隨機定位加工在數(shù)控加工中的應用

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前位置坐標系與機床坐標系的偏差量，從而相應調(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］。可用常用三維軟件實現(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.