一種大尺度弱剛度薄殼類工件的定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大尺度弱剛度薄殼類工件的定位方法，用于大尺度弱剛度薄殼類 工件多點(diǎn)定位參數(shù)的優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002] 大尺度合金或復(fù)合材料薄壁件等薄殼類工件，常用作現(xiàn)代大型飛行器的外蒙皮， 其制造過程一般采用"先加工后成型"工藝，但其成型工序往往會導(dǎo)致已加工零件的外輪廓 產(chǎn)生大變形，極易影響飛行器的氣動性能和隱身性能。
[0003] 為克服上述問題，"先成型后加工"工藝被逐漸應(yīng)用，但成型后的半成品屬弱剛度 薄殼類零件，其定位難度增大，且面向剛性體的"3-2-1"六點(diǎn)定位方法已不再適用。鑒于此， "N-2-1"定位技術(shù)被提出，其可削弱工件在測量和化銑刻線等工藝過程中的變形，但無法抑 制切邊等工藝過程中局部定位點(diǎn)失效所導(dǎo)致的加工區(qū)域剛度減弱的現(xiàn)象；為此，"X-2-1"動 態(tài)定位方法被提出，但其還處于概念描述階段，對于"如何尋找最優(yōu)X"的技術(shù)積累較少。
[0004] 傳統(tǒng)的裝夾方案確定依賴于直觀判斷和經(jīng)驗(yàn)的積累，或者有針對性地對工件弱剛 度部位進(jìn)行加固。其缺陷在于：①經(jīng)驗(yàn)的獲取不及時代對加工質(zhì)量的不斷發(fā)展；②弱剛度 部位的針對性加固需長時間地嘗試和調(diào)整。為此，大量的技術(shù)開發(fā)圍繞著工件多定位點(diǎn)布 局的優(yōu)化方法展開，但大多數(shù)提出的方法均不約而同地選擇定位精度與加工路徑變形為工 件定位點(diǎn)布局優(yōu)化的目標(biāo)，但整個優(yōu)化過程均在工件定位點(diǎn)初始布局已知的條件下進(jìn)行， 然而，恰恰工件最優(yōu)定位點(diǎn)布局的獲取對其初始布局，即優(yōu)化過程的初值異常敏感。
[0005] 基于傳統(tǒng)定位方法易產(chǎn)生加工變形且定位效率低的事實(shí)，大尺度弱剛度薄殼類工 件的定位方法已成為工業(yè)界更為喜愛和關(guān)注問題。因此，如何確定工件定位點(diǎn)數(shù)量？如何 搜索工件定位點(diǎn)布局？是提高大尺度弱剛度薄殼類工件加工質(zhì)量所欠缺的，同時其研究也 是滯后的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種大尺度弱剛度薄殼類工件的定位方法，該方法解決了此 類工件完全定位參數(shù)，包括定位點(diǎn)數(shù)量、位置的選擇問題，破解了工件定位點(diǎn)數(shù)量、布局與 其定位精度、加工變形及夾持穩(wěn)定性間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
[0007] 發(fā)明的技術(shù)方案是： (1)選擇夾持力與加工變形為保障工件完全定位最為直接和重要的指標(biāo)，即優(yōu)化目標(biāo)， 其取值范圍可依據(jù)薄殼類工件型號查閱機(jī)械工藝手冊計算獲得。
[0008] (2)確定工件定位點(diǎn)的數(shù)量及其初始布局。
[0009] 沿工件加工路徑劃分其加工表面為若干加工和非加工區(qū)域，以滿足工件夾緊力 為目標(biāo)，并基于定位點(diǎn)資源總量和定位點(diǎn)間幾何干涉的約束條件，優(yōu)先在加工區(qū)域添加定 位點(diǎn)；達(dá)到工件對夾緊力的需求后，進(jìn)一步添加定位點(diǎn)，以提高工件外形定位精度，直至確 定實(shí)際所需定位點(diǎn)數(shù)量。
[0010] 選擇工件各加工區(qū)域最大定位誤差位置添加定位點(diǎn)，確定工件所有定位點(diǎn)的相 對位置，以此獲得同時滿足夾緊力和定位精度需求的工件初始定位方案，即：工件的多定位 點(diǎn)初始布局。
[0011] (3)設(shè)計工件多定位點(diǎn)初始布局的優(yōu)化策略。
[0012] 受植物生長競爭規(guī)律啟發(fā)，結(jié)合靈敏度概念，計算比較工件加工變形相對各定位 點(diǎn)沿不同方向單位量移動后的變化率，以此搜索可快速減小工件加工變形的最敏感定位點(diǎn) 及其位置調(diào)整方向，最終生成工件多定位點(diǎn)布局優(yōu)化過程中應(yīng)遵循的調(diào)整策略，即：調(diào)整相 應(yīng)定位點(diǎn)沿減小工件加工變形的最敏感方向移動。
[0013] 為便于計算，使用中心差分格式構(gòu)造上述優(yōu)化策略，其數(shù)學(xué)表達(dá)為：
(4)設(shè)計工件多定位點(diǎn)初始布局的優(yōu)化算法。
[0014] 數(shù)學(xué)簡化工件多點(diǎn)定位工裝原型，選擇工件抗拒加工變形的能力為優(yōu)化目標(biāo)，同 時結(jié)合各定位點(diǎn)間的幾何干涉約束，將工件多定位點(diǎn)初始布局調(diào)整過程數(shù)學(xué)表達(dá)為旨在減 小加工變形的多定位點(diǎn)協(xié)調(diào)優(yōu)化問題，并完成優(yōu)化模型的構(gòu)建。
[0015] 解析目標(biāo)最優(yōu)值與約束邊界間的內(nèi)在聯(lián)系，確定定位點(diǎn)工程驅(qū)動約束與靈敏度 計算，構(gòu)建旨在調(diào)整工件多定位點(diǎn)初始布局逼近工件最小加工變形的優(yōu)化算法，以此獲取 對應(yīng)工件加工位置的最優(yōu)剛度。
[0016] (5)再修正工件的多定位點(diǎn)優(yōu)化布局。
[0017] 設(shè)計模態(tài)實(shí)驗(yàn)，測試多定位點(diǎn)優(yōu)化布局下工夾系統(tǒng)的模態(tài)特性，以此揭示其固有 頻率與振型等模態(tài)參數(shù)變化規(guī)律，并識別工夾系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0018] 依據(jù)工夾系統(tǒng)模態(tài)頻率與振型等特性，對大振動變形趨勢范圍內(nèi)的定位點(diǎn)位置 進(jìn)行微調(diào)，或繼續(xù)在最大振動趨勢處添加輔助定位點(diǎn)，以此抑制工件振動，并進(jìn)一步改善工 件加工質(zhì)量。
[0019] 其優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明包含大尺度弱剛度薄殼類工件完全定位表征指標(biāo)構(gòu)建、定位 點(diǎn)數(shù)量確定及其初始布局搜索、多定位點(diǎn)初始布局的優(yōu)化策略與算法設(shè)計、多定位點(diǎn)優(yōu)化 布局再修正方法。一方面，所提出的跟隨加工區(qū)域確定定位點(diǎn)數(shù)量及其初始布局的方法，有 利于設(shè)計人員在保障工件加工過程中夾持可靠的前提下，基于有限的定位點(diǎn)數(shù)量約束，對 工件不同區(qū)域的定位誤差實(shí)施有針對性地重點(diǎn)防控，并為工件定位點(diǎn)布局全局優(yōu)化提供可 靠的優(yōu)化初值；另一方面，所設(shè)計的沿減小加工變形最敏感方向調(diào)整定位點(diǎn)分布的優(yōu)化策 略與流程，破解了工件定位點(diǎn)布局與加工變形之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了工件定位點(diǎn)布局的 全局優(yōu)化；此外，依據(jù)模態(tài)參數(shù)對工件多定位點(diǎn)優(yōu)化布局進(jìn)行修正，或添加輔助定位點(diǎn)，進(jìn) 一步基于抑振的角度改善了工件加工工藝質(zhì)量。
【附圖說明】
[0020] 圖1某型自由曲面飛機(jī)蒙皮樣件； 圖2工件多點(diǎn)定位的有限元數(shù)值分析模型； 圖3工件定位點(diǎn)的數(shù)量確定及初始布局的搜索； 圖4工件夾緊力總和的變化歷程； 圖5工件各加工區(qū)域最大定位誤差的變化歷程； 圖6大尺度弱剛度薄殼類工件的多點(diǎn)定位工裝原型； 圖7大尺度弱剛度薄殼類工件多點(diǎn)定位工裝原型的簡化模型； 圖8工件多定位點(diǎn)初始布局的優(yōu)化流程：調(diào)整階段I;; 圖9工件多定位點(diǎn)初始布局的優(yōu)化流程：調(diào)整階段; 圖10工件多定位點(diǎn)初始布局的優(yōu)化流程：調(diào)整階段ΠΙ; 圖11工件多定位點(diǎn)初始布局的優(yōu)化流程：調(diào)整階段籠·; 圖12工件多定位點(diǎn)初始布局優(yōu)化前后的加工變形比對； 圖13工件最大加工變形與剛度的變化歷程； 圖14工夾系統(tǒng)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)； 圖15工件的1階模態(tài)振型。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 見圖1~圖14,依據(jù)某型自由曲面飛機(jī)蒙皮的結(jié)構(gòu)對稱性，圖1顯示了該工件的四 分之一部分，且沿加工路徑1、2將其加工表面劃分為若干加工區(qū)域和非加工區(qū)域，如：加工 區(qū)域1~4。定位點(diǎn)的添加優(yōu)先在工件各加工區(qū)域進(jìn)行。
[0022] 圖2構(gòu)建了工件多點(diǎn)定位有限元數(shù)值分析模型，用于工件定位點(diǎn)添加過程中定位 誤差的計算和工件定位點(diǎn)初始布局優(yōu)化過程中加工變形的計算。
[0023] 圖3選取了如圖1所示工件的四分之一對稱部分為分析對象，展示了工件定位點(diǎn) 數(shù)量的確定與初始布局的搜索過程，共經(jīng)歷了 7次添加。其中，標(biāo)識符號為"（0) "的定位點(diǎn) 是工件的最初定位方式；"（1) "表示第1次分別在加工區(qū)域1~4