基于测量反馈的复杂曲面线接触加工误差控制方法研究

With the development of the digital manufacturing technology, on-machine measurement (OMM) becomes a key step for accurately manufacturing of complex surfaces. But the current OMM strategy and error control approach limit the application of line-contact machining, because its complexity for the geometric characteristics of formed surface and specialty for error distribution. This project aims to accomplish the high-precision line-contact machining of complex surfaces, and a machining error control approach is proposed based on OMM. The relationship among the design surface, the tool envelope surface and the measurement surface is revolved. The machining error is assessed and computed without constructing the measurement surface based on sphere congruence theory. On this basis, the tool path adjustment and optimization method is proposed to achieve accurately error control for line-contact machining, following the characteristic curve and minimum zone criterion. The research results will benefit theoretical and engineering applications, including geometric definition of complex surface, planning of on-machine measurement, assessment and control of machining error, and reverse engineering, etc. Simultaneously, the design-machining-measurement process and CAD/CAM related subjects will be promoted, and the high-efficiency and high-precision machining of complex components will be improved.

随着数字化制造技术的发展，在机测量成为实现复杂曲面零件精确制造的关键环节，由于线接触加工成形曲面几何特征与误差分布的特殊性，缺乏精确有效的误差控制方法已成为线接触加工由理论规划走向实际加工的瓶颈。本项目以实现复杂曲面高精度线接触加工为目标，提出基于在机原位测量的加工误差控制方法。全面揭示理论设计曲面、刀具运动包络曲面和实际测量曲面间的内在关系，基于双参数球族包络理论建立无需重构测量曲面的加工误差评定方法，在此基础上提出面向特征曲线和遵循最佳一致逼近原则的刀位调整优化方法，实现线接触加工误差的有效控制。研究结果对于复杂曲面几何特征的定义、在机原位测量规划、加工误差评定与控制、逆向工程重构等具有重要的理论意义和工程应用价值，对制造过程设计-加工-测量一体化理论体系、CAD/CAM等学科的发展和完善将产生积极的促进作用，并将提高运载、能源和国防领域中关键复杂零件高效、精密数控加工的技术水平。

随着数字化制造技术的发展，在机测量成为实现复杂曲面零件精确制造的关键环节，本项目以实现复杂曲面高精度线接触加工为目标，提出基于在机原位测量的加工误差控制方法。全面揭示理论设计曲面、刀具运动包络曲面和实际测量曲面间的内在关系，基于双参数球族包络理论建立无需重构测量曲面的加工误差评定方法，在此基础上提出面向特征曲线和遵循最佳一致逼近原则的刀位调整优化方法，并通过非均匀余量刀位规划策略，实现线接触加工误差的有效控制。. 该项目研究取得的主要学术成果包括:(1) 基于复杂曲面侧铣加工误差的精确计算，提出了一种复杂曲面类零件能否通过侧铣实现高精度加工的判定方法，该方法适用于任意直纹和非直纹曲面。侧铣加工误差为待加工理论曲面与刀具运动包络曲面之间的距离，本研究构造了一种该误差的直接精确计算方法，在此基础上应用整体最优刀具路径下的最大几何偏差进行曲面可侧铣判定依据。（2）依据侧铣加工复杂曲面的特点，对整体叶轮叶片的侧铣加工刀位进行了分析和优化，提出基于球族包络理论的叶轮叶片在机测量路径规划算法，并通过误差计算进行补充，从而生成新的优化后的侧铣刀位。（3）以控制整体叶轮叶片的制造误差为出发点，提出非均匀余量的工艺优化策略，增强复杂曲面超薄叶片弱刚性结构的强度，减小其在制造过程中产生的变形和切削颤振，实现以生产实际中简单易用的制造工艺手段提高复杂曲面零件的制造精度。. 研究结果对于复杂曲面几何特征的定义、在机原位测量规划、加工误差评定与控制、逆向工程重构等具有重要的理论意义和工程应用价值，对制造过程设计-加工-测量一体化理论体系、CAD/CAM等学科的发展和完善将产生积极的促进作用，并将提高运载、能源和国防领域中关键复杂零件高效、精密数控加工的技术水平。