CN102519407B - 一种建立叶片三维公差模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种建立叶片三维公差模型的方法，该方法通过对叶片理论截面线按照叶片轮廓度误差、积叠点位置度误差和扭转度误差的要求进行变换，得到叶片在发生变形状态下叶片理论截面线的二维公差模型，对所有叶片理论截面线的二维公差模型采用NURBS曲面重构方法进行重构后得到叶片三维公差模型。本发明建立的叶片三维公差模型能够包络叶片变形时的内外边界区域，通过测量点直接与模型的对比，能够直观地判断叶片是否合格。这种方法大大地节省了检测时间，拓展了叶片检测的方法。
Description
技术领域
本发明涉及机械检测技术领域，具体为一种建立叶片三维公差模型的方法。
背景技术
叶片是航空航天领域广泛使用的重要零部件，是“发动机的心脏”，也是汽轮机和燃汽轮轮的关键部件，在航空发动机中起着能量转换的关键作用。叶片由于型面复杂，直接影响发动机的气动性能，因此在航空发动机的零部件检测中，叶片的检测具有十分重要的意义。航空企业检测叶片常用三坐标测量机进行测量。三坐标测量机测量叶片前要通过规划测量路径获得叶片的测量路线，通过测量头与叶片表面接触以一定的路径进行测量获得测量数据点。测量数据输入图形软件中(如UG软件)来实现与CAD模型的比对分析。实测点与CAD模型进行比对时分析实测点是否在叶片误差的范围内以此判定叶片是否合格。
三坐标测量机测量得到叶片数据点不能直接与模型进行比对，需要将数据点导入CAD软件中才能进行比对。由于叶片的变形等原因，测量坐标系与理论坐标系不一致。通过调整坐标系使测量坐标系与理论坐标系达到一致。在检测叶片时一般随机在叶盆(背)前、后缘抽取一些测量点与CAD模型进行比对。通过比较分析检验叶片是否合格。叶片的CAD模型的公差要求一般由叶片图纸给出。控制叶片的几何精度由三部分组成：叶片轮廓度误差、积叠点位置度误差、扭转度误差。叶片型面的截面线轮廓度，控制叶片型面形状精度。有的图纸叶片轮廓度要求全部一样，有的图纸对叶片的前缘和后缘部位要求高；有的叶片对轮廓度有正负之分，负轮廓度要求实际加工叶片只能比理论叶片薄，而正轮廓度要求实际加工叶片只能比理论叶片厚。叶片截面积叠点的位置度，控制叶片的弯曲变形。叶片截面积叠点位置度为ΦE，表示它的公差带是直径为ΦE的圆，即叶片发生弯曲变形后，每个截面积叠点不能超出直径为ΦE的圆。有时候叶片截面积叠点的位置度公差带为正方形。叶片扭转变形误差，控制叶片扭转变形。表示叶片在发生扭转变形后叶片截面线绕积叠轴(图纸中规定的与理论截面线垂直的坐标轴)的最大偏转误差。
目前在检测叶片时，通过三坐标测量机测量叶片后，将得到的叶片测量数据点导入CAD软件中，通过在叶背(盆)、叶片前(后)缘位置处随机抽取一些测量数据点，通过人工分析抽取的测量数据点与CAD模型中对应点的三种误差，来判断叶片是否合格。这种方法只比对所抽取的点来检验是否合格，往往比较容易遗漏某些关键点，而且过程繁琐，检验耗费时间长。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种建立叶片三维公差模型的方法。该方法通过对叶片理论截面线进行变换，得到叶片在发生变形状态下的公差带边界曲线，并对边界曲线进行光顺拟合处理后获得曲线组，对曲线组进行重构得到三维公差模型。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种建立叶片三维公差模型的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在CAD软件中，由叶片理论数据点坐标建立一组叶片理论截面线，并对叶片理论截面线按叶片积叠轴方向进行排序；
步骤2：建立任意一条叶片理论截面线的二维公差模型：
步骤a：当给定的叶片截面线轮廓度公差带为普通轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿外法线方向向外偏置半个叶片轮廓度公差带距离，得到上偏差线，同时将叶片理论截面线沿内法线方向向内偏置半个叶片轮廓度公差带距离，得到下偏差线，上偏差线与下偏差线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；当给定的叶片截面线轮廓度公差带为正轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿外法线方向向外偏置一个叶片轮廓度公差带距离，得到上偏差线，上偏差线与叶片理论截面线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；当给定的叶片截面线轮廓度公差带为负轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿内法线方向向内偏置一个叶片轮廓度公差带距离，得到下偏差线，下偏差线与叶片理论截面线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；
步骤b：在积叠点位置度公差带边界线上取n个点，任意相邻两点与积叠点连线的夹角不大于1°；n个点分别与积叠点连线得到n个直线方向，将步骤a得到叶片理论截面线的轮廓度公差模型分别沿n个直线方向平移，每次平移均以积叠点为起点，积叠点位置度公差带边界线上的点为终点，得到n个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型；将n个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型分别按照曲率变化离散方法进行离散，形成环状离散点云，且同一个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型上的相邻离散点间的曲线最大长度小于积叠点位置度误差值；提取环状离散点云的边界曲线；
步骤c：以叶片积叠轴为旋转轴，将步骤b得到的边界曲线沿顺时针方向依次旋转m次，每次旋转角度为叶片扭转度公差带中最大误差角度的1/m，且每次旋转角度不大于1′，再以叶片积叠轴为旋转轴，将步骤b得到的边界曲线沿逆时针方向依次旋转m次，每次旋转角度为叶片扭转度公差带中最大误差角度的1/m，且每次旋转角度不大于1′；将2m个旋转得到的曲线分别按照曲率变化离散方法进行离散，形成环状离散点云，提取本步骤得到环状离散点云的边界点；采用三次NURBS曲线拟合方法对边界点进行拟合，得到叶片理论截面线的二维公差模型；
步骤3：按照步骤2的方法建立步骤1中所有叶片理论截面线的二维公差模型，按照NURBS曲面重构方法在CAD软件中将所有叶片理论截面线的二维公差模型按照步骤1中的顺序进行曲面重构，得到叶片三维公差模型。
有益效果
本发明建立叶片三维公差模型，该模型能够包络叶片变形时的内外边界区域，通过测量点直接与模型的对比，能够直观地判断叶片是否合格。这种方法大大地节省了检测时间，拓展了叶片检测的方法。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
本实施例目的是要建立某型叶片的三维公差模型，采用以下步骤：
步骤1：在CAD软件中，由叶片理论数据点坐标建立一组叶片理论截面线，并对叶片理论截面线按叶片积叠轴方向进行排序。
步骤2：建立步骤1中任意一条叶片理论截面线的二维公差模型：
本实施例中叶片理论截面线的叶型公差由三部分所组成：叶片轮廓线公差、积叠点位置度误差和截面扭转度误差。积叠点位置度公差带是直径为Φ0.1mm的圆；在叶片两端部分的轮廓线公差带为0.07mm，叶盆与叶背的轮廓度公差带为0.08mm；叶片叶型的扭转度误差为各截面对理论型面变形扭转在±10′范围内。
步骤a：当给定的叶片截面线轮廓度公差带为普通轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿外法线方向向外偏置半个叶片轮廓度公差带距离，得到上偏差线，同时将叶片理论截面线沿内法线方向向内偏置半个叶片轮廓度公差带距离，得到下偏差线，上偏差线与下偏差线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；当给定的叶片截面线轮廓度公差带为正轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿外法线方向向外偏置一个叶片轮廓度公差带距离，得到上偏差线，上偏差线与叶片理论截面线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；当给定的叶片截面线轮廓度公差带为负轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿内法线方向向内偏置一个叶片轮廓度公差带距离，得到下偏差线，下偏差线与叶片理论截面线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；
由于本实施例中给定的叶片截面线轮廓度公差带为普通轮廓度公差带，所以将叶片两端理论截面线沿外法线方向向外偏置0.035mm，将叶盆与叶背区域理论截面线沿外法线方向向外偏置0.04mm，光顺连接外偏置线得到上偏差线，同时将叶片两端理论截面线沿内法线方向向内偏置0.035mm，将叶盆与叶背区域理论截面线沿内法线方向向内偏置0.04mm，光顺连接内偏置线得到下偏差线，上偏差线与下偏差线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型。
步骤b：在积叠点位置度公差带边界线上均匀取360个点，任意相邻两点与积叠点连线的夹角为1°。360个点分别与积叠点连线得到360个直线方向，将步骤a得到叶片理论截面线的轮廓度公差模型分别沿360个直线方向平移，每次平移均以积叠点为起点，积叠点位置度公差带边界线上的点为终点，在本实施例中平移距离为0.05mm，得到360个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型，每个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型都是由两条封闭曲线组成；将360个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型分别按照曲率变化离散方法进行离散，形成环状离散点云，且同一个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型上相邻离散点间曲线的最大长度小于积叠点位置度误差值0.1mm；提取环状离散点云的边界曲线。
步骤c：以叶片积叠轴为旋转轴，将步骤b得到的边界曲线沿顺时针方向依次旋转10次，每次旋转角度为叶片扭转度公差带中最大误差角度10′的1/10，即1′，再以叶片积叠轴为旋转轴，将步骤b得到的边界曲线沿逆时针方向依次旋转10次，每次旋转角度为叶片扭转度公差带中最大误差角度10′的1/10，即1′；每次旋转后都得到一条曲线，将20个旋转得到的曲线分别按照曲率变化离散方法进行离散，形成环状离散点云，提取本步骤得到的环状离散点云中的边界点；采用三次NURBS曲线拟合方法对边界点进行拟合，得到叶片理论截面线的二维公差模型。所谓叶片理论截面线的二维公差模型即两条封闭曲线，且两条封闭曲线构成一个环形区域，叶片理论截面线处于环形区域内。
步骤3：按照步骤2的方法建立步骤1中所有叶片理论截面线的二维公差模型，按照NURBS曲面重构方法在CAD软件中将所有叶片理论截面线的二维公差模型按照步骤1中的顺序进行曲面重构，得到最终的叶片三维公差模型。
采用三坐标测量机测量该叶片获得的数据点能够直接与叶片三维公差模型进行比对，如果测量点绝大部分(大于97％)点在叶片三维公差模型的公差区域范围内则表示叶片合格，否则叶片不合格。
Claims (1)
1.一种建立叶片三维公差模型的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在CAD软件中，由叶片理论数据点坐标建立一组叶片理论截面线，并对叶片理论截面线按叶片积叠轴方向进行排序；
步骤2：建立任意一条叶片理论截面线的二维公差模型：
步骤a：当给定的叶片截面线轮廓度公差带为普通轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿外法线方向向外偏置半个叶片轮廓度公差带距离，得到上偏差线，同时将叶片理论截面线沿内法线方向向内偏置半个叶片轮廓度公差带距离，得到下偏差线，上偏差线与下偏差线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；当给定的叶片截面线轮廓度公差带为正轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿外法线方向向外偏置一个叶片轮廓度公差带距离，得到上偏差线，上偏差线与叶片理论截面线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；当给定的叶片截面线轮廓度公差带为负轮廓度公差带时，将叶片理论截面线沿内法线方向向内偏置一个叶片轮廓度公差带距离，得到下偏差线，下偏差线与叶片理论截面线围成的封闭环即为叶片理论截面线的轮廓度公差模型；
步骤b：在积叠点位置度公差带边界线上取n个点，任意相邻两点与积叠点连线的夹角不大于1°；n个点分别与积叠点连线得到n个直线方向，将步骤a得到叶片理论截面线的轮廓度公差模型分别沿n个直线方向平移，每次平移均以积叠点为起点，积叠点位置度公差带边界线上的点为终点，得到n个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型；将n个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型分别进行离散，形成环状离散点云，且同一个平移后的叶片理论截面线的轮廓度公差模型上相邻离散点间曲线的最大长度小于积叠点位置度误差值；提取环状离散点云的边界曲线；
步骤c：以叶片积叠轴为旋转轴，将步骤b得到的边界曲线沿顺时针方向依次旋转m次，每次旋转角度为叶片扭转度公差带中最大误差角度的1/m，且每次旋转角度不大于1′，再以叶片积叠轴为旋转轴，将步骤b得到的边界曲线沿逆时针方向依次旋转m次，每次旋转角度为叶片扭转度公差带中最大误差角度的1/m，且每次旋转角度不大于1′；将2m个旋转得到的曲线分别进行离散，形成环状离散点云，提取本步骤得到的环状离散点云的边界点；采用三次NURBS曲线拟合方法对边界点进行拟合，得到叶片理论截面线的二维公差模型；
步骤3：按照步骤2的方法建立步骤1中所有叶片理论截面线的二维公差模型，按照NURBS曲面重构方法在CAD软件中将所有叶片理论截面线的二维公差模型按照步骤1中的顺序进行曲面重构，得到叶片三维公差模型。
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