一种多源几何约束下孔特征自适应加工方法
阅读说明：本技术 一种多源几何约束下孔特征自适应加工方法 (Self-adaptive machining method for hole features under multi-source geometric constraint ) 是由 刘海波 窦保平 黄国宝 黄德敏 薄其乐 刘阔 涂泉 王永青 郭东明 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多源几何约束下孔特征自适应加工方法,属于加工技术领域。该方法中,利用在机测量技术获取凸台基体的实际信息,将实际凸台基体的端面中心坐标作为孔的初步加工位置,满足壁厚要求；在最小壁厚约束的修调余量内,分多种情况修调孔的加工位置,使其进入公差范围内,在工程实际中即认为满足所有空间位置约束,完成孔在多源几何约束下的自适应加工。本发明所述的方法适用于孔自适应加工系统中编程进行位置自动修调的情况,修调过程简单,兼顾多源几何约束,结果可靠。本发明所述的自适应加工方法大大提高了多源约束下孔加工的效率,保证加工质量；能满足面向制造现场环境的孔特征自适应加工需求。(The invention discloses a self-adaptive machining method for hole characteristics under multi-source geometric constraint, and belongs to the technical field of machining. In the method, the actual information of the boss base body is obtained by utilizing an on-machine measurement technology, and the end face center coordinate of the actual boss base body is used as the primary processing position of the hole to meet the requirement of wall thickness; and (3) within the trimming allowance of the minimum wall thickness constraint, trimming the machining position of the hole under various conditions to enable the machining position to enter a tolerance range, considering that all space position constraints are met in the engineering practice, and completing the self-adaptive machining of the hole under the multi-source geometric constraint. The method is suitable for the situation of automatic position trimming in a hole self-adaptive machining system by programming, the trimming process is simple, multi-source geometric constraint is considered, and the result is reliable. The self-adaptive processing method greatly improves the efficiency of hole processing under multi-source constraint and ensures the processing quality; the self-adaptive hole characteristic machining requirement for the manufacturing site environment can be met.)
技术领域
本发明属于加工技术领域，涉及一种多源几何约束下孔特征自适应加工方法。
背景技术
孔是机械工件的基本特征之一，其加工质量极大影响工件的整体质量。在航空航天领域，关键薄壁结构件的外廓上大多分布有大量的安装孔，其加工质量将严重影响发动机等核心部件整体性能和安全使役寿命。实际上，这些孔的最终加工状态往往受空间尺寸、位置偏差、最小壁厚等多源几何条件约束。在加工过程中，由于粗加工时留下的加工误差不确定，或前道工序加工过程由力、热等因素引起的变形，致使后续工序中待加工孔的基体位置发生改变。此时，若按理论程序加工，无法满足孔的精密加工要求。
实际加工中，孔的位置偏差往往通过人工经验修调，但是修调时只能单独考虑尺寸或位置约束，试切、逐渐逼近。而孔的尺寸大小、空间位置、最小壁厚等多源几何约束相互关联，若仅考虑单个几何约束项，往往导致其他几何约束项难以保证，进而导致效率低下、可靠性差。因此，通过在机测量的方式获得加工过程中待加工孔的基体位置变化，综合考量孔的多源几何约束，进行约束条件转换。对基体偏差量和孔修调余量进行比对，分情况将新建立的孔的初步加工位置向理论位置方向做优化修调。使其同时满足孔的多源几何约束条件，获得最优加工位置，实现孔的自适应加工。
2020年，朱思萌等在专利CN202010656092.4中公开了一种涡轮叶片气膜冷却孔自适应补偿加工方法，对涡轮叶片进行在机测量得到点云，建立设计模型坐标系、机床坐标系与夹具坐标系，通过坐标系变换进行真实孔映射，得到加工坐标，提高了孔的加工精度和自动化程度，但该方法只是利用点云配准后的坐标系偏移变换求解孔的加工位置，并未进一步分析多源几何约束条件对孔加工位置修正的影响。2018年，康仁科等在专利CN201811126903.9中公开了一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法，该方法中利用传感器监测刀具驱动装置稳定后的转速以及转速变化，判断待加工的材料类型与加工进程，从而自适应改变制孔参数，减少制孔时的人工干预，提高了加工效率。但是该方法未考虑待加工孔的基体位置变动后的自适应修正加工，不能对变动的孔特征做出具体的加工位置修正。
上述研究尚未提及一种多源几何约束下孔特征自适应加工方法。
发明内容
为了克服现有方法的不足，本发明针对孔特征受多源几何约束相互影响，位置修调困难、效率低下的问题，提出了一种多源几何约束下孔特征自适应加工方法。该方法中，利用在机测量技术获取凸台基体的实际信息，将实际凸台端面的中心坐标作为孔的初步加工位置，满足壁厚要求；在最小壁厚约束的修调余量内，分多种情况修调孔的加工位置，使其进入公差范围内，在工程实际中即认为满足所有空间位置约束，完成孔在多源几何约束下的自适应加工。
本发明采用的技术方案是：
一种多源几何约束下孔特征自适应加工方法，首先，利用在机测量数据，拟合出实际凸台基体端面的中心坐标，并将此坐标作为孔的初步加工位置，保证了壁厚要求合格，将多源几何约束转换为单一空间位置约束；然后，计算凸台基体的实际中心与理论中心间的距离、壁厚约束条件下孔的加工位置的修调余量，判断在实际凸台基体的中心处加工孔是否满足所有加工要求，依据判断结果将修调分为四种不同的情况；最后，针对不同修调情况，采取二次修调方法或优化修调方法，使孔的加工位置在保证最小壁厚要求的前提下满足空间位置尺寸要求，完成孔特征在多源约束下自适应加工的位置修正。具体步骤如下：
第一步，确立孔的初步位置，求解基体偏差量与孔的修调余量
工件装夹至机床后，通过在机测量方式得到实际凸台基体2的轮廓信息，进一步拟合得到实际凸台基体的端面中心2a。在此实际凸台基体的端面中心2a处以实际凸台基体2的轴线为法向矢量加工理论孔1b，壁厚要求必定是满足的，此时，多源几何约束转换为单一的空间位置约束。计算实际凸台基体的端面中心2a到理论端面中心1a的距离，也即凸台基体的偏差量D。
求解大孔在壁厚约束下的修调余量M1：实际凸台基体的端面中心2a和理论端面中心1a的连线与实际凸台基体在宽度方向的对称面2e之间的夹角为γ，在凸台基体宽度尺寸BB约束下，假设大孔沿着实际凸台基体的端面中心2a与理论端面中心1a连线方向的最大修调量为M1。大孔的直径按基本尺寸HH与公差上限值dmax之和HH+dmax这一最大直径计算，要想保证最小壁厚FF，应满足：
也即大孔在最小壁厚约束下的修调余量M1应满足：
求解小孔在壁厚约束下的修调余量M2：假设小孔从实际的初始位置2f处，沿着与大孔相同的修调方向，以最大修调量M2修调到达2g位置处。此时，小孔的最小壁厚2h处于实际凸台基体的端面中心2a和小孔最大修调位置2g的连线方向上。通过反三角函数计算实际凸台基体的端面中心2a和小孔最大修调位置2g的连线与实际凸台基体在宽度方向的对称面2e之间的夹角δ：
δ＝tan-1(M2×sinγ/M2×cosγ+JJ/2) (3)
其中，JJ是小孔间距基本尺寸；
假设小孔修调到达最大修调位置2g处，在凸台基体的直径尺寸AA约束下，小孔与凸台基体两侧圆弧轮廓间的最小壁厚也应保证大于最小壁厚要求FF，小孔直径按基本尺寸KK与公差上限值Lmax之和KK+Lmax这一最大直径计算，应满足：
联立(3)、(4)两式可解小孔的加工位置在壁厚约束下的修调余量M2。
求解大孔在双重壁厚约束下的严格修调余量M：小孔以大孔的中心位置为定位基准，也即自适应位置修调时小孔跟随大孔进行位置随动，因此，需要进一步求解大孔的加工位置在大孔和小孔的双重壁厚约束下的严格修调余量M：
M＝min{M1,M2} (5)
第二步，对比偏差量与修调余量，设计自适应修调方案
判断在实际凸台基体的端面中心2a处加工孔是否满足所有加工要求，根据判断结果将修调方法分为下面四种情况：
情况1：实际凸台基体的端面中心在理论孔的位置度公差范围外，且D-GG/2≥M；
情况2：实际凸台基体的端面中心在理论孔的位置度公差范围外，且D-GG/2<M；
情况3：实际凸台基体的端面中心在理论孔的位置度公差范围内，且D≥M；
情况4：实际凸台基体的端面中心在理论孔的位置度公差范围内，且D<M；
若属于情况1，孔加工位置的自适应修调使用第三步中的情况1修调法；若属于情况2，孔加工位置的自适应修调使用第三步中的情况2修调法；若属于情况3，孔加工位置的自适应修调使用第三步中的情况3修调法；若属于情况4，孔加工位置的自适应修调使用第三步中的情况4修调法。
第三步，修调余量内对孔的初步加工位置做二次修调或优化修调
(1)情况1修调法：
此种情况下，在实际凸台基体的端面中心2a处加工理论孔是不满足空间位置要求的，且受到壁厚条件约束，孔加工位置的修调余量M较小，无法进一步修调达到既满足壁厚要求，又满足位置度公差要求的状态，此时无法实现自适应修调合格。
(2)情况2修调法：
首先，将孔的加工位置由实际凸台基体的端面中心2a处，沿实际凸台基体的端面中心2a与理论端面中心1a连线的矢量方向修调，使孔的加工位置由2a移动至理论孔1b的位置度公差范围的边界3处，得到初调点2c，移动距离L1＝D-GG/2。
然后，求解此时壁厚约束下剩余的修调余量MM，MM＝M-L1，进行二次修调。若壁厚约束下剩余的修调余量大于或等于位置度公差圆半径的二倍，也即MM≥GG，再将初调点2c进行二次修调，继续沿矢量方向修调距离L2＝GG/2，得到再调点2d，且2d与理论端面中心1a重合；若壁厚约束下剩余的修调余量小于位置度公差圆半径的二倍，也即MM<GG，再将初调点2c沿矢量方向修调距离L2＝MM/2，得到再调点2d。此时总的修调量为L，L＝L1+L2。
当二次修调量小于位置度公差圆半径的三分之一、或修调后壁厚的安全余量小于最小壁厚要求的五分之一，也即L2≤(GG/6)或(MM-L2)≤FF/5时，修调在理论上满足加工要求，但实际加工中由于各种加工误差的影响，可能出现超差，需要在修调后给出预警提示。
最后，输出再调点2d的位置坐标，作为孔的加工坐标。
(3)情况3修调法：
此种情况下，实际凸台基体的端面中心2a在理论孔的位置度公差范围内，在2a处加工孔是满足空间位置约束的，且壁厚合格，但为了使得加工位置更优，可对孔的加工位置做进一步优化修调。
当实际凸台基体的端面中心2a距理论孔的位置度公差边界3的距离NN小于或等于位置度公差圆半径的三分之一，也即NN≤GG/6时，将孔的初步加工位置由实际凸台基体的端面中心2a处，向理论端面中心1a的方向移动距离L1，L1＝M/2，得到初调点2c。
当实际凸台基体的端面中心2a距理论孔的位置度公差边界3的距离NN大于位置度公差圆半径的三分之一，且小于其二分之一，也即GG/6<NN<GG/4时，将孔的初步加工位置由实际凸台基体端面的中心2a处，向理论端面中心1a的方向移动距离L1，L1＝M/3，得到初调点2c。
当实际凸台基体的端面中心2a距理论孔的位置度公差边界3的距离NN大于或等于位置度公差圆半径的一半，也即NN≥GG/4时，此时无需进一步优化修调，初调点2c与实际凸台基体的端面中心2a重合。
最后，输出初调点2c的位置坐标，作为孔的加工坐标。
(4)情况4修调法：
此种情况下，在实际凸台基体的端面中心2a处加工理论孔是满足空间位置约束的，且壁厚合格，但为了使得加工位置更优，可对孔的加工位置做进一步优化修调。
当壁厚约束下的修调余量大于或等于实际凸台基体端面的中心2a距理论端面中心1a距离的两倍，也即M≥2×D时，将孔的加工位置由实际凸台基体的端面中心2a处移动至理论端面中心1a处，得到初调点2c；当壁厚约束下的修调余量小于实际凸台基体的端面中心2a距理论端面中心1a距离的两倍，且大于此距离，即D<M<2D时，将孔的加工位置由实际凸台基体的端面中心2a处，向理论端面中心1a方向移动距离L1，L1＝M/2，得到初调点2c。
最后，输出初调点2c的位置坐标，作为孔的加工坐标。
本发明的有益效果：本发明提出了一种多源几何约束下孔特征自适应加工方法，将基体的实际中心处作为孔的初步加工位置，在保证最小壁厚要求的前提下，采用二次修调或优化修调的方法求取最优解，解决了多源几何约束下的孔位置修调难以兼容、效率低下的问题。本发明所述的方法适用于孔自适应加工系统中编程进行位置自动修调的情况，修调过程简单，兼顾多源几何约束，结果可靠。该方法可满足面向制造现场环境的孔特征自适应加工需求。
附图说明
图1为本发明所述孔的加工要求示意图，其中(a)为待加工孔的周向角度加工要求示意图，(b)为(a)的A-A向视图加工要求示意图，(c)为(b)的F1向视图加工要求示意图。
图2为本发明所述的孔自适应加工方法的流程图。
图3为本发明所述的实际凸台基体端面中心作为孔的初步加工位置示意图。
图4为本发明所述的求解壁厚约束下孔加工位置的修调余量的示意图。
图5为孔无法进行位置自适应修调时的示意图。
图6(a)为利用第二类修调方法进行孔的自适应位置修调时，再调点修调至理论点的示意图。
图6(b)为利用第二类修调方法进行孔的自适应位置修调时，再调点无法修调至理论点的示意图。
图7为利用第三类修调方法进行孔的自适应位置修调时，DD≤GG/6时孔加工位置修调的示意图。
图8(a)为利用第四类修调方法进行孔的自适应位置修调时，再调点修调至理论点的示意图。
图8(b)为利用第四类修调方法进行孔的自适应位置修调时，再调点无法修调至理论点的示意图。
图中：AA凸台基体直径尺寸要求；BB凸台基体宽度尺寸要求；CC凸台基体高度尺寸要求；DD孔在凸台基体端面的圆心到中心轴线的尺寸要求；EE孔在凸台基体端面的圆心到A基准面的尺寸要求；FF大、小孔的最小壁厚要求；GG大孔的位置度要求；HH大孔的基本尺寸；KK小孔的基本尺寸；JJ小孔间距基本尺寸；D1孔在凸台基体端面的圆心到中心轴线的尺寸要求的公差；D2小孔间距尺寸要求的公差；1理论凸台基体；1a孔的理论端面中心；1b理论孔；2实际凸台基体；2a实际凸台基体的端面中心；2b实际孔；2c初调点；2d再调点；2e实际凸台基体在宽度方向的对称面；2f小孔的实际的初始位置；2g小孔最大修调位置；2h小孔的最小壁厚；3理论位置度公差范围；M1壁厚约束下大孔位置的修调余量；M2壁厚约束下小孔位置的修调余量；D凸台基体的偏差量；M大孔在双重壁厚约束下的严格修调余量；L1初调距离；L2再调距离；NN实际凸台基体的端面中心至理论位置度公差边界的距离。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案对本发明作进一步说明。
图1是本发明所述孔的加工要求示意图，具体要求如下：
待加工的孔特征分布在薄壁筒类零件周向外轮廓的凸台基体上，凸台基体的尺寸为BB与CC，且此凸台在上道工序中会发生位置变化；大孔的孔径为加工需要满足至中心轴的尺寸要求DD±D1、至基准面A的尺寸要求EE、周向分度要求θ、位置度公差要求最小壁厚要求FF；两个小孔孔径为间距要求JJ±D2，同时，需要满足最小壁厚要求FF。
图2是孔自适应加工的方法流程图，孔位置自适应修调方法的具体步骤如下：
第一步，确立孔的初步位置，求解基体偏差量与孔的修调余量
工件装夹至机床后，通过在机测量方式可得到实际凸台基体2的轮廓信息，进一步拟合得到实际凸台基体的端面中心2a。在此实际凸台基体的端面中心2a处以实际凸台基体2的轴线为法向矢量加工理论孔2b，壁厚要求必定是满足的，此时，多源几何约束转换为单一的空间位置约束。计算实际凸台基体的端面中心2a到理论端面中心1a的距离，也即凸台基体的偏差量D。
求解大孔在壁厚约束下的修调余量M1：实际凸台基体的端面中心2a和理论端面中心1a的连线与实际凸台基体在宽度方向的对称面2e之间的夹角为γ，在凸台基体宽度尺寸BB约束下，假设大孔沿着实际凸台基体的端面中心2a与理论端面中心1a连线方向的最大修调量为M1。大孔的直径按基本尺寸HH与公差上限值dmax之和HH+dmax这一最大直径计算，要想保证最小壁厚FF，应满足：
也即大孔在最小壁厚约束下的修调余量M1应满足：
求解小孔在壁厚约束下的修调余量M2：假设小孔从实际的初始位置2f处，沿着与大孔相同的修调方向，以最大修调量M2修调到达2g位置处。此时，小孔的最小壁厚2h处于实际凸台基体的端面中心2a和小孔最大修调位置2g的连线方向上。通过反三角函数计算实际凸台基体的端面实际中心2a和小孔最大修调位置2g的连线与实际凸台基体在宽度方向的对称面2e之间的夹角δ：
δ＝tan-1(M2×sinγ/M2×cosγ+JJ/2) (3)
其中，JJ是小孔间距基本尺寸。
假设小孔修调到达最大修调位置2g处，在凸台基体的直径尺寸AA约束下，小孔与凸台基体两侧圆弧轮廓间的最小壁厚也应保证大于最小壁厚要求FF，小孔直径按基本尺寸KK与公差上限值Lmax之和KK+Lmax这一最大直径计算，应满足：
联立(3)、(4)两式可解小孔的加工位置在壁厚约束下的修调余量M2。
求解大孔在双重壁厚约束下的严格修调余量M：小孔以大孔的中心位置为定位基准，也即自适应位置修调时小孔跟随大孔进行位置随动，因此，需要进一步求解大孔的加工位置在大孔和小孔的双重壁厚约束下的严格修调余量M：
M＝min{M1,M2} (5)
第二步，对比偏差量与修调余量，细分自适应修调情况
判断在实际凸台基体的端面中心2a处加工孔是否满足所有加工要求，根据判断结果将修调方法分为下面四种情况：
情况1：实际凸台基体的端面中心在理论孔的位置度公差范围外，且D-GG/2≥M；
情况2：实际凸台基体的端面中心在理论孔的位置度公差范围外，且D-GG/2<M；
情况3：实际凸台基体的端面中心在理论孔的位置度公差范围内，且D≥M；
情况4：实际凸台基体的端面中心在理论孔的位置度公差范围内，且D<M；
若属于情况1，孔加工位置的自适应修调使用第三步中的情况1修调法；若属于情况2，孔加工位置的自适应修调使用第三步中的情况2修调法；若属于情况3，孔加工位置的自适应修调使用第三步中的情况3修调法；若属于情况4，孔加工位置的自适应修调使用第三步中的情况4修调法。
第三步，修调余量内对孔的初步加工位置做二次修调或优化修调
(1)情况1修调法：
在实际凸台基体的端面中心2a处加工理论孔是不满足空间位置要求的，且受到壁厚条件约束，孔加工位置的修调余量M较小，无法进一步修调达到既满足壁厚要求，又满足位置度公差要求的状态，此时无法实现自适应修调合格。
(2)情况2修调法：
首先，将孔的加工位置由实际凸台基体的端面中心2a处，沿实际凸台基体的端面中心2a与理论端面中心1a连线的矢量方向修调，使孔的加工位置由2a移动至理论孔1b的位置度公差范围的边界3处，得到初调点2c，移动距离L1＝D-GG/2。
然后，求解此时壁厚约束下剩余的修调余量MM，MM＝M-L1，进行二次修调。若壁厚约束下剩余的修调余量大于或等于位置度公差圆半径的二倍，也即MM≥GG，再将初调点2c进行二次修调，继续沿矢量方向修调距离L2＝GG/2，得到再调点2d，且2d与理论端面中心1a重合；若壁厚约束下剩余的修调余量小于位置度公差圆半径的二倍，也即MM<GG，再将初调点2c沿矢量方向修调距离L2＝MM/2，得到再调点2d。此时总的修调量为L，L＝L1+L2。
当二次修调量小于位置度公差圆半径的三分之一、或修调后壁厚的安全余量小于最小壁厚要求的五分之一，也即L2≤(GG/6)或(MM-L2)≤FF/5时，修调在理论上满足加工要求，但实际加工中由于各种加工误差的影响，可能出现超差，需要在修调后给出预警提示。
最后，输出再调点2d的位置坐标，作为孔的加工坐标。
(3)情况3修调法：
此种情况下，实际凸台基体的端面中心2a在理论孔的位置度公差范围内，在2a处加工孔是满足空间位置约束的，且壁厚合格，但为了使得加工位置更优，可对孔的加工位置做进一步优化修调。
当实际凸台基体的端面中心2a距理论孔的位置度公差边界3的距离NN小于或等于位置度公差圆半径的三分之一，也即NN≤GG/6时，将孔的初步加工位置由实际凸台基体的端面中心2a处，向理论端面中心1a的方向移动距离L1，L1＝M/2，得到初调点2c。
当实际凸台基体的端面中心2a距理论孔的位置度公差边界3的距离NN大于位置度公差圆半径的三分之一，且小于其二分之一，也即GG/6<NN<GG/4时，将孔的初步加工位置由实际凸台基体端面的中心2a处，向理论端面中心1a的方向移动距离L1，L1＝M/3，得到初调点2c。
当实际凸台基体的端面中心2a距理论孔的位置度公差边界3的距离NN大于或等于位置度公差圆半径的一半，也即NN≥GG/4时，此时无需进一步优化修调，初调点2c与实际凸台基体的端面中心2a重合。
最后，输出初调点2c的位置坐标，作为孔的加工坐标。
(4)情况4修调法：
此种情况下，在实际凸台基体的端面中心2a处加工理论孔是满足空间位置约束的，且壁厚合格，但为了使得加工位置更优，可对孔的加工位置做进一步优化修调。
当壁厚约束下的修调余量大于或等于实际凸台基体端面的中心2a距理论端面中心1a距离的两倍，也即M≥2×D时，将孔的加工位置由实际凸台基体的端面中心2a处移动至理论端面中心1a处，得到初调点2c；当壁厚约束下的修调余量小于实际凸台基体的端面中心2a距理论端面中心1a距离的两倍，且大于此距离，即D<M<2D时，将孔的加工位置由实际凸台基体的端面中心2a处，向理论端面中心1a方向移动距离L1，L1＝M/2，得到初调点2c。
最后，输出初调点2c的位置坐标，作为孔的加工坐标。
本发明提出的多源约束下孔特征自适应加工方法，解决了多源约束条件下，待加工孔特征的基体发生位置变动时，人工修调孔加工位置效率低下、可靠性差、难以兼容修正的问题；自适应加工的修调过程简单，结果可靠。该方法可满足面向制造现场环境的孔特征自适应加工需求。