考慮定向能量沉積工藝特點的減材加工余量優(yōu)化(2)
時間：2022-10-13 11:08 來源：未知 作者：admin 閱讀：次
1.3 初步驗證
為驗證所提中面動態(tài)配準(zhǔn)方法用于加工余量優(yōu)化分配的可行性，本節(jié)引入兩組簡單案例，分別為長方體和曲面葉片模型。為避免重復(fù)性結(jié)論，該組案例僅討論由臺階效應(yīng)波谷提取的在機(jī)檢測結(jié)果，具體流程如1.1節(jié)所述。為避免測量失真，采用弦高度差法分布曲面測點。圖6所示分別為兩案例理論模型與DED毛坯。
(a)平面案例模型及實驗 (b)曲面案例模型及實驗
圖6 案例模型及實驗
中面動態(tài)配準(zhǔn)方法實施步驟如下：①分別從測量點云及理論模型中提取相應(yīng)中面點云F、S；②在MATLAB©2019環(huán)境中實現(xiàn)中面動態(tài)配準(zhǔn)方法，獲取最優(yōu)變換矩陣R、T；③基于所求R、T分析和統(tǒng)計余量優(yōu)化結(jié)果。
圖7和圖8分別給出了兩案例配準(zhǔn)前后相對位置關(guān)系。圖7a顯示DED制造長方體模型余量不均勻，配準(zhǔn)后模型位于毛坯中央位置，如圖7b所示。對于單個曲面葉片模型，圖8給出不同測點規(guī)劃方案及其配準(zhǔn)前后結(jié)果。由圖8a與圖6b可以看出，DED制造葉片尖端出現(xiàn)的塌陷現(xiàn)象導(dǎo)致該位置出現(xiàn)局部負(fù)余量。配準(zhǔn)后負(fù)余量消失且余量分布均勻，如圖8b所示。可以看出，中面動態(tài)算法可以優(yōu)化增材制造系統(tǒng)誤差及機(jī)理等引起的局部余量不足的問題，降低零件報廢率，提高后續(xù)減材加工效率。
(a)波谷測點配準(zhǔn)前 (b)波谷測點配準(zhǔn)后
圖7 平面模型中面配準(zhǔn)結(jié)果
(a)波谷測點配準(zhǔn)前 (b)波谷測點配準(zhǔn)后
圖8 曲面模型中面配準(zhǔn)結(jié)果
為更直觀地表達(dá)加工余量優(yōu)化結(jié)果，定義配準(zhǔn)點距離di表示單點加工余量，配準(zhǔn)前后的余量均值為dave、極大值為dmax、極小值為dmin、方差為S2，用于定量反映余量信息。dave反映總體加工余量大小；dmax決定了第一道粗加工余量，直接影響減材加工效率；dmin表示最小加工余量，該區(qū)域易出現(xiàn)余量不足導(dǎo)致報廢；方差S2反映加工余量均勻程度。根據(jù)表1中配準(zhǔn)余量統(tǒng)計結(jié)果，兩組案例配準(zhǔn)前后方差值均有大幅度降低，且最大余量減小、最小余量增大，余量均有大幅度改善，表明將所提中面動態(tài)配準(zhǔn)算法應(yīng)用于加工余量的優(yōu)化分配是可行性的。
表1 案例中面配準(zhǔn)前后余量統(tǒng)計結(jié)果
2 案例分析
2.1 實驗設(shè)置
本文實驗依托廈門大學(xué)自主開發(fā)的五軸聯(lián)動增減材復(fù)合加工制造中心LV6500[23]完成，設(shè)備能實現(xiàn)激光定向沉積與減材后處理工作，并配有renishaw RMP600超小型高精度觸發(fā)式測頭，如圖9所示。其中，探針測球直徑2 mm、桿長50 mm。測頭沿測點法方向檢測，測量參數(shù)如表2所示。機(jī)械加工采用RUNCHIT球頭鎢鋼銑刀，型號為DB0602，其刀具半徑3 mm、刃長12 mm、柄徑3 mm、全長50 mm。
圖9 增減復(fù)合加工制造中心
表2 在機(jī)檢測參數(shù)設(shè)置
本節(jié)以DED制造的離心葉輪葉片為研究案例，依次詳細(xì)討論中面動態(tài)配準(zhǔn)法對葉片毛坯余量優(yōu)化的效果、考慮臺階效應(yīng)的在機(jī)檢測規(guī)劃效果，以及分析對比不同配準(zhǔn)方法的優(yōu)劣。
圖10a給出了某型號渦噴發(fā)動機(jī)離心葉輪葉片模型，材料為316L不銹鋼，葉輪上下外圓直徑d=23.5 mm、D=125 mm、高度H=56.8 mm，理論葉片厚度h=0.3～1.2 mm，葉片懸伸長度L=10～32 mm。為保證葉片成功成形及一定減材加工余量，實際增材制造葉片適當(dāng)增厚，如圖10b所示。為驗證基于波谷構(gòu)建的截面線方法的有效性，設(shè)置對比實驗，即在波峰處提取截面線。波谷和波峰截面線都采用弦高度差法分布測點，取弦高值為0.2 mm，分別包含220和230個檢測點。
(a)理論實驗?zāi)Ｐ?(b)實際增材制造模型
圖10 實驗?zāi)Ｐ?/span>
2.3 余量優(yōu)化結(jié)果
動態(tài)配準(zhǔn)中面葉片點云F、S，計算變換矩陣Rexp、Texp：
(8)
(a)配準(zhǔn)前位姿 (b)配準(zhǔn)后位姿
圖11 中面配準(zhǔn)結(jié)果
繪制余量分布云圖(圖12)以更直觀地表達(dá)加工余量優(yōu)化結(jié)果。另外，統(tǒng)計配對點距離的均值dave、極值dmax、dmin與方差S2，用于定量反映余量信息。配準(zhǔn)前后余量統(tǒng)計結(jié)果如圖13和表3所示。配準(zhǔn)前后余量方差值自4.72大幅度減小至1.09，余量均勻程度明顯提高，表明了所提方法對余量優(yōu)化的顯著效果；余量最大值減小2.12 mm，最小值增大0.52 mm，說明粗加工道數(shù)明顯減少，可提高減材加工效率；因增材模型與理論模型在位姿變換前后體積不變，故dave無明顯變化。另外，觀察減材實驗效果，經(jīng)所提算法優(yōu)化后避免了余量分布不均勻?qū)е碌臏p材余量不足現(xiàn)象，且減材加工誤差控制在±0.03 mm內(nèi)，滿足使用精度要求，如圖14所示。綜上所述，中面動態(tài)配準(zhǔn)方法能顯著優(yōu)化加工余量。
(a)中面配準(zhǔn)前 (b)中面配準(zhǔn)后
圖12 余量云圖
(a)中面配準(zhǔn)前
(b)中面配準(zhǔn)后
圖13 余量直方圖
圖14 實驗效果圖
表3 中面配準(zhǔn)前后余量統(tǒng)計結(jié)果
(責(zé)任編輯：admin)
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