复杂空间型面误差在机测评及反馈补偿原理与方法

The expression、acquisition、transmission and utilization of processing quality information are the important contents of digital manufacturing. In this project，the tolerance definition、error evaluation theory and feedback compensation method of the complex spatial profile are mainly studied based on on-machine verification environment. Firstly, the mathematical method is utilized to describe、define and model the geometric error of the profile. And based on the topological model of the geometric error evaluation of the generalized profile, the construction method of adaptive error evaluation for complex spatial profile is proposed. Secondly, using the multiple non-linear regression analysis etc., the intelligent sampling planning and discrete data obtaining method aiming at 3D geometric model are studied, which realizes an efficient and accurate acquisition of structure parameters. Then, the comprehensive dynamic error model of system is modeled. A step-by-step compensation strategy for dynamic and static error is proposed and the compensation method based on cutter location data modification and process CAD model reconstruction is analyzed. Finally, using the theoretical research results, a system used for error evaluating and feedback compensating of complex spatial profile is constructed, realizing the "design-manufacture-measurement-compensation" quality controlling process for typical workpeice on the experimental platform. All this will provide a theoretical support for the key technology of complex mechanical equipment manufacturing.

加工质量信息的表达、获取、传递和利用是数字化制造的重要内容。项目对在机检测环境下复杂空间型面公差定义、误差测评理论及反馈补偿方法等关键问题进行研究。用数学方法对型面几何误差进行描述、定义和建模，基于广义曲面几何误差评定拓扑学模型，给出复杂空间型面误差评定自适应格式的构造方法。使用多元非线性回归分析等统计学工具，研究基于3D几何模型的复杂空间型面采样智能规划及有关离散数据获取策略的若干问题，实现高效、准确地获得被测型面的结构参数信息。建立系统动误差综合模型，研究动、静误差分步补偿策略及基于刀位数据修正和工艺CAD模型重构相结合的误差补偿方法。最后，以项目的理论研究成果为核心内容，构建复杂空间型面误差在机测评与反馈补偿系统，并在实验平台上实现复杂空间型面典型零件的"设计-加工-测量-补偿加工"一体化的质量控制过程。这将为我国高性能复杂机械装备核心制造技术的突破提供理论支撑。

复杂空间型面零件的设计、制造、测量等关键技术已列入制造业重点发展的优先主题，零件的高效、精密制造技术对如何快速精确地评定复杂空间型面的加工误差，以及对复杂空间型面综合误差进行反馈补偿提出了迫切要求。. 本项目在深入分析了ASME_Y14.5.1M-1994中几何公差的语义表达的基础上，提出了两种新的复杂空间型面轮廓度误差评定算法，即基于粒子群算法与STL模型相结合的误差评定算法与基于SQP(Sequential Quadratic Programming)与分割逼近法相结合的误差评定算法，两者与传统算法的比较中都具有更好的精度，而前者更注重算法适用性，后者在计算速度与精度上更加突出。同时针对复杂空间型面离散数据获取策略进行了深入研究，基于触发式在机检测环境，提出一种无需基于模型表面特征要素分类的检测办法，采用KM算法优化了检测路径，并进行了检测规划的后置处理使检测路径信息文件转换成为机床能够识别的NC代码，同时也进行了位姿调整避免干涉。提出工艺系统动、静误差分步补偿的误差补偿策略。首先建立了由切削力引起的刀具变形系统动误差模型，预测各刀位点误差量，然后通过对预加工后的工件进行在机检测和误差评定，获得实际轮廓相对于理论轮廓的形状及方向和位置的整体偏差量，重构零件工艺CAD模型。最终按照“镜像反变形”思想分别实现了基于刀位数据修正和基于工艺CAD模型重构的误差补偿方法。基于前述研究，开发了一套复杂空间型面误差在机测评与反馈补偿软件系统，其具有复杂空间型面轮廓度的误差评定、路径规划、综合误差补偿功能模块。项目针对上述提出的方法分别进行了仿真、实验，轮廓度误差评定算法较之于传统算法具有高效、精确、普遍适用的特点；路径规划方法提高了检测效率，通过实验验证了在机检测方式的有效性，降低了重复定位误差；工艺系统动、静误差“两步走”的误差补偿策略提高了复杂空间曲面加工精度。. 综上，本项目实现了复杂空间型面典型零件"设计—加工—测评—补偿加工"的质量控制过程，提高了复杂曲面零件加工质量。