基于检测数据的大型装配体结构件 组合加工新方法

　　一、引言

　　随着制造加工技术、检测技术的不断进步和三维C A D/C A M软件功能的日 益完善，零件的加工制造可以通过多 种途径得以实现。由于机床Z 轴行程的 限制，某型号柱段上12个支座的仪器 安装面无法在装配状态下进行传统组 合加工。本文采用逆向的设计思路， 基于支座仪器安装面首次装配状态下 的原始精测数据，应用U G C A M软件模 拟真实装配状态进行三维建模，在计 入柱段基体变形的前提下，对零件的非装配状态进行二次加工，从而使支 座零件在二次装配后实现仪器安装面 的形位精度满足图纸设计要求。

　　二、传统组合加工难点分析

　　1.零件装配状态及加工特征

　　根据设计要求，某型号柱段壁板 壳体上要安装12个支座零件，在这些支 座上要进行相应仪器的后续安装，因 此要求12个支座装配后保证仪器安装面(以下定义为C 面)与整舱Ⅱ～Ⅳ象限 平面距离为1000～2000mm不等，尺寸公 差均为±1m m，C 面相对于Ⅱ～Ⅳ象限 平面的平行度为0.1m m，自身平面度为0.05m m。十二个支座在柱段舱体上的分 布如图1所示，除12号支座在I象限外， 其余各支座均在Ⅲ象限一侧。图2为6号支座位置的俯视示意图，设计要求C 面距Ⅱ～Ⅳ象限平面距离为R±1m m，平 面度小于0.05m m，与Ⅱ～Ⅳ象限平面的 平行度在0.1mm以内。

图1 支座分布示意图(Ⅲ象限)

图2 支座6在俯视图中的位置

　　2.组合加工方案瓶颈

　　由设计装配状态可知，零件安装 在 柱 段舱体外壁上。由于装配误差， 当支座零件联接到柱段舱体上时，由于 基体变形的影响，一定无法满足C 面的 形状位置精度。无论采用柱段舱体直立而机床主轴卧式加工的方式，还是柱段 舱体横卧而机床主轴立式加工的方式， 都要满足以下条件才能加工：(1)机 床各轴的行程足够大，以使刀具可达到 任一支座零件的加工位置;(2)工作 台的面积足够大，以保证整星柱段舱体 的定位及装卡;(3)机床结构足够合 理，以避免装卡及加工过程中的干涉。由于整舱尺寸过大，在现有的条件下， 没有满足上述三个条件的设备支持整星 传统组合加工的进行。

　　此外，对于类似大型装配结构件 而言，组合加工是个系统工程，需要进行复杂甚至是高度危险的运输过程，需 要复杂的卡具甚至是设计专用卡具进行 装卡，找正定位过程复杂且不易操作。 因此，对于12个支座零件而言，传统的 组合加工方案在实施过程中存在瓶颈。

　　三、新方法的理论基础及 实施过程

图3 安装基体变形后支座的位置变化

图4 零件单体加工状态下的加工位置

图5 理论平面与加工前C面位置关系

图6 理论平面与加工后C面位置关系

图7 组合加工新方法操作流程图

　　1.新方法理论基础

　　新方法以零件第一次装配时组合加工面的精密测量数据为基础，在零件 状态下对其进行预加工，使得零件在二 次装配后满足设计图纸的形状位置精度要求。通过精测数据逆向工程，建立整 舱模型和理论模型，如图3所示。理论 状态无变形的柱段舱体及其上安装的支座简化为实线的形式，而实际状态变形后的舱体和支座表示为虚线的形式。 依图纸设计的要求，理论仪器安装面始终为垂直于纸面并与Ⅱ～Ⅳ象限平面平 行，用该平面去切安装在变形基体上的 支座，得到纸面内的切点A 和B ，则将 支座拆下后放在机床工作台上时，切点 A 、B 和仪器安装理论平面的位置关系，如图4所示。采用机械加工去除阴影部分材料，即完成支座体C 面的二次加 工，二次装配后C 面便落在仪器安装理 论平面内，从而满足了设计要求。

　　2.新方法的实施流程

　　以12个支座其中之一为例，介绍 新方法的具体实施步骤。首先，在支座首次装配到柱段基体 上时，由精测仪器安装面(C面)，得到 组合加工面初次装配时的准确边界和法 向矢量。得到支座零件装配后C面的真实 位置。然后，以C面为基准按设计装配图 纸构建零件的实体模型，真实模拟柱段 舱体变形状态下支座首次装配时的空间 状态。最后，根据实体模型和理论的仪 器安装面位置关系(如图5所示)确定去除材料，建立基于支座的零件坐标系，生成数控刀轨并进行零件状态下的加 工，使其在二次装配后，C面刚好落在仪 器安装理论平面之内(如图6所示)，从 而达到传统组合加工的效果。基于检测数据的组合加工新方法 主要包含首次装配精密测量、二次加工 模型的建立、数控程序生成、数控加工 以及二次装配复验等主要步骤，完成了 柱段舱体变形的“预补偿”，操作流程如图7所示。

　　四、结论

　　本文提出的组合加工新方法，以精确测量初次装配时组合加工面的边界 及法向矢量为基础，在结构件单体加工 状态下对装配基体的变形进行预先“补偿”，从而使结构件二次装配后的组合 加工面刚好落在理论要求平面内，达到 组合加工的目的。新方法有效地解决了 大型装配体结构件由于硬件条件、工艺 方案等诸多限制带来的传统组合加工瓶颈问题。新方法将现代化精密检测技术 与多轴数控加工技术相结合，对今后类 似的数控加工具有一定的借鉴意义。