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摘要：目前国内用于民用及航空航天等国家重要产业的关键机械零部件等大量依赖国外进口。而复杂曲面零件通常是一类非轴对称、不规则、随意构造的曲面，其形状比较复杂，精度要求很高。高精度复杂曲面零件的成功制造，不单单依赖数控机床的精度，更有赖于曲面设计、加工工艺、复杂曲面测量技术的综合考虑以及庞大复杂的数据演算和大量试验数据验证等，而现有的国内外设备生产商均无法提供相关制造技术的整体方案。所以针对复杂曲面零件的超精密制造这门技术，开发出从复杂曲面零件设计、CAD 连续数据转化、复杂曲面模型重构、多轴加工仿真与切削优化、加工误差补偿到复杂曲面面形测量的集成制造信息平台显得尤为重要。
关键词：复杂曲面零件；设计加工；面形测量；集成制造技术
（一）国内外研究现状
在复杂曲面零件加工方面。美国的 Precitech 公司，仍无自己的复杂曲面刀具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然 Moore 公司目前开发了复杂曲面刀具轨迹生成软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该公司自己生产的机床，不具通用性。Diffsys 开发了复杂曲面刀具轨迹生成软件，可是没有考虑切削策略优化及机器系统误差补偿，同时不能提供曲面误差评定功能。英国 Zeeko 公司开发了复杂曲面刀具轨迹生成软件，只适用于抛光机，其切削机理及表面生成过程完全不同于切削加工，不可应用于复杂曲面的飞刀铣削过程。
在复杂曲面零件面形测量方面。测量与分析技术已从传统非球面转移到了复杂曲面，目前市场上的商业产品，如 Vecco、Taylor-Hobson 等公司产品只可分析非球面的面形精度；对于任意复杂曲面，上述公司生产的 Wyko、Talysuf PGI 等系列产品虽可获得测量面形的原始数据，但对复杂曲面面形精度的分析，目前尚无成熟的技术和方法。Taylor-Hobson公司的软件Talymap目前通过拟合来去除形状从而获得面形误差，但受到测量数据误差的影响，不可能真正实现复杂曲面亚微米面形误差的评定，同时缺乏稳健性。在学术研究中，大量学者提出了不同的方法，但仍未解决亚微米面形精度与数据处理的不确定性。
（二）技术研发分析
本项目针对复杂曲面零件的超精密制造这门技术，将开发出从复杂曲面零件设计、CAD 连续数据转化、复杂曲面模型重构、多轴加工仿真与切削优化、加工误差补偿到复杂曲面面形测量的集成制造信息平台。
（1）项目将通过测量得到机床运动轨迹误差，输入刀具轨迹生成模块，建立表面三维拓扑误差模型。该模型通过递归算法在导轨运动区域进行搜索，找到最佳的切削区域使面形误差减至最小，从而预测生成表面的面形误差，以进行切削优化处理，该技术方案将可通用于同类多轴机床。
（2）高质量的复杂曲面生成将采用飞刀加工技术，该技术可直接加工复杂曲面获得亚微米级表面形状精度。将建立加工仿真与优化模组，以解决超精密飞刀加工中所遇到的问题，并通过试验验证系统及预测结果与试验结果的吻合程度。
（3）对于连续复杂曲面，我们开发出了综合复杂曲面误差评定、稳健复杂曲面评定以及参考点协助复雜曲面评定等一系列复杂曲面评定方法。稳健复杂曲面评定方法针对测量数据中的异常点进行处理，消除异常点对评定结果的影响，对于一些曲面特征不明显的复杂曲面，将采用加入参考点协助的方法，进行曲面的精确匹配。对于结构型曲面的综合评定，开发评定算法以及一系列的评定参数，如网格错位参数，结构特征分布参数等，以实现对微结构曲面从单个结构扩展到整体曲面的评估。
（4）分析确定多源约束面形再设计类复杂曲面零件加工中存在的约束形式的基础上，研究约束耦合作用的机理和效应，建立零件几何参数、物理参数与性能的关联模型，揭示了零件性能与零件壁厚、廓形等几何参数以及零件材料参数、物理特性等物理要素之间的映射关系，根据几何量修正补偿性能偏差的补调机制，针对多源约束与零件性能的显式关联关系或隐式关联关系，建立了性能指标偏差反馈驱动的加工量反演方法，基于测量面、关联基准面和精加工目标曲面的关联模型，利用有向距离约束矩阵，再设计出最终加工目标曲面。
（三）项目创新性
（1）使用优化模型寻找最佳参数用以重构连续复杂曲面。
数据转换模组中，描述复杂曲面的离散数据点由设计 CAD数据生成。超精密复杂曲面将通过高精稳健复杂曲面重构与建模法进行重建。该方法使用优化模型寻找最佳参数（如多项式的阶次，NURBS 曲面的阶次、权值等）用以重构连续复杂曲面。
（2）复杂曲面自动编程及刀具轨迹仿真软件的开发。
该数控编程软件可用于不同制造商的同类机床，不仅满足零件加工的精度要求，而且在“飞刀”加工时，还能同时对两个方向半径值的刀具轨迹进行补偿。至目前为止，还没有一套为复杂曲面加工设备提供数控程序的仿真软件，使得在实际应用中，无法进行刀具轨迹仿真，在实际加工前，必须进行工件试切。这样，不仅延长加工时间及增加成本，而且也容易发生“撞刀”等安全事故。为此，将研发“飞刀”加工复杂曲面数控自动编程及刀具轨迹仿真系统。
参考文献：
[1]赵东升.PVDF压电薄膜传感器的研制. 传感器与微系统，2007，26（3）：51-55
[2]荀华，宋长忠，韩建春.噪声发电研究的展望[J]. 能源与环境，2010（1）：7 - 8.
[3]安娜.奇特“声雷”利用噪声发电[J].生命与灾害，2009（11）：32-33.
[4]李邓化，居伟骏，贾美娟.新型压电复合换能器及其应用[M].北京：清华大学出版社，2007.
[5]彭睿，成经纬，秦勤.利用噪声进行发电相关研究[J].环境科
技，2012（05）：22-26.
关键词：复杂曲面零件；设计加工；面形测量；集成制造技术
（一）国内外研究现状
在复杂曲面零件加工方面。美国的 Precitech 公司，仍无自己的复杂曲面刀具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然 Moore 公司目前开发了复杂曲面刀具轨迹生成软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该公司自己生产的机床，不具通用性。Diffsys 开发了复杂曲面刀具轨迹生成软件，可是没有考虑切削策略优化及机器系统误差补偿，同时不能提供曲面误差评定功能。英国 Zeeko 公司开发了复杂曲面刀具轨迹生成软件，只适用于抛光机，其切削机理及表面生成过程完全不同于切削加工，不可应用于复杂曲面的飞刀铣削过程。
在复杂曲面零件面形测量方面。测量与分析技术已从传统非球面转移到了复杂曲面，目前市场上的商业产品，如 Vecco、Taylor-Hobson 等公司产品只可分析非球面的面形精度；对于任意复杂曲面，上述公司生产的 Wyko、Talysuf PGI 等系列产品虽可获得测量面形的原始数据，但对复杂曲面面形精度的分析，目前尚无成熟的技术和方法。Taylor-Hobson公司的软件Talymap目前通过拟合来去除形状从而获得面形误差，但受到测量数据误差的影响，不可能真正实现复杂曲面亚微米面形误差的评定，同时缺乏稳健性。在学术研究中，大量学者提出了不同的方法，但仍未解决亚微米面形精度与数据处理的不确定性。
（二）技术研发分析
本项目针对复杂曲面零件的超精密制造这门技术，将开发出从复杂曲面零件设计、CAD 连续数据转化、复杂曲面模型重构、多轴加工仿真与切削优化、加工误差补偿到复杂曲面面形测量的集成制造信息平台。
（1）项目将通过测量得到机床运动轨迹误差，输入刀具轨迹生成模块，建立表面三维拓扑误差模型。该模型通过递归算法在导轨运动区域进行搜索，找到最佳的切削区域使面形误差减至最小，从而预测生成表面的面形误差，以进行切削优化处理，该技术方案将可通用于同类多轴机床。
（2）高质量的复杂曲面生成将采用飞刀加工技术，该技术可直接加工复杂曲面获得亚微米级表面形状精度。将建立加工仿真与优化模组，以解决超精密飞刀加工中所遇到的问题，并通过试验验证系统及预测结果与试验结果的吻合程度。
（3）对于连续复杂曲面，我们开发出了综合复杂曲面误差评定、稳健复杂曲面评定以及参考点协助复雜曲面评定等一系列复杂曲面评定方法。稳健复杂曲面评定方法针对测量数据中的异常点进行处理，消除异常点对评定结果的影响，对于一些曲面特征不明显的复杂曲面，将采用加入参考点协助的方法，进行曲面的精确匹配。对于结构型曲面的综合评定，开发评定算法以及一系列的评定参数，如网格错位参数，结构特征分布参数等，以实现对微结构曲面从单个结构扩展到整体曲面的评估。
（4）分析确定多源约束面形再设计类复杂曲面零件加工中存在的约束形式的基础上，研究约束耦合作用的机理和效应，建立零件几何参数、物理参数与性能的关联模型，揭示了零件性能与零件壁厚、廓形等几何参数以及零件材料参数、物理特性等物理要素之间的映射关系，根据几何量修正补偿性能偏差的补调机制，针对多源约束与零件性能的显式关联关系或隐式关联关系，建立了性能指标偏差反馈驱动的加工量反演方法，基于测量面、关联基准面和精加工目标曲面的关联模型，利用有向距离约束矩阵，再设计出最终加工目标曲面。
（三）项目创新性
（1）使用优化模型寻找最佳参数用以重构连续复杂曲面。
数据转换模组中，描述复杂曲面的离散数据点由设计 CAD数据生成。超精密复杂曲面将通过高精稳健复杂曲面重构与建模法进行重建。该方法使用优化模型寻找最佳参数（如多项式的阶次，NURBS 曲面的阶次、权值等）用以重构连续复杂曲面。
（2）复杂曲面自动编程及刀具轨迹仿真软件的开发。
该数控编程软件可用于不同制造商的同类机床，不仅满足零件加工的精度要求，而且在“飞刀”加工时，还能同时对两个方向半径值的刀具轨迹进行补偿。至目前为止，还没有一套为复杂曲面加工设备提供数控程序的仿真软件，使得在实际应用中，无法进行刀具轨迹仿真，在实际加工前，必须进行工件试切。这样，不仅延长加工时间及增加成本，而且也容易发生“撞刀”等安全事故。为此，将研发“飞刀”加工复杂曲面数控自动编程及刀具轨迹仿真系统。
参考文献：
[1]赵东升.PVDF压电薄膜传感器的研制. 传感器与微系统，2007，26（3）：51-55
[2]荀华，宋长忠，韩建春.噪声发电研究的展望[J]. 能源与环境，2010（1）：7 - 8.
[3]安娜.奇特“声雷”利用噪声发电[J].生命与灾害，2009（11）：32-33.
[4]李邓化，居伟骏，贾美娟.新型压电复合换能器及其应用[M].北京：清华大学出版社，2007.
[5]彭睿，成经纬，秦勤.利用噪声进行发电相关研究[J].环境科
技，2012（05）：22-26.