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提高数字化设计钣金件精度的方法 |
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作者：沈阳航空工业学院 李淑萍 李环 |
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摘要：针对数字化设计钣金件加工误差比较隐蔽的问题，分析了在建模过程中产生的误差以及可能采取的消除措施，分析了在数控测量中误差积累的问题。另外，分析了测量点云与零件表面最佳拟合后的结果，给出了关于误差评定新的判断准则。通过上述措施，可以减少零件加工误差，提高零件的合格率。
关键词：计算机辅助设计与制造；数字化设计；误差；精度
近30年来，飞机制造技术发生了根本性的变革，特别是波音777飞机的问世，标志着飞机制造从过去使用模线- 样板- 量规- 标准样件- 零件成形模具与装配型架的模拟量传递体系，转变为全机外形数字化定义- 飞机结构三维建模- 数字化预装配- 数控加工- 数控检测的数字量传递体系[1] 。在数字量传递体系中，零件加工精度得到了前所未有的提高。随着制造精度的提高，飞机零件的公差更加严格，比如有些飞机钣金件的表面轮廓公差要求在0. 25mm以下，这个要求在模拟量传递体系下是无法实现的，因为仅样板的公差就在0.2mm左右。这样的公差要求在数字量传递体系下也是很难保证的，因此有必要研究在数字量传递体系下误差的产生及消除或减少。本文就一些比较隐蔽的误差问题展开探讨，未述及加工过程中产生的误差。
1在作等距面时产生的误差及消除办法
我们在用CATIA软件分析具有1. 016mm厚度的钣金件时发现，有的地方厚度为1.021mm，相差0.005mm，这说明在用等距面功能作等距面时存在误差。沿曲线各点法线方向移动一段距离，新点的轨迹称为原曲线的等距线[2] 。与等距线类似，两曲面等距，是指两个曲面上处处具有共同的法线，且沿法线的距离为常数。由于NURBS曲面的等距曲面已被证明不再是NURBS曲面[3] ，通过CATIA软件制作的等距面实际是NURBS曲面。因此，严格地说，用等距面功能作等距面实际上不是等距面，而是NURBS曲面。为了减少误差，达到工程所要求的精度，首先要确认偏移曲面的最大偏差在工程所允许的误差范围以内，其次，当需要多次偏移时，若有可能，则对每一次偏移都使用原来的曲面，而不是上一次的偏移曲面[1] 。
如果模具的凸模和凹模分别利用零件的内表面和外表面进行设计，误差会带到零件的加工中。如果零件的公差大，则影响不大，如果零件的公差小，比如有的零件厚度公差仅为0. 04mm，则影响就大一些，占公差的12. 5%。对于高精度零件，可以采取措施消除曲面偏移误差。具体的办法为凸模和凹模的设计都采用一个表面，可以选择零件的外表面，凹模利用零件的外表面(如图1所示) ，在设计凸模的数控加工程序时，采用改变刀具参数的方法进行编程，就可以消除曲面偏移误差。
图1加工凹模示意图
改变刀具参数的方法编制程序就是用直径小的刀具参数编制程序，实际上用直径大的刀具进行加工，加工后的表面为内表面(如图2所示) 。利用曲面的数学定义式和现有的加工参数(u，v) ，可产生加工曲面所需要的刀具轨迹上任一点坐标数据。计算出曲面上每一点处的单位法矢量，再乘以球头刀半径，便找出球头刀中心在该点的空间位置[4] 。利用上述方法所加工出来的曲面是真正意义上的等距面，因此可以消除曲面偏移误差。
图2改变刀具参数加工凸模示意图
2测量基准选择不当带来的误差
对于数控加工的钣金件模胎，上面预留出来的基准往往不是设计基准，这些基准在数控加工过程中是一个已加工特性，它相对于模胎设计基准的误差为模胎加工误差。整个模胎加工完成后，由于公差积累，造成模胎的边缘、外形等相对于测量基准的误差为两倍的设计公差。假设零件的外形公差为±0. 25mm， 模胎设计公差±0. 08mm，由于上述原因造成外形相对于测量基准的尺寸变成了±0. 16mm，很容易造成测量的结果为零件超差的假象。
为了解决上述问题，在模胎设计时应尽可能使测量基准与设计基准一致，这样便可消除上述误差。
3测量点云与零件表面最佳拟合后的结果分析
用数控检测设备检测零件应当与用于模胎设计的表面一致，在上例中应检测零件的外表面，形成点云后与零件的理论模型进行最佳匹配。如果检测零件的内表面，再与理论模型比较，则会存在固有的误差。对同一测量数据应用不同的拟合有不同的评定结果，目前常用的有最小区域和最小二乘准则[ 3 ] 。我们对同一个零件分别采用最小二乘法和手工进行拟合，发现将测量点云与零件表面按最小二乘法作最佳拟合后虽然测量点到曲面的距离总和最小，但是有个别点超差，在采用手工进行拟合时虽然总和不是最小，但是没有超差点。我们从中得到启发，可将最小二乘法作一下修正，在程序中增加判断语句，记录超差点最少的一种变换。最后得到的结果总和虽然不是最小，但是超差点最少，这样可提高零件的合格率。
4结论
在消除曲面偏移误差所采取的办法实际上是在两个偏移曲面中选择一个基准曲面，加工和检测都按这个曲面进行，就可以消除曲面偏移误差，如果零件的公差较大，加工后比较容易满足公差要求，就没有必要采取这些措施。为了减少误差，测量基准应该与设计基准一致。另外，在测量点云与零件表面最佳拟合时，记录超差点最少的一种变换，也可以提高零件的合格率。
参考文献：
[ 1 ]范玉青. 现代飞机制造技术[M ]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2001
[ 2 ]唐荣锡. 计算机辅助飞机制造[M ]. 北京：航空工业出版社，1993
[ 3 ]丁汉，朱利民，熊振华. 复杂曲面快速测量、建模及基于测量点云的RP和NC加工[ J ]. 机械工程学报， 2003， 39 (11) ： 29 - 35
[ 4 ] 范炳炎. 数控加工程序编制[M ]. 北京：航空工业出版社， 1995 (end)
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(2/3/2007) |
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