專利名稱：多源約束類復(fù)雜曲面零件精密加工預(yù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)雜曲面零件精密加工領(lǐng)域，特別涉及多源約束類復(fù)雜曲面零件精密 加工預(yù)處理方法。
背景技術(shù)：
在航空航天、國防軍工、能源動(dòng)力、運(yùn)載等重大工程中的核心裝備中存在許多具有 復(fù)雜曲面特征的關(guān)鍵零部件。這些關(guān)鍵零件不但要保證結(jié)構(gòu)、材料、形狀和制造精度等要 求，更要高可靠性地滿足運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、氣動(dòng)、傳熱、透波、強(qiáng)度及能量轉(zhuǎn)換等性能指標(biāo)，零件最 終精確尺寸和加工方式受幾何、物理、性能等多源約束的限制，設(shè)計(jì)加工難度大，對(duì)傳統(tǒng)的 制造理論與方法提出了新的挑戰(zhàn)。目前，復(fù)雜曲面零件精密高效加工技術(shù)的研究大多針對(duì)以最初設(shè)計(jì)的幾何尺寸為 最終加工標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜曲面零件，例如葉片、整體葉輪、螺旋錐齒輪、光學(xué)非球面鏡等復(fù)雜曲 面零件。這類復(fù)雜曲面零件加工制造時(shí)，根據(jù)確定的幾何模型，按照空間曲面的數(shù)控加工軌 跡，采用多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工，然后采用通用儀器(如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等)測(cè)量，以檢測(cè)加 工精度是否滿足設(shè)計(jì)要求。但是，在航天航空、國防軍工等領(lǐng)域，還存在著一類具有復(fù)雜曲 面特征的零部件，例如火箭燃料貯箱、共底構(gòu)件、導(dǎo)彈天線罩等。其最終曲面不但受到幾何 因素制約，更受到物理和性能等因素的制約，其最終的曲面幾何形狀不同于原始設(shè)計(jì)形狀， 同一批零件的最終加工曲面不具有一致性。加工制造時(shí)，需先進(jìn)行待加工面或加工基準(zhǔn)面 幾何參數(shù)的測(cè)量以及零件物理性能參數(shù)的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果和性能要求進(jìn)行形面再設(shè) 計(jì)，確定最終加工形面及去除量的分布，最后必須采用專用的數(shù)字化加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)其精密 加工件。采用傳統(tǒng)加工工藝和通用的數(shù)控加工裝備已經(jīng)無法滿足其精密加工。對(duì)這類零件 的加工多采用經(jīng)驗(yàn)試湊和完全手工的方式，不僅加工效率低，且加工精度難以保證。近年來 國內(nèi)雖然開始一定的研究，但制造技術(shù)水平與國外相比還存在相當(dāng)大的差距，尚沒有形成 一套比較完整的分析、研究、和加工的理論體系傳統(tǒng)的機(jī)械零件分類方法，例如根據(jù)零件 幾何結(jié)構(gòu)特征的分類方法、根據(jù)零件工藝特征的分類方法，以及根據(jù)零件功能的分類方法 等，都不能直觀地表達(dá)該類復(fù)雜曲面零件的典型特征，都不能從面形的制約機(jī)理方面合理 地區(qū)分該類復(fù)雜曲面零件。發(fā)明人郭東明等的發(fā)明專利名稱“導(dǎo)彈天線罩幾何精度測(cè)量裝 置”(ZL99213477. 3)對(duì)該類薄壁回轉(zhuǎn)體的幾何參數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行了研究，并發(fā)明了專用測(cè) 量裝置，但以上研究只基于幾何因素，沒有考慮其他性能要求對(duì)精度的影響；盧杰持等發(fā)表 于機(jī)械工程學(xué)報(bào)1999年第6期第65-67頁的文獻(xiàn)“航天大型蜂窩復(fù)合材料構(gòu)件的配合型面 加工技術(shù)”所述對(duì)大型共底配對(duì)構(gòu)件加工的分析研究中，采用了微分幾何學(xué)中相伴曲線、曲 面的方法，但這樣的相伴要素是以幾何因素驅(qū)動(dòng)和定義的，也沒有考慮性能、物理等約束的 影響。以上研究都只是針對(duì)具體曲面零件進(jìn)行的，沒有形成一套從約束源出發(fā)對(duì)具有多約 束源特征的曲面零件進(jìn)行分析研究的系統(tǒng)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，以性能為主要制造要求的復(fù)雜 曲面零件尚不明確其約束源間的耦合機(jī)理、缺少完整系統(tǒng)的分析體系的突出難題，以及對(duì) 該類零件的工藝制備，傳統(tǒng)的加工制造基礎(chǔ)理論已經(jīng)無法滿足的突出難題，從決定曲面最 終面形的性能約束出發(fā)，發(fā)明了多源約束面形再設(shè)計(jì)類復(fù)雜曲面零件和幾何單約束面形類 復(fù)雜曲面零件的分類定義方法；運(yùn)用以零件性能指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)的性能相伴方法找到目標(biāo)曲面 和以性能指標(biāo)驅(qū)動(dòng)的相伴曲面之間的映射關(guān)系，并且計(jì)算求得目標(biāo)曲面各點(diǎn)各區(qū)域的加工 余量分布，最終確定滿足性能要求的目標(biāo)曲面精確面形。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明多源約束類復(fù)雜曲面零件精密加工預(yù)處理方 法，其特征是，首先對(duì)具有復(fù)雜曲面特征的零件進(jìn)行約束源分析，確定零件類型；其次根據(jù) 目標(biāo)曲面最終面形的約束源類型，即幾何約束、物理約束及性能約束等，分析其他約束與幾 何約束間的耦合作用機(jī)理，或者建立約束源之間的耦合關(guān)聯(lián)模型，確定對(duì)目標(biāo)曲面起決定 作用的性能指標(biāo)；然后以滿足該性能指標(biāo)為目標(biāo)，找出對(duì)目標(biāo)曲面的面形起決定作用的以 性能指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)的性能相伴曲面，通過對(duì)該性能相伴曲面的分析計(jì)算，確定通過調(diào)整幾何 約束以滿足性能要求的修磨補(bǔ)償方法，求得目標(biāo)曲面各點(diǎn)區(qū)域的加工余量分布，最終確定 滿足性能指標(biāo)的目標(biāo)曲面精確面形；具體預(yù)處理方法的步驟如下(1)分析零件的曲面特征，確定零件類型，多源約束面形再設(shè)計(jì)類復(fù)雜曲面零件應(yīng) 具備如下特征1)零件的尺寸大、精度高、形狀復(fù)雜、多為薄壁件，可加工性差；2)原始設(shè)計(jì)的幾何尺寸僅僅是在理想狀態(tài)下確定的，并且?guī)缀纬叽绮皇俏ㄒ患s 束，還有物理和性能等約束，而且性能要求往往為主要制造要求；3)考慮到零件的個(gè)體差異，只能根據(jù)實(shí)際測(cè)量的每個(gè)零件的毛坯或半精加工后的 物理性能和幾何尺寸，按照零件實(shí)際性能與目標(biāo)性能之間的差異，進(jìn)行加工曲面再設(shè)計(jì)，解 算出精加工時(shí)的幾何參數(shù)反調(diào)量或去除余量的分布，據(jù)此進(jìn)行零件的最終加工，獲得滿足 性能要求的零件最終尺寸和形狀；4)零件的制造必須經(jīng)過測(cè)量、再設(shè)計(jì)、精密加工的過程，加工裝備呈現(xiàn)測(cè)量與加工 一體化的特征；(2)根據(jù)零件的約束類型，分析約束間的耦合作用機(jī)理，或者建立約束源的耦合關(guān) 聯(lián)模型，確定決定目標(biāo)曲面最終精確面形的性能約束指標(biāo)；(3)根據(jù)約束間的耦合關(guān)系，確定目標(biāo)曲面和性能相伴曲面間的映射關(guān)系f，找出 對(duì)目標(biāo)曲面面形起決定作用的以性能指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)的性能相伴曲面；首先設(shè)某具有多源約束特征復(fù)雜曲面S的曲面方程為r = r (u, ν)，在曲面S上設(shè) 立雙參數(shù)活動(dòng)標(biāo)架，參見附

圖1 {r (u, ν) (u, ν), e2 (u, ν), e3 (u, ν)} (1)在曲面S上選擇正交坐標(biāo)網(wǎng)，r(u，ν)為曲面S的向徑，u和ν分別為曲面雙向參 數(shù)，θι和％分別為坐標(biāo)曲線的單位切向量，?。榍鍿的單位法向量η(此時(shí)，保證曲面 第一基本式參數(shù)F E0,使參數(shù)曲線網(wǎng)正交)；即
權(quán)利要求
1.本發(fā)明多源約束類復(fù)雜曲面零件精密加工預(yù)處理方法，其特征是，首先對(duì)具有復(fù)雜 曲面特征的零件進(jìn)行約束源分析，確定零件類型；其次根據(jù)目標(biāo)曲面最終面形的約束源類 型，即幾何約束、物理約束及性能約束等，分析其他約束與幾何約束間的耦合作用機(jī)理，或 者建立約束源之間的耦合關(guān)聯(lián)模型，確定對(duì)目標(biāo)曲面起決定作用的性能指標(biāo)；然后以滿足 該性能指標(biāo)為目標(biāo)，找出對(duì)目標(biāo)曲面的面形起決定作用的以性能指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)的性能相伴曲 面，通過對(duì)該性能相伴曲面的分析計(jì)算，確定通過調(diào)整幾何約束以滿足性能要求的修磨補(bǔ) 償方法，求得目標(biāo)曲面各點(diǎn)區(qū)域的加工余量分布，最終確定滿足性能指標(biāo)的目標(biāo)曲面精確 面形；具體預(yù)處理方法的步驟如下(1)分析零件的曲面特征，確定零件類型，多源約束面形再設(shè)計(jì)類復(fù)雜曲面零件應(yīng)具備 如下特征1)零件的尺寸大、精度高、形狀復(fù)雜、多為薄壁件，可加工性差；2)原始設(shè)計(jì)的幾何尺寸僅僅是在理想狀態(tài)下確定的，并且?guī)缀纬叽绮皇俏ㄒ患s束，還 有物理和性能等約束，而且性能要求往往為主要制造要求；3)考慮到零件的個(gè)體差異，只能根據(jù)實(shí)際測(cè)量的每個(gè)零件的毛坯或半精加工后的物理 性能和幾何尺寸，按照零件實(shí)際性能與目標(biāo)性能之間的差異，進(jìn)行加工曲面再設(shè)計(jì)，解算出 精加工時(shí)的幾何參數(shù)反調(diào)量或去除余量的分布，據(jù)此進(jìn)行零件的最終加工，獲得滿足性能 要求的零件最終尺寸和形狀；4)零件的制造必須經(jīng)過測(cè)量、再設(shè)計(jì)、精密加工的過程，加工裝備呈現(xiàn)測(cè)量與加工一體 化的特征；(2)根據(jù)零件的約束類型，分析約束間的耦合作用機(jī)理，或者建立約束源的耦合關(guān)聯(lián)模 型，確定決定目標(biāo)曲面最終精確面形的性能約束指標(biāo)；(3)根據(jù)約束間的耦合關(guān)系，確定目標(biāo)曲面和性能相伴曲面間的映射關(guān)系f，找出對(duì)目 標(biāo)曲面面形起決定作用的以性能指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)的性能相伴曲面；首先設(shè)某具有多源約束特征復(fù)雜曲面S的曲面方程為r = r (u, ν)，在曲面S上設(shè)立雙 參數(shù)活動(dòng)標(biāo)架，參見附圖1 {r (u, ν) (u, ν), e2 (u, ν), e3 (u, ν)} (1)在曲面S上選擇正交坐標(biāo)網(wǎng)，r (u，ν)為曲面S的向徑，u和ν分別為曲面雙向參數(shù)，θι 和％分別為坐標(biāo)曲線的單位切向量，?。榍鍿的單位法向量η (此時(shí)，保證曲面第一基 本式參數(shù)F E0,使參數(shù)曲線網(wǎng)正交)；即
全文摘要
本發(fā)明多源約束類復(fù)雜曲面零件精密加工預(yù)處理方法屬于復(fù)雜曲面零件精密加工領(lǐng)域，特別涉及多源約束類復(fù)雜曲面零件精密加工預(yù)處理方法。本發(fā)明對(duì)復(fù)雜曲面零件進(jìn)行約束源分析，先確定零件類型，根據(jù)目標(biāo)曲面最終面形的約束源類型，分析約束間的耦合作用機(jī)理，建立約束源之間的耦合關(guān)聯(lián)模型，以滿足性能指標(biāo)為目標(biāo)，找出對(duì)目標(biāo)曲面的面形起決定作用的以性能指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)的性能相伴曲面，確定通過調(diào)整幾何約束以滿足性能要求的修磨補(bǔ)償方法，求得目標(biāo)曲面各點(diǎn)區(qū)域的加工余量分布，最終確定滿足性能指標(biāo)的目標(biāo)曲面精確面形。本發(fā)明提高了該類復(fù)雜曲面零件精密加工的效率和精度，使零件同時(shí)滿足幾何要求和性能要求。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102043875SQ20101050213
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者劉巍, 王永青, 王福吉, 賈振元, 郭東明, 魏偉力 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)