基于原位检测的复杂曲面加工-测量的闭环加工方法研究

With the development of manufacturing technology and equipment, the demand for parts with precise complex surfaces is increasing. The corresponding inspection technology is needed to inspect and control the machining accuracy. Current the inspection technology based on the coordinate measuring machine(CMM) is widely used for the form and position accuracy inspection of precision parts. However, there are still some problems, such as the positioning errors caused by relocation which are difficult to eliminate, larger parts can not be inspected, etc. Recently, more attention has been given to direct inspection on numerical control machines and development of a closed-loop processing system of machining-inspection- compensation. To solve the problems of on-line inspection of complex surfaces, some important technologies, such as planning the measured points using a standard computer-aided design (CAD) model of StereoLithographic (STL) format, error compensation of obtained data, decomposition and compensation of machining errors, are illustrated in this thesis. The aim is to improve the machining accuracy of complex surfaces by on-line inspection and in situ error compensation.

随着制造业技术和装备的不断进步，对复杂零件/产品的精度、效率、质量和外观要求愈来愈高。在复杂曲面零件的生产过程中，需要用相应的检测方法对其加工精度进行检测和控制。基于三坐标测量机（CMM）的检测常用于精密零件的形位精度检测，但具有工件二次装夹定位误差问题及大型零件测量的局限性问题。在数控机床上直接进行加工精度的原位检测，形成“加工－测量－补偿”的闭环加工检测系统，是近年来国内外研究领域的研究热点。本项目针对目前复杂曲面零件精密原位检测中存在的难点问题，研究复杂曲面原位测量-补偿加工方法，深入开展检测误差来源分析与误差传递规律、测点规划、检测数据的误差补偿、加工误差分解和补偿等关键技术研究，以期通过原位检测与原位补偿加工，提高曲面零件的加工精度。研究成果整体有望形成对于“加工-测量”闭环制造模式的理论支撑。

“设计—加工—测量”一体化的闭环制造模式是产品快速开发的重要使能技术。本项目针对目前复杂曲面零件精密原位检测中存在的难点问题，较深入地研究了复杂曲面原位测量-补偿加工方法，深入开展检测误差来源分析与误差传递规律、测点规划、检测路径仿真、检测数据的误差补偿、加工误差分解和补偿等关键技术问题研究。. 结果表明，采用误差补偿技术，基于加工中心的复杂曲面原位检测的检测精度可达10μm；采用测点自适应方法和检测路径优化可以显著提高检测效率；检测路径仿真能尽可能避免实际操作过程中出现测头碰撞问题；采用经验模态方法和空间统计学方法，对基于检测数据的加工误差分解为系统误差和随机误差，提出了对系统误差在机床上进行原位补偿加工，无须对零件重新定位就能大幅提高零件的加工精度，提高了加工效率。开发了一套面向复杂曲面零件加工精度在线检测与原位误差补偿加工的集成化系统，并进行了一系列曲面零件的数控加工、在线检测及原位补偿等实验研究，验证了所提出的各类算法及所开发系统的可行性与有效性。. 本研究工作表明，集原位检测和误差补偿加工于一体的曲面零件检测技术是提高曲面零件加工精度和加工效率的有效方法，所提出的集成化检测与原位补偿加工的关键技术研究，取得了良好的理论研究成果，为提高复杂曲面零件的加工精度提供了一种可行有效的方法，也为原位检测技术的推广应用提供了理论依据和软件系统支持。