面向航空复杂薄壁零件智能加工的进化建模方法.pdf

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1、面向航空复杂薄壁零件智能加工的进化建模方法术张定华，张仲玺，罗明，吴宝海(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安710(172)[摘要】航空复杂薄壁零件的材料加工性能差、加工过程的强时变性和多态性(工件的几何、动力学特性，刀具磨损状态在加工过程中变化剧烈)导致建模难度较大。为了提高航空复杂薄壁零件的加工精度，首先根据薄壁零件加工工艺，通过对加工时间进行离散，建立了零件加工过程4维多态模型。针对具体工序模型的演化过程，建立了几何演化模型、动力学演化模型以及刀具磨损演化模型，最后通过误差补偿进化模型

2、建立了整个加工过程的闭环控制，通过迭代学习方法实现了非线性误差的建模，，关键词：复杂薄壁零件；多态模型；几何；动力学；刀具磨损；误差补偿；时域离散DOI：10．16080组issnl671-833x．2016．16．093张定华教授，博士生导师，主要研究方向为高速切削工艺、航空复杂零件的高效精密数控加工、智能加工及无损检测等。主持参与科研项目共计70余项，其中973，863、重大专项、国家自然基金等国家级科研项目10余项。+基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划顾目课题：复杂薄壁件切削加T过程的演化模型及

3、其自适应进化机制(2013cB035802)?目前，航空发动机关键零件加工存在精度低和质量稳定性差等问题，严重制约了我国航空发动机技术的发展⋯。由于材料难加工、结构复杂、壁厚很薄，发动机关键零件在加工过程中产生伴随材料切除的非线性、强时变问题(零件几何与动力学变化以及刀具的快速磨损等现象)。采用现有的方法难以对该类零件的加工过程进行精确的建模，只能简化表征，从而限制了模型的精度和预测能力‘21。本文针对复杂薄壁零件加工过程非线性、强时变的建模问题，提出了基于时域离散的加工过程多态演化模型，给出了多态模型的演化机制

4、，并建立了零件几何演化模型、零件动力学演化模型、刀具磨损演化模型以及加工误差补偿进化模型。以机匣和叶片为例，通过仿真和试验方法验证了多态演化模型及进化建模方法的可行性。加工过程的多态演化模型加工过程的多态演化模型是加T过程的时域离散表示，包括多态模型和演化模型。多态模型是离散时间序列上的加工过程状态集合。演化模型是实现多态模型中相邻状态之间转移的子过程。通过时域离散，可将非线性时变过程转化为局部的线性定常过程进行建模和求解。1加工过程的时域离散方法以发动机机匣为例，设其在时域【0，刀内的加工过程状态为{S『_文驯

5、0<，<7’，&=双0)】，则其时域离散和多态演化模型定义方法如图l所示。(1)从机匣毛坯到成品的加工过程可划分为粗加工、半精加工、精加工和抛光等工序。因此，工序多态模型可定义为各工序开始时刻{“、I“

6、态(S，和≮川)之间的转移子过程集合{尥√)。—1厂■■_最终产品-⋯．j商一．一露一¨蔷化鼻～固⋯忍了露⋯■(h)珐j．1：步划分的加j：r：序离敞走刀指令执行时间扣具旋转周捌一心，△，-+}I『l刀齿切削周期△，(t-)琏1：轨迹划分的加工T步离敝图1加工过程的时域离散方法Fig、1DiscretetimedOmainmethodofmachiningprOcess(3)第，工步的演化模型帆，由加工轨迹和切削参数定义，并通过相邻工步间余量切除过程实现。其中，加工轨迹由若干个切削行连接组成。通过分层次时域离散，

7、可将切削行细分为切削段、刀位点、直到刀齿切削过程。而刀齿切削周期内的切削过程建模和求解，可利用现有切削几何、力学和物理模型及其时域离散算法实现。2多态模型的定义方法如图2所示，第后工序开始时刻的状态模型＆中包括该状态下的i维几何模型和信息模型。其中三维几何模型采用三维变形曲面实体的空间离散方法表示，包含∥y形参数空间中的可变深度体元、x泫物理空间中的曲面实体以及两者间的空间映射关系，可以表示为：B∥捌=口(“，V，、叻∥@，V，w)，Z(甜，V，w)]。信息模型由附加在体元上的信息单元和数据知识仓库组成。每个信息

8、单元通过体元位置编码与数据知识仓库关联，实现体元位置相关的工艺知识表示、存储和处理。数据知识仓库用于记录现场数据和体元位置相关的工艺知识。现场数据数据知识仓库包括体元位置、加工过程信号及其时■■■■■■空映射关系。体元位置相关的工艺知识包括现有工艺知识和现场数据挖掘处理得到知识，如局部观测模型】，=4x+曰U中的输入向量u、状态向量x、输出向量y、模型参数A，B的辨识结果