基于配准算法的毛坯质量包容性分析和余量优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于配准算法的毛坯质量包容性分析和余量优化方法，属于数控加工制造技术领域。包括以下步骤：对毛坯进行扫描得到毛坯测量点集；毛坯测量点中配准面特征点集选取；构造双重包围盒搜索对应配准点；建立加工余量优化配准统一数学模型；建立“粗配准

【技术实现步骤摘要】
基于配准算法的毛坯质量包容性分析和余量优化方法


[0001]本专利技术属于数控加工制造
，涉及一种基于配准算法的毛坯质量包容性分析和余量优化方法，特别适用于航空航天、汽车制造等机械制造业粗加工领域。

技术介绍

[0002]对于铸造和锻造类零件存在着毛坯表面不完整，毛坯损伤无法包容加工零件的情况，毛坯质量的不合格导致无法加工出正确的零件，因此在加工前对铸造和锻造类毛坯进行包容性分析，对其质量判定是加工的基础工作。同时毛坯表面加工余量分布不均，在粗加工过程中其余量变化较大，因此需要对毛坯件进行余量优化计算，调整毛坯的装夹定位参数，使得毛坯余量能够尽可能的均匀分布，同时计算出毛坯的真实不规则加工余量分布，为后续零件的数控铣削加工提供确定的切削深度数据，便于实现工艺参数的优化。
[0003]文献“Research on Machining Allowance Distribution Optimization based on Processing Defect Risk,Procedia CIRP,2016,vols.56,pp 508
‑
511.”针对大型自由曲面毛坯的定位问题，提出了一种基于多阶段加工余量的加工缺陷评估模型，根据不同的加工工艺经验影响，对毛坯质量进行判别，并利用该模型对加工余量分配方案进行优化，根据多目标梯度优化与空间正交求解方法确定了毛坯方位，实现毛坯余量分布优化。然而文献所述方法仅是根据加工工艺经验的影响判断加工余量，并未对毛坯的实际加工余量进行计算，其真实加工的余量分布也无法得知，因此通过对毛坯测量点集的分析，建立加工余量优化的统一数学模型，通过毛坯测量点集和零件CAD模型的配准，实现对毛坯包容性质量分析和最佳定位参数计算。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]针对于铸造和锻造类零件毛坯表面加工余量分布不均，加工余量变化较大，本专利技术提出一种基于配准算法的毛坯质量包容性分析和余量优化方法。
[0006]技术方案
[0007]一种基于配准算法的毛坯质量包容性分析和余量优化方法，其特征在于步骤如下：
[0008]步骤1：通过三维建模软件对零件进行建模得到零件CAD模型；通过三坐标测量机对装夹在机床上的毛坯进行扫描，得到毛坯测量点集；
[0009]步骤2：选取零件CAD模型中配准面特征点集：通过对曲面进行参数化处理，曲面S空间点p(x,y,z)与参数平面S
p
(u,v)的二维点p'(u,v)存在一一映射关系，对曲面的u,v方向进行离散得到曲面的特征点，剔除不在配准面上的参数点，剩下的参数点作为配准面的特征点；
[0010]步骤3：根据特征点选择相应的扫描点作为配准点：根据配准面上提取的特征点集，找到每个特征点的法失方向，构造法线段，搜索毛坯测量点集中与特征点法失方向最相
近、距离法线段最近的点作为配准面对应的测量点；
[0011]步骤4：建立加工余量优化配准模型：
[0012][0013]其中，R，t分别为配准变换测量坐标系到工件坐标系的刚体旋转变换和平移变换，p
i
为配准点集，q
i
为配准面上的对应点，n
i
为配准面法矢，δ为偏离加工余量，N为测量点集数目，D为参数x的可行域，g(d
i
(x))为距离分布控制函数，ε和μ分别为距离分布控制函数的上、下偏差；当目标函数达到最小值时，得到的定位变换(R
*
,t
*
)称为最优定位变换，对应的参数x
*
则称为最优变换参数；
[0014]步骤5：对加工余量优化配准模型进行最优化求解，导出配准加工余量优化后的加工余量分布图和毛坯最佳装夹定位参数。
[0015]本专利技术技术方案更进一步的说：步骤5采用“粗配准
‑
无约束配准
‑
余量约束配准”的层次优化策略对加工余量优化配准模型求解；
[0016]步骤5
‑
1：基于三点坐标变换求解粗配准得到变换矩阵R
*
,t
*
；
[0017]步骤5
‑
2：基于改进的ICP求解无约束配准得到定位变换参数x
′
；若x
′
为发散解，转到步骤5
‑
4；否则，转到步骤5
‑
3；所述的改进点为引入了动态调整因子h来改变ICP的迭代步长；
[0018]步骤5
‑
3：判断x
′
是否属于余量存在可行域D1；若x
′
∈D1，则记x
*
＝x'，转到步骤5
‑
4；否则，返回“余量不足无法加工”，毛坯质量判定不合格，退出；
[0019]步骤5
‑
4：基于PSO求解余量存在配准模型得到定位变换参数x
′
；若x
′
为发散解，转到步骤5
‑
5；否则，利用最大超差值判断x
′
是否为最优解，若是，则记x
*
＝x'，转到步骤5
‑
5；否则，判断x
*
是否存在，若存在，返回x
*
，退出；否则，返回“余量不足无法加工”，质量判定不合格，退出；所述的余量存在配准模型如下式：
[0020][0021]s.t.x∈D1＝{x|d
i
(x)≥0,i＝1,2,...,N}
[0022]其中f1(x)表示齿箱零件加工面的目标函数；
[0023]步骤5
‑
5：判断x
*
是否属于余量均匀可行域D2；若x
*
∈D2，则转到步骤5
‑
6；否则，返回x
*
，退出；
[0024]步骤5
‑
6：基于PSO求解余量均匀配准模型得到定位变换参数x
′
；若x
′
为发散解，返回x
*
，退出；否则，将可行解x
′
代入计算此时的加工余量，利用最大超差值判断x
′
是否为最优解，若是，则记x
*
＝x'，返回x
*
，退出；否则，判断x
*
是否存在，若存在，返回x
*
，退出；否则，返回“余量不足无法加工”；最优解x
*
为毛坯的最佳装夹定位参数，以此来调整毛坯的装夹姿态，毛坯的加工余量分布最均匀，将毛坯测量点集通过最优解的变换后，计算出每一测量点位置相应的余量分布；所述的余量均匀配准模型：
[0025][0026]s.t.x∈D2＝{x|d
i
(x)≥0且
[0027]其中，D2表示零件加工面的可行域。
[0028]本专利技术技术方案更进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于配准算法的毛坯质量包容性分析和余量优化方法，其特征在于步骤如下：步骤1：通过三维建模软件对零件进行建模得到零件CAD模型；通过三坐标测量机对装夹在机床上的毛坯进行扫描，得到毛坯测量点集；步骤2：选取零件CAD模型中配准面特征点集：通过对曲面进行参数化处理，曲面S空间点p(x,y,z)与参数平面S
p
(u,v)的二维点p'(u,v)存在一一映射关系，对曲面的u,v方向进行离散得到曲面的特征点，剔除不在配准面上的参数点，剩下的参数点作为配准面的特征点；步骤3：根据特征点选择相应的扫描点作为配准点：根据配准面上提取的特征点集，找到每个特征点的法失方向，构造法线段，搜索毛坯测量点集中与特征点法失方向最相近、距离法线段最近的点作为配准面对应的测量点；步骤4：建立加工余量优化配准模型：其中，R，t分别为配准变换测量坐标系到工件坐标系的刚体旋转变换和平移变换，p
i
为配准点集，q
i
为配准面上的对应点，n
i
为配准面法矢，δ为偏离加工余量，N为测量点集数目，D为参数x的可行域，g(d
i
(x))为距离分布控制函数，ε和μ分别为距离分布控制函数的上、下偏差；当目标函数达到最小值时，得到的定位变换(R
*
,t
*
)称为最优定位变换，对应的参数x
*
则称为最优变换参数；步骤5：对加工余量优化配准模型进行最优化求解，导出配准加工余量优化后的加工余量分布图和毛坯最佳装夹定位参数。2.根据权利要求1所述的基于配准算法的毛坯质量包容性分析和余量优化方法，其特征在于步骤5采用“粗配准
‑
无约束配准
‑
余量约束配准”的层次优化策略对加工余量优化配准模型求解；步骤5
‑
1：基于三点坐标变换求解粗配准得到变换矩阵R
*
,t
*
；步骤5
‑
2：基于改进的ICP求解无约束配准得到定位变换参数x
′
；若x
′
为发散解，转到步骤5
‑
4；否则，转到步骤5
‑
3；所述的改进点为引入了动态调整因子h来改变ICP的迭代步长；步骤5
‑
3：判断x
′
是否属于余量存在可行域D1；若x
′
∈D1，则记x*＝x'，转到步骤5
‑
4；否则，返回“余量不足无法加工”，毛坯质量判定不合格，退出；步骤5...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宝海，张阳，刘广鑫，张莹，张钊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：