型腔凸凹板零件數(shù)控加工工藝設(shè)計與編程,凸凹,零件,數(shù)控,加工,工藝,設(shè)計,編程 針 對 大 型 薄 壁 件 的 在 線 測 量 與 數(shù) 控 加 工 的 集 成 系 統(tǒng) 研 究作 者 ： H. B. Liu1& Y. Q. Wang & Z. Y. Jia & D. M. Guo摘 要 ： 航空工業(yè)中有一種大型的薄壁件，它的加工面與另外的表面（相關(guān)面） 緊密相連。 并且它是主要的加工對象 。 然而， 由于毛坯件存在巨大的輪廓與厚度 誤差， 導(dǎo)致它與原始設(shè)計的模型要求相差甚遠 。 因此， 必須使用專用機床加工才 能保證相關(guān)的精度要求。 本文中， 詳細講解了針對大型薄壁件在線測量與數(shù)控加 工的集成系統(tǒng)的方法。 一般來說， 集成系統(tǒng)由公差分析、 在線測量 、 加工面的重 新設(shè)計以及數(shù)控加工組成。 首先， 現(xiàn)有的巨大表面輪廓信息采集是由預(yù)先設(shè)計的 在線測量的掃描獲取的。 其次， 根據(jù)表面相應(yīng)關(guān)系分析來確定一個統(tǒng)一加工的基 準面。 再次， 為了補償只有壓力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形， 采用一種分段測量與加工的方 法。 最后， 選用作為典型零件的液體火箭發(fā)動機噴嘴來驗證該策略的可行性。 冷 卻 通 道 加 工 實 驗 是 在 特 殊 的 兩 軸 機 床 上 進 行 。 一 個 噴 嘴 所 要 加 工 的 面 積 達 到 8㎡, 相應(yīng)的精度要求要控制在 ±0.1mm 之內(nèi)。 事實表明 ， 及時合并的尺寸測量反饋 到加工過程進行控制，這樣可以有效提高大型薄壁件的加工質(zhì)量與效率。關(guān)鍵詞： 在線測量、大型薄壁件、表面相關(guān)要求、表面重設(shè)計、火箭噴嘴 簡稱：OMM On-machine measurement 在線測量NC Numerical control 數(shù)字控制MCP Multi-cut process 復(fù)雜加工過程RFQs Radio-frequency quadrupoles 電磁四極FCS Fiducial calibration system 基于測量的校準系統(tǒng)CMM Coordinate measuring machine 坐標測量機 CNC Computer numerical control 計算機數(shù)字控制 1D One-dimensional 一維2D Two-dimensional 二維3D Three-dimensional 三維CAD Computer aided design 計算機輔助設(shè)計API Application programming interface 應(yīng)用接口CL Cutter location 刀具位置 PC Personal computer 電腦 VC++ Visual C++1 引言1.1 背景眾所周知，擁有特殊高強度與硬度的大型薄壁件在航空設(shè)備（例如飛機、火 箭以及人造衛(wèi)星） 中扮演著重要的角色， 它通常作為功能部件承擔(dān)著諸如發(fā)動機 變速器、 載荷軸承以及極端工況 （如： 數(shù)百噸的壓力、 上千度的外界溫度或者超 過 5g 的加速度）下的快速反應(yīng)的任務(wù)。因此，這些零件力學(xué)性能的一致性、結(jié) 構(gòu)的完整性和精度的互換性對設(shè)備整體的工作性能有著非常重要的影響。一個典型的例子就是液體火箭發(fā)動機的噴嘴，如圖 1 所示。噴嘴將氧化燃燒 的 熱 量 轉(zhuǎn) 變 為 火 箭 發(fā) 射 的 推 力 。 噴 嘴 是 一 個 巨 大 的 冷 卻 之 后 可 回 收 再 利 用 的 結(jié) 構(gòu)， 它是由兩塊復(fù)雜的螺旋狀的薄壁金屬板通過釬焊而成 ， 一塊為襯板， 另外一 塊為套板。 襯板的外表面上要加工出數(shù)百個冷卻液小孔 。 熱氣導(dǎo)流板 （通道之外 的剩余厚度） 必須精準的控制到襯板的內(nèi)表面相應(yīng)位置， 否則， 冷卻效果將嚴重 喪失。另外一個例子就是火箭的燃料槽。 為了減少重量， 應(yīng)該在槽壁內(nèi)加工出成千 上萬個三角形或者四邊形的密集分布的網(wǎng)格。 為了確保在巨大動態(tài)發(fā)射負載影響 下的可靠阻抗能力， 就必須通過機加工的網(wǎng)格來使得薄壁板的厚度在極小的變動 范圍之內(nèi)。通 過 整 體 結(jié) 構(gòu) 加 工 出 的 大 型 薄 壁 件 已 經(jīng) 代 替 了 由 薄 板 焊 接 在 一 起 的 部 件 [20]。 考慮到制造成本以及生產(chǎn)效率， 通過旋轉(zhuǎn)、 焊接以及延展成型所制造的整體結(jié)構(gòu) 已經(jīng)廣泛被使用， 取代了從一個整體加工出相應(yīng)的零件的方法 [21]。 無論怎樣， 成 型誤差往往要比最終的公差大很多。 為了確保加工 ， 精度自然而然成為一個挑戰(zhàn)。通常，大型薄壁件的主要加工特征有：?? 密封表面的相關(guān)要求：加工面與該零件或者其他零件（如有裝配精度的 表 面 ） 的 特 殊 表 面 （ 相 關(guān) 面 ） 緊 密 相 連 。 它 是 整 個 大 型 薄 壁 件 的 主 要 加 工 對 象。? 專用機床加工：由于毛坯件存在巨大的輪廓與厚度誤差，導(dǎo)致它與原始 設(shè) 計 的 模 型 要 求 相 差 甚 遠 。 因 此 ， 加 工 面 的 位 置 以 及 姿 態(tài) 應(yīng) 該 與 實 際 相 關(guān) 面 做到精準配合。因此，需要專用機床加工。 對于大型薄壁件的的這些類型， 一些加工問題將會使得一個機加工零件的統(tǒng)一標準問題顯現(xiàn)出來， 從而呈現(xiàn)出理論設(shè)計中存在的缺點 [10]； 寬范圍的精度要求 以 及 熱 環(huán) 境 使 得 它 具 有 極 小 的 公 差 ， 這 些 因 素 被 利 用 去 限 制 零 件 的 尺 寸 [20][23]； 由于巨大的尺寸、 復(fù)雜的幾何輪廓邊界和負載分布 （例如外界壓力、 固有的殘余 應(yīng) 力 ） ， 使 得 基 于 變 形 補 償 的 仿 真 工 作 量 變 得 異 常 艱 巨 [1][24]。圖 1 液體火箭發(fā)動機噴嘴1.2 文 獻 綜 述最近幾十年 ， 大量的研究者致力于研究如何提高低硬度零件的加工精度 。 行 之有效的方法主要包括預(yù)測補償仿真法和閉環(huán)控制在線測量法。對于像懸臂型以及碟型的大型薄壁件， 研究者們分別對其進行局部壓力變形 數(shù)字仿真實驗以及整體壓力變形數(shù)字仿真 。 利用變形仿真結(jié)果 ， 刀具路徑以及刀位點可以逐點計算出來， 由此便可提高加工精度。 然而， 對于大型薄壁件 ， 至少 存在兩種以上的變形共同對其產(chǎn)生影響。 再說， 較低的硬度和殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致 嚴重的失真。 此外， 如何保證復(fù)雜的幾何輪廓和精確的裝夾位置又是一個棘手的 問題。隨著先進制造技術(shù)的不斷發(fā)展， 在線尺寸測量對加工過程的反饋已經(jīng)成為提 高 零 件 質(zhì) 量 和 加 工 效 率 的 一 項 革 命 性 的 變 革 [5][6][9][17]。 利 用 在 線 測 量 ， 可 以 通 過 系統(tǒng)設(shè)置換刀來對零件的幾何輪廓進行測量。 因此， 需要將零件的測量量與機床 統(tǒng)一起來。 這樣 ， 一臺機床作為加工裝置的同時， 又是一臺測量機 。 這種集成系 統(tǒng)不僅可以加工裝夾在工作臺的零件的規(guī)格， 而且又可將零件的信息及時反饋到 加工的過程中。由 于 加 工 震 動 導(dǎo) 致 的 零 件 偏 差 等 影 響 ， 從 而 導(dǎo) 致 在 機 床 上 間 隙 測 量 出 現(xiàn) 誤 差 。 對 于 多 工 序 的 加 工 過 程 （ MCP） ， 切 削 偏 差 的 趨 向 是 通 過 測 量 數(shù) 據(jù) 進 行 評 估， 然后通過切削模型計算出離散的補償向量 ， 從而進一步確定刀具路徑。 為了 保 證 電 磁 四 極 腔 （ RFQs)的 精 確 裝 配 ， 測 量 結(jié) 果 反 饋 到 實 際 切 深 中 ， 才 能 獲 得 所 需葉片的加工精度 [14]。 磨削過程中， 在精確電磁波的透視下， 通過半精加工出的 零 件 實 際 內(nèi) 表 面 來 計 算 出 需 要 的 加 工 面 [10][12]。 基 于 測 量 的 校 準 系 統(tǒng) （ FCS)首 當 其沖，它提供一種方法，這種方法可以使得坐標測量機（CMM）的誤差從機體 本 身 轉(zhuǎn) 移 到 底 面 去 [20][25]。 這 種 技 術(shù) 進 一 步 延 展 ， 便 可 使 得 小 機 床 可 以 加 工 出 大 型的部件， 在大型制造業(yè)中也同樣適用 。 然而， 定位基準的偏差將限制變形誤差 的補償?；诩庸げ呗缘脑诰€測量的效益包括： 在高溫環(huán)境中對機床精密性沒有苛刻 的要求； 即使不用多軸機床也能加工出精密的零件； 不需要零件結(jié)構(gòu)變形的實用 技術(shù)。 然而， 將先前的設(shè)計 、 加工和測量結(jié)合在一起， 便可呈現(xiàn)出普通平臺以及 制造系統(tǒng)中附加的諸多問題，包括數(shù)據(jù)傳輸、信息融合、坐標轉(zhuǎn)換以及互換性。1.3 研 究 目 標 本文旨在發(fā)展一種高效可靠的加工方法，該方法針對大型薄壁件表面相關(guān)要求 ， 整 合 并 利 用 在 線 測 量 與 數(shù) 控 加 工 的 技 術(shù) 。 本 文 由 四 大 部 分 組 成 ： 2 中 介 紹 集成戰(zhàn)略的原理； 3 和 4 中分別詳細描述機床對大表面的在線觀測與加工面的重設(shè)計與制造；最后，在 5 中利用火箭發(fā)動機的噴嘴來驗證該方法的可行性。2 在線測量與數(shù)控加工的集成系統(tǒng) 對于表面有相關(guān)要求的大型薄壁件，相關(guān)表面作為定位基準面，加工面受其影響。 換言之 ， 加工面只能在相關(guān)面的基礎(chǔ)上進行加工， 相關(guān)面的表面要求同樣 會影響到加工面的表面質(zhì)量。 在加工之前， 兩者之間的約束關(guān)系已經(jīng)給出， 例如 不 同 厚 度 之 間 的 關(guān) 系 。 然 而 ， 實 際 的 相 關(guān) 面 并 未 真 正 知 曉 。 原 因 有 二 ， 其 一 ， 薄 板經(jīng)裝夾預(yù)成型之后所造成的輪廓誤差遠大于設(shè)計的公差要求； 其二， 長時間的 加工過程中殘余應(yīng)力的釋放以及再平衡導(dǎo)致嚴重的結(jié)構(gòu)變形。 結(jié)果顯示， 要想精 確的獲得加工表明的精度要求， 實際的相關(guān)面應(yīng)該由機床中來確定， 從而進一步 來確定加工面 （本文中稱之為加工的重設(shè)計） 。 因此， 這一過程需要整合利用在 線測量與數(shù)控加工的技術(shù)。2.1 相關(guān)精度的定義根據(jù)以上分析，在加工面 ST 和相關(guān)面 SC 之間存在著嚴格的空間幾何關(guān)系。為了正確的描述相關(guān)約束關(guān)系， 首先來闡明一種新穎的精度概念。 首先， 加工面 上的點指向相關(guān)面上的點的這段距離稱之為相關(guān)距離。 然后， 相關(guān)加工精度指的 是實際相關(guān)距離與要求相關(guān)距離的偏差。通 常 來 說 ， 相 關(guān) 面 與 加 工 面 在 三 維 空 間 中 假 定 為 平 滑 的 曲 面 R3 ，ST (uT , vT ) ??R3 , SC (uC , vC ) ??R3 , (uT , vT ) 和 (uC , vC ) 分 別 是 兩 者 之 間 的 表 面 參量 。 相 關(guān) 距 離 dT ??C 在空間中為矢量距離， 如圖 2 所示。 因此， 偏差 δ 可以用數(shù)學(xué)表達式來表示：min q????{|| dT ?C ||2 ?d0 } ??(uT , vT ) ( p ??q) ??n ??d0 （1）q 是相關(guān)面上的一點， 而 p 則是加工面上的一點。 d 為 q 點處的相關(guān)距離， nq0nq為 q 點處的相關(guān)矢量方向； 它一般與 q 點處的矢量 保持一致； 實際上， p 點則是 nq 方 向 上 空 間 上 相 近 的 一 點 ， 它 可 以 通 過 計 算 得 出 。 顯 而 易 見 ， 相 關(guān) 精 度 本質(zhì)上就是相關(guān)位置精度。2.2 集成加工過程描述圖 2 相關(guān)面與加工面的關(guān)系圖 3 中 展 示 了 大 型 薄 壁 件 利 用 在 線 測 量 與 數(shù) 控 加 工 技 術(shù) 進 行 集 成 加 工 的 過 程， 它由四個階段組成： 相關(guān)約束分析、 在線測量、 加工面的重設(shè)計、 數(shù)控加工， 詳細介紹如下：? 相關(guān)約束分析：通常對于給定的大型薄壁件，由零件加工要求和裝夾方 案來確定三個表面和一種關(guān)系。 三個表面分別是： 測量面、 相關(guān)面和加工面。 一種關(guān)系是加工面與相關(guān)面之間的表面相關(guān)約束。?? 在線測量：一項巨大的任務(wù)是機床在線測出大型復(fù)雜零件被測表面的信 息 。 測 量 既 快 又 準 變 成 一 項 難 題 。 將 測 量 表 面 逐 漸 分 解 進 行 測 量 將 是 一 種 行 之有效的測量方法。?? 加工面重設(shè)計：在相關(guān)約束的條件下，利用在線測量的結(jié)果對加工面進 行重新設(shè)計。規(guī)劃相關(guān)約束和重建相關(guān)面是兩個關(guān)鍵所在。?? 數(shù)控加工：此階段中，在確定裝夾的情況下，利用重設(shè)計的加工面來規(guī) 劃出具體的刀位點。應(yīng)該考慮到應(yīng)力釋放對整體結(jié)構(gòu)變形帶來顯著的影響， 這 一 點 不 容 忽 視 。 結(jié) 果 顯 示 ， 如 果 采 用 之 前 的 刀 位 點 進 行 加 工 ， 必 然 導(dǎo) 致 零 件加工區(qū)域產(chǎn)生巨大的變形誤差。O O圖 3 集成加工過程動態(tài)圖3 大表面的在線掃描對于大表面通常采用在線測量法 [15]，如圖 4 所示。它運用一個接觸式傳感器 與一個非接觸式傳感器將三維空間中的測量簡化到二維空間中。 首先確立三個笛卡爾坐標系：機床坐標系{C M : M ??XM YM ZM }；傳感器坐標系 {CS : S ??XSYS ZS }；工 件 坐 標 系 {CP : OP??X PYP X P }。 被測面是由一系列無窮的數(shù)字化平面組成。 為了 簡化掃描運動， 選取的數(shù)字平面應(yīng)該與機床坐標系中的平面保持一致。 在掃描過 程中， 探針在數(shù)字平面內(nèi)沿著控制路徑從一個控制點運動到另外一個控制點。 與此同時， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將按照給定的頻率采集到大量的坐標數(shù)據(jù)信息 。 因此， 零 件輪廓信息可以在機床坐標系 CM 中進行描述。??10S M M SM圖 4 機床逐點掃描3.1 建立在線掃描模型表 面 信 息 抽 樣 過 程 實 則 就 是 將 傳 感 器 坐 標 系 CS 中 的 信 息 轉(zhuǎn) 換 到 機 床 坐 標 系CM 中。通常，每個點的坐標信息是由兩部分組成：三維空間中的探測信息和機 床坐標系中的當量信息 ， 兩者都是在同一個取樣周期中獲取 。 抽取的坐標數(shù)據(jù)可 以在機床坐標系中用下式表達：?[P ,1]T ??T S ?[P ,1]TM M SS S?RT S ? M PM ?（2）? M ? ?? ? ?S S SPM 和 PS 分 別 表 示 機 床 坐 標 系 和 傳 感 器 坐 標 系 。 TM 、 RM 和 PM 分別表示綜合轉(zhuǎn)化矩陣、 變化轉(zhuǎn)換矩陣以及 C 到 C 的轉(zhuǎn)換矩陣。 RS 描述 C 中最初設(shè)計姿態(tài) 變化情況， 它可以通過三個角度進行呈現(xiàn)， 一個旋轉(zhuǎn)角α 、 一個傾斜角β 和一個偏 航 角 γ。 這 些 角 度 可 以 根 據(jù) 取 樣 點 的 機 床 坐 標 角 度 進 行 計 算 。 此 外 ， PS 是由兩部分組成： 刀具起點處從 CM 到 CS 中起點偏差； 另一部分則是現(xiàn)有取樣點的機床轉(zhuǎn) 換坐標信息。坐標取樣過程則在圖 5 中表示。S SRM 和 PM 的公式如下：R ?M ?t? MMM?T?cos?cos?S ???sin?cos?cos?sin?sin??sin?cos? sin?sin?sin???cos?cos?cos?sin?cos??sin?sin?? sin?sin?cos???cos?cos???（ 3-a）?? ?sin? cos?sin? cos?cos? ??? PS ???S ?t sM M m??S T??M ??[?x ,?y ,?z ] （3-b）? S ??[tx,t y , tz ]S S?M 是 最初 的偏 差矢 量； tM 是 機床 轉(zhuǎn)換 矢量 。 ?x ,?yand?z 是 最初 的偏 差矢 量分 量 ； tx , t yandtz 是 機 床 轉(zhuǎn) 換 矢 量 的 分 量 。 最 初 偏 差 可 由 人 造 的 位 置 傳 感 器 進 行 計算而得。 與此同時， 傳感器的坐標軸與機床的坐標軸在最初偏差刻度上保持一致，因此， RS 是一個矩陣單元。在工程運用中， 有時運用一種方向性掃描方法以便獲取更高的掃描速度。 所以， RS 通常是一個恒量矩陣。在傳感器坐標系 CS 中， 對于不同類型的傳感器， PS 可以下列式子進行表示：???0,0, ds ? for1DsensorP ????0, d sin?, d cos??T for 2Dsensor （4）S ? ? ????ex , ey , ez ?T for3Dsensor? s s sdS 表示一維傳感器檢測距離，例如點激光傳感器； d??表示在可見的二維空間 中 檢 測 可 見 的 角 度 θ的 距 離 ， 例 如 線 激 光 傳 感 器 ； θ遵 循 右 手 定 則 。 ex , eyandezs s s分別表示沿 XS 軸、 YS 軸和 ZS 軸的偏差，例如接觸式掃描探針。 掃描運動始終在數(shù)字平面中， 沿著 ith 指向 ?i 的方向上， 探針以恒定的速率 FS從現(xiàn)在的控制點 PS 連續(xù)運動到下一個控制點 T S 。i i?1PS ??PS ?????（5）i ?1 i i i圖 5 坐標取樣圖解?i 表 示 沿著掃描 方向 ?i 上進 給控制點 ith 。顯 而易見 ， 掃描方 向與控 制步驟是影響表面測量中取樣效率與精度的兩大關(guān)鍵因素。 再說， 探針探測頻率遠高于抽樣系統(tǒng)中信息處理頻率 。 因此， 很有必要協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集與儲存兩者的步調(diào) ， 它可能導(dǎo)致遺失一定的測量信息 。 利用多數(shù)據(jù)儲存 原理可以運用分頻法 。 一條路線是在計算機硬件中建立高頻數(shù)據(jù)通道 。 另外一條 路線，在軟件控制中，信息以低頻率從存儲器傳輸?shù)?PC 機中。3.2 傳感器位置計算假設(shè)測量表面的 CAD 模型可用于幫助表面掃 描 ， 這種模型稱之為原始模型。 從測量表面的 CAD 模型中確定數(shù)字化路線的位置非常重要。首先，選擇掃描探 針 的 檢 測 應(yīng) 該 在 自 由 空 間 中 進 行 分 析 ， 它 被 定 義 為 探 針 兩 個 空 間 的 幾 何 耦 合 結(jié) 果。 一個是運動空間 ， 一個是可視空間。 激光傳感器的可視空間可由圓錐形的探 針進行探測而知。最終位置由三部分組成，在數(shù)字空間平面和 CAD 模型中運用 參數(shù)網(wǎng)格描述法或是追蹤法進行交叉計算。運用最小局部曲率法來計算進料步。eE? FE(EG ??F 2 )EEG ??F 2EG對比可知， 對于已知模型的掃描平面 [15]， 運用測量的坐標點去預(yù)測進給控制 步 驟 ?`1 ， 側(cè)面 控 制步 驟 ?2 和 掃描 方 向 ?? 。 在進 給 方向 與 側(cè)面 方 向上 分 別 建立 兩 個 運 動 的 參 考 系 ： N1 寬 度 的 參 考 系 W1 和 N2 寬 度 的 參 考 系 W2 。 在 每 一 數(shù) 字 平 面中， 運用綜合推斷法預(yù)測進給步驟與掃描路徑。 該方法結(jié)合了曲率計算模式與切線 計 算 模 式 。 在 掃 描 過 程 中 ， 參 考 系 W1 隨 著 測 量 點 的 改 變 而 更 新 。 同 樣 ， 在 參 考 系 W2 中 ， 利 用 測 量 的 曲 率 去 預(yù) 測 側(cè) 面 控 制 步 驟 。 利 用 這 種 方 法 ， 用 傳 感 器 將 測量表面精確逐步積分出來。4 加工面的重設(shè)計與加工4.1 相 關(guān) 表 面參 考 平 面 S 和 S * 是 R3 空 間 中 兩 個 平 滑 規(guī) 整 的 曲 面 。 假 設(shè) 在 兩 平 面 間 進 行 逐點 映 射 ， 那 么 就 可 以 確 定 一 種 表 面 伴 隨 關(guān) 系 [7]。 通 常 來 說 ， S 是參考面， S * 伴隨 面。 為了明確表示表面間的相關(guān)關(guān)系， 利用施密特正交法在 S 平面中建立第一個 結(jié) 構(gòu) 式 :{ i ,i=1,2,3}, 它 是 一 個 標 準 的 正 交 單 元 。 S 平 面 的 參 考 表 達 式 為r=r(u,v)=[x(u,v),y(u,v),z(u,v)] T ,(u,v)是 S 平面中的 兩個參數(shù) 。 因此， 第一結(jié)構(gòu) 式可以用下式表達：?e1 ??1/? 0 0 ?? ?ru ??e ???? 0 ?????r ??（6 ）??2 ? ? ?????v ???e3 ?? ??0?0 1? ???n ??E、 F 和 G 是第一表面的基本系數(shù)， ru 和 rv 分別表示 U、 V 方向的正切矢量；n ??(ru ??rv ) / 是 一 個 標 準 矢 量單 元 ； {ru , rv , n} 是 表 面 正 常 域 或 者 是 高 斯 域 。從（6）式中可知， e3 始終和 n 是 一 致 的 。 假 設(shè) 參 數(shù) (u,v)是 標 量 ， 則 F≡0.因此，伴隨表面 S * 用下式表示：iO? ?? ??Tr* ??r ? 3????(u, v)e （ 7）i ??1 i ir* 是 S * 平面的參數(shù)表達式，?i(i=1,2,3) 是沿著坐標軸 e .上的組成單元。假設(shè)S * 平面的掃描點坐落于 S 平面的標準方向上， 那么標準伴生關(guān)系就可以確定， 那么平面 S * 就稱之為標準伴生表面。因此，掃描單元為?1=0, ?2=0, and ?3=h(u,v)；h(u,v)是一個標準函數(shù)或者是一個厚度表達函數(shù)。假設(shè) h 是 衡 量 ， 那 么 兩 表 面 間 的關(guān)系被驗證為等距關(guān)系。4.2 表面重設(shè)計的模型建立 根據(jù)相關(guān)約束分析，從大型薄壁件中選出三個典型的表面：測量面 SM 、相關(guān)面 SC 以及加工面 ST 。 與此同時， 建立四個關(guān)系式。 與機床相關(guān)的總體關(guān)系式：{C : O , e0 (i ??1,2,3)} ； 與 測 量 面 SM 相 關(guān) 的 測 量 關(guān) 系 式 ： {C : O , e1 (i ??1,2,3)}； 與0 0 i 1 1 i相關(guān)面 SC 相關(guān)的關(guān)系式： {C : O , e2 (i ??1,2,3)} ；與加工面 ST 相 關(guān) 的 目 標 關(guān) 系 式2 2 i{C : O , e3 (i ??1,2,3)} 。 C 和 C 是 一 樣 的 。 后 面 三 個 關(guān) 系 式 是 表 面 局 部 關(guān) 系 式 。3 3 i O M三個表面的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖 6 所示。實 際 上 ， 在 表 面 SM 和 SC 之 間 存 在 一 種 表 面 關(guān) 系 ， 在 表 面 SC 和表面 ST 之間 存 在 另 外 一 種 表 面 關(guān) 系 。 因 此 ， 加 工 面 ST 可以直接在 C 中 進 行 表 達 ， 用 式 （ 7）中的關(guān)系式，如同 4.1 所述。參數(shù)模型如下所示：? ?r3 ??r1 ??r 2 ??r3 ??r1 ?3 a e1 ?3 b e2 ??r1 ?3 ??a ?3 b ci ?e1（8）0 0 1 2 0i ??1 i i i ??1 i i 0 i ??1??i j ??1 j j ??i?r j (i, j ??1,2,3) 是 j 相對于 i 的平移向量； e j 是 i 相對于 j 的軸線； a 和 b 分i th th i th th i i別是沿著 e1 軸和 e2 軸 的 平 移 量 ； ci 是 C 軸的結(jié)構(gòu) j 相對于 C 軸的結(jié)構(gòu) i 的旋轉(zhuǎn)i i j 2 th 1 th量。再則，式（8）利用矢量矩陣進行變化得到下式：r 3 r1 T 2 T 3 R2T E10 ???0 ??( 1 ???2 1 ) （9）r r T 3 E1? ?E1 表示 C 的軸向矢量。 T 2 和 R2 分 別 表 示 C 相對于 C 的轉(zhuǎn)化矩陣和旋轉(zhuǎn)矩1 1 1 2 1陣 ， 它 表 示 間 接 約 束 陣 列 。 T 3 表示 C 相對于 C 的 轉(zhuǎn) 化 矩 陣 ， 它 表 示 直 接 約 束 陣2 3 2列。 根據(jù)第 3 部分可知， 通過在線測量可以獲得 r1 ， 利用測量所得的 r1 可以計算0 0出 E1 。 對于加工應(yīng)該討論兩種空間情況：（1）標準伴生關(guān)系 實際上，相對于大型薄壁件的尺寸而言，先前輪廓誤差和厚度誤差是微不足 道 的 。 因 此 ， SM 和 SC 間的空間關(guān)系和 SC 和 ST 間的空間關(guān)系相當于標準伴生關(guān) 系 。 結(jié) 果 可 知 ， 轉(zhuǎn) 化 矩 陣 T 2 ??[0,0, h2 ]T ； T 3 ??[0,0, h3 ]T 。 h2 表 示 表 面 SC 相 對1 1 2 2 1于表面 SM 的厚度函數(shù)； h3 表示表面 ST 相對于表面 SC 的厚度函數(shù)。 h3 表示必要2 2相關(guān)距離。 h2 由機床來決定。利用表面設(shè)計模型可以確定旋轉(zhuǎn)矩陣 R2 。1 1（2）表面 SM 和表面 SC 兩者情況相同因 此 ， 表 面 SC 可 以 通 過 機 床 直 接 測 量 所 得 。 根 據(jù) 式 （ 9） 可 知 ， 加 工 面 的 模 型可以定義為：3 2 T0 0 2 （10）2 Cr0 表示在 C0 中表面 S 的參數(shù)表達式。圖 6 表面空間結(jié)構(gòu)關(guān)系4.3 整體結(jié)構(gòu)變形的分段補償 對 于 大 型 薄 壁 件 而 言 ， 需 要 去 除 的 材 料 非 常 大 （ 占總 體 材 料 的 70%-90%） ，加工時間很長 （通常幾十天） ， 如何補償殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的總體結(jié)構(gòu)變形是一 項巨大的挑戰(zhàn)。 應(yīng)該注意到這個變形過程非常緩慢。 所以， 對于這種類靜電補償， 可以提供一種靈活有效的分段補償法。 由于測量與加工一系列的活動導(dǎo)致它是一 項間歇過程。分 段 變 形 補 償 法 如 圖 （ 7） 所 示 ， 它 主 要 由 兩 個 階 段 組 成 ： (I)離 散 表 面 和 (II) 離散加工。 在階段 I 中， 未展開平面被分割成一個加工區(qū)域 {?i , i ??1,., N}， 加工 區(qū)域的邊界由點畫線進行區(qū)分。 分割尺寸是一個重要的參數(shù)， 它將直接影響補償 精度以及加工的效率。 因此， 在分割規(guī)劃中應(yīng)該注意以下幾個原則： （ 一） 大曲 率區(qū)域一定要設(shè)置大變形梯度； （二） 補償比例通常占相關(guān)尺寸公差的 50-60%。 當下， 變形分析和工程實踐經(jīng)驗有助于分割規(guī)劃， 對于大型薄壁件而言甚至可以 建 立 一 個 統(tǒng) 一 的 精 確 的 模 型 在 階 段 II 中 ， 利 用 在 線 測 量 與 數(shù) 控 加 工 技 術(shù) 對 分 割區(qū)域進行加工，在每一個加工區(qū)域需要完成四個步驟：表面 SM 的在線測量、已有 模 型 對 表 面 ST 的 重 設(shè) 計 、 刀 位 點 計 算 和 數(shù) 控 加 工 。 當 一 個 分 割 單 元 加 工 完 成 又對下一個分割單元進行四個步驟的加工，直到整個零件全部加工完畢。5 火箭發(fā)動機噴嘴的實驗驗證圖 7 變形分割補償法液體火箭發(fā)動機噴嘴做為一個典型的應(yīng)用去證實測量制造一體化的可行性。 在內(nèi)板（巨大的旋轉(zhuǎn)薄殼）上加工冷卻通道是它主要的加工問題。5.1 噴嘴的結(jié)構(gòu)特征與加工要求圖 8 噴嘴內(nèi)表面模型 a 顯示幾何特征 b 表示表面相關(guān)關(guān)系如圖 8a 所 示 ， 噴 嘴 的 幾 何 直 徑 為 1-2M， 高 度 為 1-2M， 薄 壁 厚 度 為 4-6MM， 在內(nèi)板的外表面上加工數(shù)百個冷卻通道。理論噴嘴表面是一個復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)表面， 呈擺線或者是漸開線分布。熱氣通道厚度在加工之前就應(yīng)該統(tǒng)一規(guī)劃好。表面的位置關(guān)系在圖 8b 所示， 有三個典型的表面， 外表面， 內(nèi)表面以及通道 表面。 內(nèi)表面是相關(guān)面 ， 通道表面是加工面。 在通道表面與內(nèi)表面間的薄壁厚度 必須做到足夠精確， 它是表征加工質(zhì)量的一個重要參數(shù)。 由此說來， 相關(guān)約束要 求便一目了然。5.2 冷卻通道加工過程與驗證 為了保證通道薄壁厚度的精確度， 線性內(nèi)表面 （作為相關(guān)面） 需要在機床上確定， 然后根據(jù)剩余薄壁厚度函數(shù)來確定設(shè)計通道表面 。 在噴嘴加工過程中， 相 對于切削力引起的局部變形而言， 應(yīng)力所導(dǎo)致的整體變形占主導(dǎo)地位。 承受負載 的旋轉(zhuǎn)壁是主要的驗證點。 因此， 為了補償整體變形量， 噴嘴表面沿著圓周方向 分 割 成 八 個 不 規(guī) 整 的 加 工 區(qū) 域 。 每 塊 的 角 度 分 別 為 90°、 90°、 45°、 45°、 30°、 30°、15°和 15°。圖 9 顯示冷卻通道的數(shù)控加工過程。已經(jīng)研制出一種針對噴嘴通道均勻加工的特殊兩軸數(shù)控機床， 如圖 9a 所示 。 四 個 軸 的 水 平 定 位 精 度 和 垂 直 定 位 精 度 分 別 為 0.005mm/800mm 、 0.007mm/1800mm 。 旋 轉(zhuǎn) 軸 的 定 位 精 度 小 于 5“。 另 外 ， 噴 嘴 加 工 系 統(tǒng) 是 用 MICROSOFT VC++6.0 和應(yīng)用程序界面函數(shù)（API ）共同建立的。因此，可以根 據(jù)應(yīng)用與終端的實時信息融合實現(xiàn)一些自定義的功能， 例如激光在線測量、 表面 重設(shè)計以及通道數(shù)控加工。噴嘴數(shù)控加工過程詳細步驟如下： 步驟一：裝夾噴嘴毛坯件?；谘b夾方案設(shè)計出內(nèi)表面支撐如圖 9b 所示。機床支撐面要和內(nèi)表面保持一致。 噴嘴的裝夾由數(shù)控壓力機進行控制。 加持力的 大小由數(shù)字控制。 裝夾系統(tǒng)的剛度可以通過增加支撐面積和控制圓周延展壓力來 提高。 在這種裝夾的情況下， 相關(guān)面是完全看不見的。 結(jié)果 ， 兩個幾個特征需要 在機床上進行測量，即薄壁厚度和外表面。步 驟 二 ： 薄 壁 厚 度 的 超 聲 波 測 量 。 利 用 PANAMETRICS 超 聲 探 針 在 噴 嘴 母 線上逐點測量出薄壁厚度。 冷卻通道由耦合而得。 薄壁厚度的檢測精度在誤差補 償之后應(yīng)該小于 0.01mm。一個噴嘴的薄壁厚度分布如圖 10a 所示。顯而易見， 一個噴嘴是由三塊薄的金屬片焊接而成， 最不穩(wěn)定部分就是焊接區(qū)域。 此處的薄 壁厚度誤差至多為 0.5mm。步驟三： 外表面的雙重激光掃描。 利用激光掃描法去獲取噴嘴外表面信息如 圖 9c 所示。采用兩個 MICRO-EPSILON ILD 激光位移傳感器。因此，就可以確 立對稱激光傳感器掃描系統(tǒng)。 掃描程序可以利用微軟指令進行編制。 激光掃描的主要參數(shù)為掃描速度 4～8 m/min 和取樣頻率 125 Hz.噴 嘴 外 表 面 的 測 量 如 圖 10b所示。 測量點的數(shù)量多余 5 萬個。 應(yīng)該補償激光偏向誤差。 首先， 噴嘴測量精度應(yīng)該達到 0.03mm。 步驟四：冷卻通道表面重設(shè)計。利用公式（9），在相關(guān)約束的條件下，對冷卻通道表面進行重設(shè)計。 首先， 外表面的大量數(shù)據(jù)應(yīng)該準備好的， 包括噪聲去 除、 整流罩和縮小數(shù)據(jù) 。 其次， 利用測量所得的薄壁厚度和外輪廓來計算出線性 內(nèi)表面，作為加工的數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)剩余薄壁厚度函數(shù)生成冷卻通道內(nèi)表面， 它的四分之一如圖 10c 所示。步驟五： 磨削冷卻通道。 綜合利用面磨與端磨形成一種行之有效的通道磨削 方法。 成型刀加工冷卻通道的主要部分， 隨后用另外一把刀進行冷卻通道的清銑。 與此同時， 采用分割區(qū)域加工 。 根據(jù)有限元分析以及加工經(jīng)驗， 噴嘴表面被化整 分為五個區(qū)域。 因此， 對于一個零件而言應(yīng)該反復(fù)重復(fù)步驟三和步驟四五次。 面 磨 刀 具 的 直 徑 和 齒 數(shù) 分 別 為 160mm 和 20。 同 樣 的 ， 端 磨 刀 具 的 直 徑 和 齒 數(shù) 為 3mm 和 3。 切 削 速 度 大 約 設(shè) 置 為 50M/min。面磨和端磨如圖 9 的 d、e 所 示 。 與 此同時， 在每一個分割區(qū)域， 利用軟件功能查詢補償表來確定所要的變形補償值。步驟六： 相關(guān)精度測試。 加工過后的噴嘴從加工設(shè)備中拿出來如圖 11 所示 。利用老虎鉗型測量機， 手動測量薄壁剩余厚度。 噴嘴加工面積達到 8 ㎡， 最終的 相關(guān)精度要求達到±0.1mm。圖 9 噴 嘴 冷 卻 通 道 的 數(shù) 控 加 工 a 中 是 特 殊 的 兩 軸 數(shù) 控 機 床 b 表示噴嘴的裝 夾 c 表示外表面的機床在線測量 d 表示磁盤磨削 e 表示冷卻通道的終洗圖 10 噴 嘴 加 工 面 重 設(shè) 計 過 程 a 表 示 薄 壁 厚 度 分 布 b 表 示 噴 嘴 外 表 面 c 表 示噴嘴內(nèi)表面刀位點的分布6 結(jié)論圖 11 加工之后的噴嘴本文中已經(jīng)呈現(xiàn)了針對擁有表面相關(guān)要求的大型薄壁件， 綜合利用在線測量與 數(shù)控加工集成制造方法。(I) 大型薄壁件的主要加工特征是封閉表面的相關(guān)約束要求和零件參考量的加 工， 毛坯是加工的基礎(chǔ)。 因此， 最終加工表面與原先設(shè)計的模型大不相同 。 每個 零件各不相同。(II) 綜合加工過程由以下幾個部分組成 ： 機床表面在線掃描、 加工面的重設(shè)計、 分割區(qū)域測量和加工；所有的組成部分都由一個特殊的數(shù)控系統(tǒng)進行指揮。(III) 液 體 火 箭 發(fā) 動 機 噴 嘴 被 運 用 驗 證 該 方 法 的 可 行 性 。 冷 卻 通 道 在 兩 軸 機 床 上進行磨削，噴嘴加工面積達到 8 ㎡，最終的相關(guān)精度要求達到±0.1mm。(IV) 有 時 ， 同 時 出 現(xiàn) 兩 種 變 形 ， 包 括 壓 力 引 起 的 整 體 變 形 以 及 局 部 變 形 都 給 予考慮。如何補償耦合變形量將有待進一步研究考證。致謝該 工 作 由 中 國 國 家 基 礎(chǔ) 研 究 機 構(gòu) 組 織 提 供 支 持 ， 授 予 號 為 ： No.2014CB046604； 中國國家自然科學(xué)機構(gòu)組織提供支持， 授予號 ： No.51305062； 中國博士后科學(xué)基礎(chǔ)授予，授予號：No. 2013M540220。參考文 獻[1] Arnaud L, Gonzalo O, Seguy S, Jauregi H, Peigne G (2011) 薄 壁 結(jié) 構(gòu) 件 的 低 硬 度仿真加工. 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