基于激光在机测量的复杂舱体结构适应性加工研究

Cabin structure has a wide application in the aerospace area, which is characterized as large, thin-walled, curved and partly-covered. The complex cabin structure is usually manufactured by the combination of casting/welding and CNC machining processes. By experiencing multiple thermal cycles in the heating process, cabin structure always has a poor shape compliance and an uneven distribution of the allowance, which results in a low machining efficiency and a high reject rate. This project brings up the research work on adaptive machining of complex cabin structure based on on-machine measurement by laser (OMML). Two fundamental problems are aimed to be solved which are the adaptive reconstruction of the CAD model based on the tolerance range and the error characterization of OMML affected by multi-factors. A template-based quick NC programming is performed by employing a hybrid deformation method, which can enhance the efficiency and reduce the reject rate in the adaptive machining of complex cabin structure. The main researches included in this project are as follow: 1) precision control of OMML; 2) CAD model matching based on constrained registration and non-rigid deformation; (3) validation of adaptive machining complex cabin structure. The deliveries from this project will provide the theory and the method of machining complex cabin structure precisely and efficiently, which has an important meaning.

舱体结构在航空航天领域武器装备中应用广泛，具有尺寸大、薄壁、曲面、局部遮蔽的特点，属于典型的复杂结构，当前采用“铸造/焊接+数控切削”组合工艺加工而成。由于在热工艺过程中经受多重热循环，复杂舱体结构存在形状一致性差、加工余量分布不均匀等问题，导致数控切削加工效率低、废品率高。本项目提出基于激光在机测量的复杂舱体结构适应性加工研究，在解决基于加工公差带的零件CAD模型适应性重建与多因素作用激光在机测量误差表征两个关键问题的基础上，通过模板刀位点混合变形快速数控编程，由此实现个性化复杂舱体结构适应性加工以提高加工效率、降低废品率。研究内容包括复杂舱体结构激光在机测量精度控制、基于约束配准和非刚性变形的CAD模型匹配、个性化复杂舱体结构适应性加工与验证。项目成果可为复杂舱体结构高效高精加工提供理论和方法，具有重要意义。

随着我国航空航天事业的不断发展，为满足多功能、轻量化、高稳定性的载荷功能需求，新型研制的空间飞行器舱体逐步采用“金属骨架+蜂窝夹层+蒙皮”的结构形式。舱体骨架结构材料在热成形过程中经历多重热循环，提供给数控加工的毛坯呈现出个性化、形状位置均未知、加工余量分布不均匀的状态，导致数控加工存在废品率高和加工效率低的问题。.本项目立足于航空航天结构件适应性加工需求，针对复杂舱体结构毛坯形状一致性差、加工余量分布不均导致数控切削加工效率低、废品率高的问题，通过激光在机测量精度控制、加工余量适应性分配的研究，建立了多因素作用下激光在机测量误差表征模型，提出了基于加工公差带的零件CAD模型适应性匹配方法和快速数控编程策略，并进行了加工验证与效果评价，为实现航空航天复杂结构的适应性加工提供方法。.主要工作包括：.（1）建立了基于金属反射特性、传感器位姿标定、机床位置精度的误差模型，分析了基于环境因素的测量误差规律，提出了激光在机测量误差补偿方法和精度控制策略，验证了台阶高度、孔/槽以及自由曲面等特征的测量精度效果，实现了复杂舱体结构特征的高精度测量目标。.（2）研究了基于PCA的快速粗略配准算法和基于单位四元数的ICP精确配准算法，给出了先粗略配准后精确配准的配准方法，提高了配准的效率和精度，为后续约束配准提供了良好的位置姿态。.（3）分析了余量分布情况，并针对余量的分布情况研究了余量和壁厚双重约束下的配准方法，分析了薄壁舱体毛坯的三种状态，并提出了对应的余量配准解决方法。.（4）建立了轮廓度与壁厚双重约束下的数学模型，针对余量不足问题提出了目标曲面重建和余量优化分配方法；以复杂舱体结构试验件为对象，开展了进气道曲面适应性铣削加工实验，分析了测量与加工精度，验证了集成系统的可靠性以及适应性加工技术的可行性。