面向薄壁曲面零件低应力装夹的多点均压控制系统及方法与流程

本发明属于工业控制系统，具体为面向薄壁曲面零件低应力装夹的多点均压控制系统及方法。

背景技术：

1、薄壁曲面零件广泛应用于航空航天、能源动力等领域，其结构特征表现为壁厚较薄、曲率变化复杂且局部刚度差异显著。在加工过程中，为保证零件的位置稳定性和加工精度，通常采用多点柔性装夹方式，即根据零件的结构尺寸、曲面形状以及加工区域，在夹具上设置多个夹紧单元，并通过液压、气动或电动执行机构分别向零件不同位置施加夹紧作用力。

2、在装夹控制方面，现有多点柔性装夹方法通常以夹具执行机构输出压力作为装夹状态的判断依据，通过压力传感器检测各夹紧单元的输出压力，并根据检测结果对各夹紧单元进行反馈调整，使各装夹点达到预设压力值。当各装夹点均达到相同或相近的设定压力后，即认为零件处于相对均匀的受力状态，装夹过程完成。这种以各装夹点输出压力趋于一致为控制目标的策略，即多点均压控制，是目前薄壁曲面零件多点柔性装夹中较为普遍采用的方式。

3、然而，上述多点均压控制策略在实际应用中存在不足。薄壁曲面零件自身刚度较低，不同区域在壁厚、曲率以及结构支撑条件方面存在差异，使不同区域抵抗外部作用力的能力有所不同。当相同夹紧作用力施加于不同位置时，刚度较高区域产生的变形较小，而刚度较低区域可能产生较大的局部变形。同时，由于实际零件存在加工误差、初始形变以及装夹姿态偏差，不同装夹位置处零件与夹具之间的接触状态可能存在差异，使夹紧作用力在零件内部的传递效果不尽相同。因此，虽然夹具侧检测到的输出压力相同，但零件不同区域实际受到的约束程度、变形响应以及应力分布仍可能存在明显差异，容易造成局部应力集中或装夹变形。

4、进一步地，现有装夹控制方法主要关注液压压力、气压压力或执行机构位移等夹具侧状态参数，而夹具侧参数与零件实际受力状态之间受到零件结构特征、接触状态以及装夹条件变化等多重因素影响，二者之间并不存在简单的线性对应关系。仅依据装夹点输出压力难以准确判断薄壁曲面零件是否处于合理的受力状态，也难以保证多个装夹位置之间形成适合零件结构特点的低应力约束状态。均压控制关注的是夹具输出端的力值一致性，而非零件本体上的应力分布均匀性，二者之间存在本质区别。

5、因此，现有多装夹点均力控制方法以各执行机构输出力一致为控制目标，未能反映零件本体各区域因刚度差异和接触状态差异所产生的实际应力分布不均匀问题，导致装夹过程中零件不同区域的受力差异难以被有效识别和补偿，容易引起局部应力集中及装夹变形。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供面向薄壁曲面零件低应力装夹的多点均压控制系统及方法，用于解决薄壁曲面零件在多点装夹过程中因区域刚度和接触状态差异导致的局部应力集中及装夹变形问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明实施例提供的面向薄壁曲面零件低应力装夹的多点均压控制系统，包括：装夹区域划分与参数获取模块，用于根据各夹紧单元对应的位置将待加工薄壁零件划分为多个装夹区域，并获取各装夹区域的局部结构刚度参数及应力约束基础参数；先验刚度建模模块，用于根据局部结构刚度参数建立各装夹区域的先验刚度表征模型，并根据应力约束基础参数确定各装夹区域的许用应力边界；装夹刚度在线辨识模块，用于控制各夹紧单元的执行机构接触零件表面并施加预设预紧力，根据各夹紧单元内置的力检测单元采集的预紧阶段力数据和位移数据计算各装夹区域对应的装夹点的装夹等效刚度，装夹等效刚度根据扣除执行机构自身变形贡献及夹具结构变形贡献后的有效位移数据与力数据的比值关系确定；力-变形映射模块，用于根据装夹等效刚度建立夹紧力与零件法向变形响应及应力水平之间的映射关系；差异化夹紧力分配模块，用于根据映射关系，以各装夹点法向变形响应趋于一致为控制目标，结合许用应力边界和切削力约束，计算各装夹点的差异化目标夹紧力；加载执行与闭环控制模块，用于根据差异化目标夹紧力对各夹紧单元执行加载，并基于各点法向变形响应的反馈和基于映射关系的应力估算进行装夹状态的迭代修正。

4、本发明实施例提供的面向薄壁曲面零件低应力装夹的多点均压控制方法，包括以下步骤：步骤一、根据各夹紧单元对应的位置将待加工薄壁零件划分为多个装夹区域，并获取各装夹区域的局部结构刚度参数及应力约束基础参数；步骤二、根据局部结构刚度参数建立各装夹区域的先验刚度表征模型，并根据应力约束基础参数确定各装夹区域的许用应力边界；步骤三、控制各夹紧单元的执行机构接触零件表面并施加预设预紧力，根据各夹紧单元内置的力检测单元采集的预紧阶段力数据和位移数据计算各装夹区域对应的装夹点的装夹等效刚度，装夹等效刚度根据扣除执行机构自身变形贡献及夹具结构变形贡献后的有效位移数据与力数据的比值关系确定；步骤四、根据装夹等效刚度建立夹紧力与零件法向变形响应及应力水平之间的映射关系；步骤五、根据映射关系，以各装夹点法向变形响应趋于一致为控制目标，结合许用应力边界和切削力约束，计算各装夹点的差异化目标夹紧力；步骤六、根据差异化目标夹紧力对各夹紧单元执行加载，并基于各点法向变形响应的反馈和基于映射关系的应力估算进行装夹状态的迭代修正。

5、本发明实施例提供的技术方案所实现的有益效果至少包括：

6、（1）通过将各装夹点法向变形响应趋于一致确立为力分配的控制目标，并将许用应力边界与切削力约束作为联合约束条件纳入目标夹紧力的求解过程，有助于在多点装夹条件下兼顾变形均匀性、应力安全性与抗切削稳定性，现有技术中多点装夹通常采用等力分配或简单按刚度比例分配，忽略各点刚度差异造成的有效压入量不一致，或容易出现刚度较弱区域压入偏大或切削力正对方向装夹点抗力不足的情况，本发明将上述三类物理约束纳入同一分配框架联合求解，有助于缓解单一分配准则下各约束之间相互牵制的问题，然后通过切削载荷约束分量、变形敏感度约束分量与应力裕度约束分量加权组合形成约束驱动修正因子，再与基于装夹等效刚度比值确定的刚度分配权重进行复合修正，有利于各点力值在刚度均衡基准上进行更精细的自适应调整，现有技术中力分配多依赖单一刚度权重或统一安全系数，通常较难区分切削力方向正对各点与背离各点之间的差异化需求，对局部应力集中区域实施单独降载的能力也较为有限，本发明中三个约束分量各自独立加权、独立响应，有利于降低某一约束分量变化对其余分量调节方向的耦合干扰，最后当所有约束条件均未激活时，各约束驱动修正因子取预设基准参考值，各点法向变形响应趋于一致，当任一约束条件激活即对应物理量超出预设阈值时，该点修正因子偏离基准值产生定向力值偏移，其余未激活点的分配结果基本不受影响，现有技术中约束优化往往将所有约束同时施加于全局求解，某一局部约束的激活容易通过求解器耦合传递至其余装夹点，造成未受约束区域的力值被连带削减，本发明有利于将约束影响控制在触发点及其必要范围内，使未激活区域在多数工况下能够维持较为均匀的变形分配状态。

7、（2）通过在预紧阶段采集力变化量与执行机构位移变化量，分别以预先标定的执行机构柔度系数和夹具结构柔度与力变化量的乘积扣除执行机构自身变形量和夹具结构变形量，根据力变化量与有效压入量之间的比值关系确定装夹等效刚度，有助于更接近地反映零件本体的真实接触刚度，现有技术中多将力与执行机构总位移的比值直接作为装夹刚度使用，其中通常混入了执行机构丝杠、轴承及夹具底座的弹性变形，未扣除系统柔性会使实测表观柔度偏大、表观刚度偏低，后续据此计算的夹紧力可能偏小，在需要保证抗切削能力的工况下存在装夹不足的风险，本发明将柔度拆分为执行机构与夹具结构两部分分别标定、分别扣除，有利于提高辨识结果对零件当前接触状态下真实变形特性的反映程度，然后将各点装夹等效刚度与先验刚度表征模型输出的等效刚度表征值进行逐点对比，低于预设比例的点标记为弱接触点，对其执行机构位移施加预设补偿量后重新采集数据计算刚度，有利于在装夹阶段对虚接触、局部凹坑或表面毛刺等异常接触状态进行自动检出与修正，现有技术中接触质量异常往往要到加工过程中因振动加剧或工件微动才能暴露，此时工件可能已发生一定程度的位移，本发明在正式加载之前即对接触质量进行验证与修正，有助于降低加工中途因接触失效导致突发松动的概率，最后在加载执行阶段采用力环与位移环双闭环协调控制，力环以差异化目标夹紧力为跟踪目标，位移环以最大允许压入量为安全门限实时监测各点执行机构位移，当任意一点的有效压入量接近或达到该门限时位移环逐步介入限制力环输出，若该点因此实际夹紧力低于目标值，则计算力差额并在该点周围预设范围内的其余装夹点间按各点装夹等效刚度比例重新分配，现有技术中单环力控遇到位移超限通常只能停止加载或触发报警，该点力缺口往往得不到补偿，全场变形均匀性容易受到影响，本发明使超限点的力缺口由邻域较高刚度点按比例承接，有利于在降低超限点发生塑性压溃风险的同时维持全场变形分布的相对均匀性，减少停机干预的需要。

8、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。