本發(fā)明涉及一種機械加工技術，尤其是一種機械零件的無應力站裝夾定位技術，具體地說是一種在加工過程中既保證加工基準又能釋放變形的6+X定位方法。

背景技術：

零件加工過程中，為了保證加工基準，通常采用固定裝夾方法，使零件在加工過程中保持固定。由于材料去除引起的殘余應力重新分布導致零件產(chǎn)生的變形在裝夾打開后集中釋放，零件最終會產(chǎn)生較大的變形，無法滿足零件的精度要求。為了減小加工變形，目前多采用優(yōu)化裝夾布局、調(diào)整切削參數(shù)等方法，這些方法都是基于固定裝夾，很難解決殘余應力釋放導致的變形。

針對加工導致零件變形的問題，發(fā)明專利CN104625785B發(fā)明了浮動裝夾自適應加工方法與工藝裝備，該方法隨著零件的加工變形自動調(diào)整零件裝夾的狀態(tài)，加工中零件能夠充分釋放變形，零件卸載后變形量小。浮動裝夾自適應加工方法在加工過程中即要保證加工基準又能釋放變形，而傳統(tǒng)基于固定裝夾的定位方法已無法滿足該方法的要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)定位方法不能適用于浮動裝夾自適應加工方法的問題，發(fā)明了一種既能保證加工基準又能釋放變形的6+X定位方法。

本發(fā)明的技術方案是：

一種6+X定位方法，其特征是將待加工零件劃分為固定裝夾區(qū)域和浮動裝夾區(qū)域，固定裝夾區(qū)域限制零件6個自由度，保證加工基準，浮動裝夾區(qū)域采用X個浮動定位點輔助支撐零件，浮動定位點在加工過程中根據(jù)零件變形不斷調(diào)整定位位置以充分釋放變形。零件的固定裝夾區(qū)域根據(jù)零件中間加工狀態(tài)質(zhì)心計算，零件的其余區(qū)域為浮動裝夾區(qū)域。

所述的中間加工狀態(tài)質(zhì)心的計算方法為：首先通過分析零件的結構特征和加工特點，對零件進行加工特征分類，并定義各特征加工時的材料去除區(qū)域為該特征的加工幾何，再根據(jù)零件加工工藝參數(shù)對加工幾何進行分層，以單個特征加工幾何的單個加工層為一個加工單元，零件加工過程中每去除一個加工單元，即產(chǎn)生一個新的中間加工狀態(tài)，計算所有加工單元所對應的中間加工狀態(tài)下的質(zhì)心。

中間加工狀態(tài)幾何以表示為毛坯減掉已去除的加工單元：

$PG=SG-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{\mathrm{MG}}_i$

式中PG表示當前中間加工狀態(tài)幾何，SG表示毛坯幾何，MG_i為零件的第i個加工單元的幾何，k表示當前已去除的加工單元的數(shù)目。

零件中間加工狀態(tài)質(zhì)心由毛坯的質(zhì)心和加工單元的質(zhì)心計算：

$\stackrel{\→}{r_p}=\frac{m_s\stackrel{\→}{r_s}-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{m}_i{\stackrel{\→}{r}}_i}{m_s-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{m}_i}$

式中表示當前中間加工狀態(tài)質(zhì)心的位置矢量，m_s表示毛坯質(zhì)量，為毛坯質(zhì)心位置矢量,m_i表示第i個加工單元的質(zhì)量，為第i個加工單元的質(zhì)心位置矢量，k表示當前已去除的加工單元的數(shù)目。

所述的固定裝夾區(qū)域的計算方法一為：在零件上確定主定位面，在主定位面上優(yōu)化確定一個三角形包絡零件所有中間加工狀態(tài)質(zhì)心，且使其面積最小，從而使零件所受的支撐力和重力保持平衡，并減小其對釋放變形的影響，優(yōu)化確定的三角形區(qū)域即為固定裝夾區(qū)域。方法步驟如下：

步驟一：根據(jù)零件特征，選擇零件的下表面為主定位面。

步驟二：將零件的全部中間加工狀態(tài)的質(zhì)心投影到主定位面上。

步驟三：采用優(yōu)化算法求解三角區(qū)域。以包絡所有質(zhì)心投影為約束，并保證三角形三邊邊長都不小于定位元件所需要的尺寸，以三角區(qū)域面積最小為優(yōu)化目標，求解最優(yōu)三個頂點坐標，解得的三角區(qū)域即為固定裝夾區(qū)域。

所述的固定裝夾區(qū)域計算方法二為：首先在零件上確定主定位面，再計算中間加工狀態(tài)質(zhì)心集的中心，根據(jù)實驗法或計算分析法在零件主定位面上確定變形滿足一定條件的區(qū)域Sur，在區(qū)域Sur內(nèi)找到一個三角區(qū)域，使其包絡最多的中間加工狀態(tài)質(zhì)心，從而使零件所受的支撐力和重力保持平衡，保持零件穩(wěn)定，再使優(yōu)化頂點面積最小，從而減小其對釋放變形的影響，求解的三角形區(qū)域即為固定裝夾區(qū)域。步驟如下：

步驟一：根據(jù)零件特征，選擇零件的下表面為主定位面。

步驟二：將零件的全部中間加工狀態(tài)的質(zhì)心投影到主定位面上。

步驟三：計算中間加工狀態(tài)質(zhì)心集的中心將投影到主定位面上，坐標為O₀。設零件有n個加工單元，則有n個中間加工狀態(tài)質(zhì)心，則表示為：

$\stackrel{\→}{r_0}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{p=1}^n{\stackrel{\→}{r}}_p}{n}$

式中為第p個中間加工狀態(tài)的質(zhì)心位置矢量。

步驟四：根據(jù)實驗法或計算分析法得到零件整體變形分布，在零件主定位面上選擇相對于O₀變形量小于δ₁的連續(xù)區(qū)域為Sur。式中δ₁根據(jù)零件允許變形量(δ₀)選取，δ₁＝μ*δ₀，其中μ通過經(jīng)驗確定，一般取0.2～0.5。

步驟五：以區(qū)域Sur為三角形頂點的約束，以三角區(qū)域所包絡質(zhì)心數(shù)量為優(yōu)化目標，采用優(yōu)化算法求解三角區(qū)域所能包絡的最大質(zhì)心數(shù)目P。

步驟六：采用優(yōu)化算法在區(qū)域Sur內(nèi)求解三角形，使其包絡P個質(zhì)心，以三角區(qū)面積最小為優(yōu)化目標，并保證三角形三邊邊長都不小于定位元件所需要的尺寸，求解最優(yōu)三個頂點坐標，解得的三角區(qū)域即為固定裝夾區(qū)域。三角區(qū)域未包絡的質(zhì)心所對應的中間加工狀態(tài)不能進行變形釋放。

所述的“X個浮動定位點”，其中“X”的值根據(jù)實際加工需求以及零件剛度進行選取，以保證零件加工的穩(wěn)定性。其中浮動定位點根據(jù)零件變形調(diào)整定位位置。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明實現(xiàn)了零件的準確定位，有效減少了加工變形，保證了零件的加工精度。

附圖說明

圖1為6+X定位方法示意圖。圖中：1.1為零件固定裝夾區(qū)，1.2為浮動裝夾區(qū)域，1.3為浮動定位點，1.4為零件中間加工狀態(tài)質(zhì)心，1.5為固定定位點。

圖2為發(fā)明示例零件及特征加工幾何示意圖。

圖3為中間加工狀態(tài)質(zhì)心求解示意圖。

圖4為示例零件按層優(yōu)先加工時加工單元分布圖。

圖5為示例零件按深度優(yōu)先加工時加工單元分布圖。

圖6為示例零件按層優(yōu)先加工時固定裝夾分區(qū)示意圖。圖中：6.1為浮動裝夾區(qū)域，6.2為固定裝夾區(qū)域，6.3為零件中間加工狀態(tài)質(zhì)心，6.4為零件主定位面。

圖7為示例零件按深度優(yōu)先加工時固定裝夾分區(qū)示意圖。圖中：7.1為浮動裝夾區(qū)域，7.2為固定裝夾區(qū)域，7.3為零件中間加工狀態(tài)質(zhì)心，7.4為區(qū)域Sur，7.5為零件主定位面。

具體實施方式

下面結合附圖和示例零件對本發(fā)明作進一步說明：

一種機械零件加工過程中的6+X裝夾定位方法，如附圖1，將待加工零件劃分為固定裝夾區(qū)域1.1和浮動裝夾區(qū)域1.2，固定裝夾區(qū)域1.1限制零件6個自由度，保證加工基準，浮動裝夾區(qū)域1.2采用X個浮動定位點1.3輔助支撐零件，浮動定位點1.3在加工過程中根據(jù)零件變形不斷調(diào)整定位位置以充分釋放變形。零件的固定裝夾區(qū)域1.1根據(jù)零件中間加工狀態(tài)質(zhì)心1.4計算，零件的其余區(qū)域為浮動裝夾區(qū)域1.2。具體步驟如下：

步驟1：劃分加工單元。附圖2為示例零件，根據(jù)零件結構特征對其進行特征識別，零件共有6個槽特征，編號為P1、P2、P3、P4、P5、P6。槽特征的加工幾何為立方體，如圖MG₂和MG₅分別為槽P2和P5的加工幾何。P1～P6槽深均為d＝15mm，加工時切深為5mm，則按照單個特征的單個加工層區(qū)分加工單元，每個槽有3個加工單元，整個零件共有18個加工單元。

步驟2：求解中間加工狀態(tài)質(zhì)心。零件中間加工狀態(tài)質(zhì)心由毛坯的質(zhì)心和加工單元的質(zhì)心計算：

$\stackrel{\→}{r_p}=\frac{m_s\stackrel{\→}{r_s}-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{m}_i{\stackrel{\→}{r}}_i}{m_s-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^k{m}_i}$

式中表示當前中間加工狀態(tài)質(zhì)心的位置矢量，m_s表示毛坯質(zhì)量，為毛坯質(zhì)心位置矢量,m_i表示第i個加工單元的質(zhì)量，為第i個加工單元的質(zhì)心位置矢量，k表示當前已去除的加工單元的數(shù)目。

如附圖3所示的零件的中間加工狀態(tài)，已去除兩個加工單元U1和U2，建立坐標系O_xyz。U1和U2均為立方體，質(zhì)心為幾何中心，U1和U2質(zhì)心位置矢量和為質(zhì)心相對坐標原點O的矢量，U1和U2的質(zhì)量m₁和m₂通過體積和密度求取。毛坯為立方體，質(zhì)量m_s和質(zhì)心位置矢量通過毛坯尺寸求取。則附圖3所示的零件的中間加工狀態(tài)的質(zhì)心位置表示為：

${\stackrel{\→}{r}}_2=\frac{m_s\stackrel{\→}{r_s}-m_1{\stackrel{\→}{r}}_1-m_2{\stackrel{\→}{r}}_2}{m_s-m_1-m_2}$

類似地，求出零件所有中間加工狀態(tài)的質(zhì)心。零件的加工工藝不同，則中間加工狀態(tài)也不同，對于示例零件采用層優(yōu)先和深度優(yōu)先兩種工藝方案，層優(yōu)先工藝方案的加工單元U1～U18見附圖4，質(zhì)心位置計算結果如下表。

深度優(yōu)先工藝方案的加工單元U1～U18見附圖5。質(zhì)心位置計算結果如下表。

步驟3：求取固定裝夾區(qū)域

步驟2所述的兩種工藝方案質(zhì)心分布不一樣，采取的工藝也不一樣。對于層優(yōu)先工藝方案，質(zhì)心分布較集中，采取下述方法一求取固定裝夾區(qū)域。對于深度優(yōu)先工藝方案，質(zhì)心分布相對分散，采取方法二求取固定裝夾區(qū)域。

方法一：如附圖6，采用層優(yōu)先工藝方案。

選取零件下表面為主定位面6.4)，將零件所有中間加工狀態(tài)投影到主定位面上，令投影點為(O₁～O₁₈)。為使零件所受的支撐力和重力保持平衡，保持零件穩(wěn)定，使用遺傳算法求解三角區(qū)域，使其包絡所有質(zhì)心，且面積最小。

由于主定位面位于XY平面，三角區(qū)域T_ABC三個頂點可用二維坐標表示，設坐標分別為A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)，三角區(qū)域位置函數(shù)u可表示為：

u＝(x1,y1,x2,y2,x3,y3)

設三角區(qū)域面積為S_ABC遺傳算法適應度函數(shù)為:

f(u)＝Min(S_ABC)

約束條件1為三角區(qū)域包絡所有中間加工狀態(tài)質(zhì)心投影：

O₁～O₁₈∈T_ABC

三角區(qū)三邊長l₁、l₂、l₃不小于設置定位元件所需要的尺寸，示例零件固定裝夾區(qū)定位元件直徑為30mm，約束條件2為：

l₁、l₂、l₃≥30

本遺傳算法初始種群數(shù)為100，在迭代過程中，當種群中的個體不滿足約束條件時，則通過變異生成后代作為種群中的新個體。

通過上述遺傳算法可求解三角區(qū)域T_ABC即為零件的固定裝夾區(qū)域6.2。

解得u＝(177.5,35,195.654,50,177.5,65)

方法二：如附圖7，采用深度優(yōu)先工藝方案。

1、如附圖7所示，選取零件下表面為主定位面7.5，將零件的所有中間加工狀態(tài)質(zhì)心投影到主定位面上，則質(zhì)心投影表示為(O₁～O₁₈)。

2、計算零件中間加工狀態(tài)質(zhì)心集的中心示例零件有18個加工單元，則有18個中間加工狀態(tài)質(zhì)心，則表示為：

$\stackrel{\→}{r_0}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{p=1}^{18}{\stackrel{\→}{r}}_p}{18}$

式中為第P個中間加工狀態(tài)的質(zhì)心位置矢量。

通過計算

中間加工狀態(tài)質(zhì)心集中心在主定位面上的投影坐標為O₀(203.8，50)。

3、求取區(qū)域Sur。根據(jù)有限元計算求得零件整體變形分布，在零件主定位面上選擇相對O₀變形量小于δ₁的連續(xù)區(qū)域為Sur。式中δ₁根據(jù)零件允許變形量(δ₀)選取，δ₁＝μ*δ₀，其中μ通過經(jīng)驗確定，一般取0.2～0.5。

示例零件允許變形量δ₀＝0.05mm，取μ＝0.3，δ₁＝0.3*0.05＝0.015mm。根據(jù)有限元計算求得主定位面上相對與O₀點變形量小于0.015mm的連續(xù)區(qū)域，即為區(qū)域Sur7.4。

4、在區(qū)域Sur中求解三角區(qū)域所能包絡的最大質(zhì)心數(shù)量P_max。由于主定位面位于XY平面，三角區(qū)域T_ABC三個頂點可用二維坐標表示，設坐標分別為A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)，三角區(qū)域位置函數(shù)u可表示為：

u＝(x1,y1,x2,y2,x3,y3)

設P為三角區(qū)域T_ABC所包絡質(zhì)心的數(shù)量，遺傳算法適應度函數(shù)為:

f(u)＝Max(P)

在迭代過程中，當種群中的個體不滿足約束條件時，則通過變異生成后代作為種群中的新個體。通過上述算法可求解示例零件三角區(qū)域所能包絡的最大質(zhì)心數(shù)量P_max＝16。

5、上一步中求得的T_ABC為多解，再次通過遺傳算法求解包絡P_max個質(zhì)心且面積最小的解。三角區(qū)域位置函數(shù)u可表示為：

u＝(x1,y1,x2,y2,x3,y3)

設三角區(qū)域面積為S_ABC遺傳算法適應度函數(shù)為:

f(u)＝Min(S_ABC)

設P為三角區(qū)域T_ABC所包絡質(zhì)心的數(shù)量，約束條件為

P＝16

三角區(qū)三邊長l₁、l₂、l₃不小于設置定位元件所需要的尺寸，示例零件固定裝夾區(qū)定位元件直徑為30mm，約束條件2為：

l₁、l₂、l₃≥30

本遺傳算法初始種群數(shù)為100，在迭代過程中，當種群中的個體不滿足約束條件時，則通過變異生成后代作為種群中的新個體。

通過上述遺傳算法可求解三角區(qū)域T_A即為零件固定裝夾區(qū)域。

解得u＝(177.5,35,216.623,50,177.5,65)

零件未被T_ABC包絡的質(zhì)心為O₁₁和O₁₂，這兩個質(zhì)心所對應的中間加工狀態(tài)不進行變形釋放。

步驟4：求取浮動裝夾區(qū)域

零件上固定裝夾區(qū)域之外的區(qū)域即為浮動裝夾區(qū)域。

步驟5：固定裝夾區(qū)域定位。固定裝夾區(qū)域定位方式依據(jù)實際情況確定，如附圖1所示，示例零件在三角區(qū)域三個定點為固定定位點1.5，分別選用圓形銷、菱形銷和點接觸進行定位，限制零件六個自由度。

步驟6：浮動裝夾區(qū)域定位。浮動裝夾區(qū)域內(nèi)根據(jù)實際加工需求以及零件剛度選取X個浮動定位點，以保證零件加工的穩(wěn)定性。其中浮動定位點根據(jù)零件變形調(diào)整定位位置。如附圖1所示，示例零件選取了8個浮動定位點1.3。

本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術相同采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。