隨機定位加工在數控加工中的應用

袁士平

(北京航空制造工程研究所，北京100024)

數控加工過程中，需要找正環節，即通過人工反復移動工件，調整工件的位置、方向，使工件的基準與編程坐標系精確重合，然后才能執行數控加工程序。傳統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、壁板等由曲面構成的復雜工件，無法直接構建基準，傳統的找正方法需要設計夾具，工件曲面與夾具上的模胎貼合，將工件基準轉換到夾具上，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，傳統的找正方法難以保證加工區域和非加工區域之間精確的位置關系。(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，最后將數控程序映射到機床工作坐標系下，使數控程序匹配工件的實際位置，實現精確的加工。

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，從而相應調整機床坐標系，來實現精確裝夾。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，按照2 組點創建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。

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。對某些偏差較大的異常點，在分析工件實際情況基礎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、對接接頭結構，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、垂尾大梁等構件有著復雜的裝配關系。周邊輪廓的輪廓度要在1 mm 以內，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、孔等結構，所以該壁板在邊緣上留有一定余量，由數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、工件在烘箱內經過數百度的固化過程，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，要想在機床上實現精確的平移、轉動很困難。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，進行粗略定位。

(2)在機床行程范圍內鉆一個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。同時在數控系統內將此點設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換，得出轉換矩陣、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，如果采用傳統的對齊基準孔、基準面的方法，將產生較大的定位誤差。

(5)按照理論模型編制數控加工程序，同時將編程坐標系設定為機床工作坐標系，即得到匹配零件實際位置的數控程序用于加工。加工完的零件順利裝機，滿足了設計要求。

4 結語

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系，使數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——零件快速裝夾新概念［J］. 航空制造技術，2006(5):101 -102.

［2］劉晶.基于CAD 模型的配準技術綜述［J］. 機床與液壓，2007(9):236 -237，255.