以上加工變形控制方法，大都是對加工工件進行數(shù)字建模，通過對加工過程中的工件變形量進行模擬計算，確定變形量后對其進行補償。然而，通過建模分析的方法來控制加工質(zhì)量，其控制精度受建模精度的影響，存在較大的不穩(wěn)定性。

為了有效的保證大型薄壁工件的加工質(zhì)量，并充分發(fā)揮數(shù)控設備的加工能力，提高加工效率，迫切需要研究和建立針對大型薄壁件的自適應銑削加工工藝，對加工誤差進行有效補償。本文利用超聲波測厚原理提出了一種厚度測量裝置，利用該裝置實現(xiàn)對工件加工刀位點的原位厚度測量，實現(xiàn)加工誤差的自動補償。

1 厚度測量裝置

通常情況下，工件實際厚度是由人工手持測厚儀來完成的，但人工測量既無法實現(xiàn)對加工刀位點位置的精確測量，又因在測量過程中常常引入人為誤差而無法保證測量精度。為了實現(xiàn)對加工刀位點位置處厚度的精確測量，將一種基于超聲測厚原理的厚度測量裝置安裝于數(shù)控設備主軸，實現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)控制下的加工刀位點原位厚度測量。

裝置結(jié)構如下圖所示，該測厚裝置包括刀柄、主體、超聲波探頭與耦合劑噴涂裝置部分。測厚裝置通過刀柄連接到數(shù)控設備的主軸上，從而實現(xiàn)測厚裝置在數(shù)控系統(tǒng)的控制下跟隨主軸運動到加工刀位點處，完成對刀位點位置的厚度測量；超聲波探頭連接到測厚儀器，用于取得工件厚度數(shù)據(jù)；當探頭壓緊被測面后產(chǎn)生數(shù)字信號，控制機床主軸停止運動，避免裝置與被測工件發(fā)生碰撞；耦合劑噴涂裝置連接在測量裝置側(cè)面，實現(xiàn)在測量前噴涂耦合劑，排除探頭與工件之間的空氣，保證測量精度。

圖1 厚度測量裝置

2 加工刀位點實際厚度測量及其補償

工件加工刀位點數(shù)量龐大，對每個刀位點進行利用測厚裝置進行實際厚度測量并不現(xiàn)實，因此，需要首先利用厚度測量裝置對有限個刀位點進行實際厚度測量，然后根據(jù)測得的厚度值得到所有刀位點處的工件實際厚度值。

2.1 厚度測量過程

將厚度測量裝置通過刀柄安裝于數(shù)控設備主軸上，然后通過數(shù)控系統(tǒng)控制主軸運動，從而使厚度測量裝置運動到被測刀位點處，進行厚度測量。測量過程如下所示：

①探頭快速運動到A位置；

②耦合劑噴涂裝置噴涂耦合劑；

③探頭慢速接近工件；

④探頭與工件接觸，機床停止運行，保存當前坐標；

⑤完成測量，返回到初始位置。

圖2 厚度測量過程

其中耦合劑噴涂的控制原理如圖3所示，耦合劑噴涂裝置的進料端與物料筒相連，物料桶通過減壓閥連接于氣源；厚度測量裝置到達噴涂位置后，數(shù)控系統(tǒng)首先控制電磁閥B開啟，使氣體以一定壓力通過耦合劑噴涂裝置；0.5s后控制電磁閥A開啟，使耦合劑通過裝置，從而將耦合劑在氣體壓力的作用下呈霧狀噴涂到被測工件表面。

圖3 耦合劑噴吐口控制過程

2.2 刀位點厚度估計

實際加工刀位點工件厚度估計通過反距離插值法(IDW)進行估計。反距離插值法(IDW)適用于節(jié)點散亂、不規(guī)則網(wǎng)格點的插值問題。反距離插值法主要依于反距離的加權冪指數(shù)，冪指數(shù)可以基于距輸出點的距離來控制已知點對插值的影響，從而可以調(diào)節(jié)插值函數(shù)曲面的形狀：冪指數(shù)越大，節(jié)點處的函數(shù)平面越平緩；冪指數(shù)越小，節(jié)點處的函數(shù)平面越尖銳[8]。加權冪指數(shù)通常取1或者2[9],但是大多數(shù)學者認為權指數(shù)取2將取得更好的實驗效果[10]。

如圖4所示，根據(jù)IDW法，P1，P2…P6為待測量的特征點，圖示所求刀位點距特征點距離為d1，d2…d6，通過厚度測量裝置獲得測量刀位點Pk處的實際厚度值后，通過反距離插值法利用所得厚度值獲取全部刀位點處的實際厚度，插值過程如下：

圖4 刀位點IDW插值

(2)定義插值函數(shù)：

2.3 厚度補償量確定

圖5 厚度補償

工件在切削過程中，一方面由于受切削力作用發(fā)生加工變形，另一方面受到不均勻的塑性變形使工件內(nèi)部留有殘余應力，這兩者最終都會導致加工后出現(xiàn)加工誤差，使實際加工面與理想加工面不重合。

3 試驗與分析

圖6所示工件為某航空用大型薄壁件，工件內(nèi)部均勻排列規(guī)格為164mm×72mm的矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格精加工后厚度要求為2.7mm±0.1mm。以該薄壁件為加工對象，在加工過程中利用上述指出的厚度測量裝置，進行厚度補償，檢驗本文提出方法的可用性。

圖6 加工工件

當采取補償時，刀位點新的切削深度等于原來的切削深度加上厚度補償量，但同時切削力和加工變形也發(fā)生相應的變化，所以補償加工并不能完全消除誤差，而是有效的減小誤差。為了評價方法的有效性，下面對補償加工前、后的工件誤差分布進行分析，利用厚度測量裝置對加工后的工件取點測量，得到接觸點坐標值后利用MATLAB對工件加工誤差進行分析。圖7為補償加工前的厚度分布為3.5mm(0.26mm～-0.21mm)，工件厚度的波動達到0.26mm，且集中在網(wǎng)格中心與邊緣處。圖8為使用本文方法進行補償加工后厚度差分布2.7mm(0.06mm～-0.05mm)，厚度波動控制在0.06mm內(nèi)。與補償前相比，整個網(wǎng)格的厚度波動均減小了4～5倍，有效的提高了加工精度。可見，利用本文提出的厚度補償方法可以有效的減小由于加工中工件變形和內(nèi)應力帶來的誤差。

圖7 補償前加工誤差分布

圖8 補償后加工誤差分布

4 總結(jié)

相對于對加工工件進行建模分析來預測工件變形量的方法，本文提出了一種基于超聲波厚度測量裝置的原位自適應補償方法，通過對有限個加工刀位點進行原位厚度測量，最終獲得所有刀位點的補償加工量。

該方法不僅不需要對工件建模，避免了因模型精度差而影響了加工精度，而且可以同時減小加工過程由于變形和殘余應力引起的加工誤差。最終以某航空用的大型薄壁件為例，證實了該補償方以將薄壁件的厚度波動控制在理想的范圍內(nèi)。

[1] 王志剛，何寧，武凱，等. 薄壁零件加工變形分析及控制方案[J]. 中國機械工程，2002，13(2)：114-117.

[2] 劉建寧，李占峰，司宇. 一種航空薄壁件銑削加工變形補償算法[J]. 組合機床與自動化加工技術，2015(11)：33-36.

[3] 胡權威，喬立紅，張洪偉.薄壁結(jié)構件銑削參數(shù)有限元正交優(yōu)勢分析及優(yōu)化[J]. 機械工程學報，2013，49(21)：176-184.

[4] 畢運波，柯映林，董輝躍. 航空鋁合金薄壁件加工變形有限元仿真與分析[J]. 浙江大學學報，2008，42(3)：397-402.

[5] Beizhi Li, Xiaohui Jiang, Jianguo Yang, et al. Effects of depth of cut on the redistribution of residual stress anddistortion during the milling of thin-walled part [J]. Journal of Materials Processing Technology,2015,216(1):223-233.

[6] Ratchev S, Liu S, Huang W,et al. An advanced FEA based force induced error compensation strategy in milling[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2006,46:542-551.

[7] Jitender K R, Paul X. Finite element method based machining simulation environment for analyzing part errors induced during milling of thin-walled components[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture,2008,48(6):629-643.

[8] 張錦明，郭麗萍，張小丹. 反距離加權插值算法中插值參數(shù)對DEM插值誤差的影響[J]. 測繪技術學報，2012，29(1)：51-55.

[9] LAM N S. Spatial Interpolation Methods: A Review[J].The American Cartographer, 1983,10(1):129-149.

[10] DECLERCQ F A N, Interpolation Methods for Scattered Sample Data: Accuracy, Spatial Patterns. Processing Time[J]. Cartography and Geographic Information Systems, 1996,23(3):128-144.

(編輯 李秀敏)

A Practical Compensation Method for Thin-walled Parts Manufacture Based on Ultrasonic Thickness Measurement

ZHONG Liu-chun1, BI Qing-zhen2, ZHANG Kai1，WANG Yu-han2，DU Fan3

(1.Ministry of Technology ,Shanghai Top Numerical Control Technology Co.，Ltd.,Shanghai 201111,China;2.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China)

A self-compensating controller was developed based on Ultrasonic thickness measurement device. The method aimed to compensate thin-walled parts machining errors frequently occur during manufacture process, which always result in the inaccuracy of workpiece machining. First of all, thickness measurement device which was designed according to the principle of ultrasonic measuring, which was used to measure the thickness of feature points on workpiece. Then all the offset value in tools path were calculated according to the measured thickness. Then the compensation processing was completed according to the offset value. Finally the simulation and experiment of the proposed method were validated in aviation thin-wall parts manufacture process.

thin-walled parts;fabrication error; compensation processing;ultrasonic thickness measurement

1001-2265(2016)10-0148-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.040

2015-10-14；

2015-12-17

2013年度上海市軍民結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系建設項目(JMJH2013002)； 2014年度上海市重大技術裝備研制計劃 火箭貯箱滾彎壁板高效等厚銑削裝備與技術(ZB-ZBYZ-01-14-2094)；四川省科技計劃項目“壁板機械銑五軸龍門高效加工中心關鍵技術研究與應用”(2015GZ0020)

鐘柳春(1987—)，女，重慶人，上海拓璞數(shù)控科技有限公司工程師，研究方向為在線檢測，(E-mail)zhongliuchun@126.com。

TH165;TG659

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