CN103927426A - 航空发动机整体叶盘特征识别方法 - Google Patents

Abstract

一种航空发动机整体叶盘特征识别方法，其特征是它包括以下步骤：首先，分析航空发动机整体叶盘零件结构特性，定义整体叶盘叶片特征和流道特征；其次，对整体叶盘零件进行预设置并构建全息属性面边图；第三，基于种子面、分型面及拓展规则进行面搜索，构建叶片加工特征；第四，根据相邻两个叶片的特征元素，构建对应流道特征；最后，提取叶片及流道特征信息，得到特征识别结果，存入XML文件。本发明能涵盖整体叶盘铣削加工的特征类型，且识别效率高，正确率高，为提高叶片加工自动化水平奠定了基础，为CAD/CAPP/CAM系统间的数据传递提供了有效的手段。

Description

航空发动机整体叶盘特征识别方法

技术领域

本发明涉及一种CAD/CAM技术，尤其是一种提高航空发动机整体叶盘加工水平的CAD/CAM技术，具体地说是一种航空发动机整体叶盘特征识别方法。

背景技术

目前，CAD、CAPP、CAM系统分别在产品设计、工艺设计和数控编程方面发挥了很大的作用。但这些系统各自独立，不能实现信息在各系统间的自动转换和共享，在应用过程中自动化程度和效率低。以提高产品设计、工艺设计和数控编程自动化程度和效率为目的的CAD/CAPP/CAM集成成为了工业界的迫切需求，而特征识别技术可以实现各系统间的数据传递，是实现CAD/CAPP/CAM集成的有效途径。

随着航空发动机推重比的日益提高，在风扇与压气机中整体叶盘结构得到越来越多的应用。整体叶盘在结构上是以转轮毂面为主体，周向分部复杂型面的岛屿凸台(叶片)，零件最薄处仅为2-3mm厚，且开敞性较差，属多岛屿复杂薄壁结构件。这样的结构在省去了传统叶片连接用榫头、榫槽的同时也带来了单件结构复杂、刚性差、材料加工难度大、加工质量要求高等一系列加工难点。

目前在整体叶盘数控加工中，由于其结构复杂、精度要求高，对于编程工艺人员的经验依赖性很大。传统的整体叶盘数控加工程序编制包含大量的辅助几何元素点选，不仅重复工作量大，还对工艺人员的水平要求较高，尤其是在整体叶盘流道开粗插铣等工序，编程质量严重依赖工艺人员经验，总体效率低下。而特征可以作为加工工艺知识和经验的载体，有效继承加工工艺知识和经验，基于特征可以实现快速高效的数控程序编制，而特征识别是基于特征的快速程编技术的基础。所以特征识别技术成为提高整体叶盘数控编程效率和质量的重要手段。但在现有的特征识别技术中，还没有覆盖整体叶盘零件特征类型，所以对整体叶盘的特征识别还没有高效的识别方法。

发明内容

本发明的目的是目前CAM系统缺少针对航空发动机整体叶盘的特征识别功能，以及现有识别方法的效率低，准确性不高，影响工作规程设计的问题，发明一种航空发动机整体叶盘特征识别方法。

本发明的技术方案是：

一种航空发动机整体叶盘特征识别方法，其特征是它包括以下步骤：

   首先，分析航空发动机整体叶盘零件结构特性，定义整体叶盘叶片特征和流道特征； 

其次，对整体叶盘零件进行预设置并构建全息属性面边图；

第三，基于种子面、分型面及拓展规则进行面搜索，构建叶片加工特征；

第四，根据相邻两个叶片的特征元素，构建对应流道特征；

最后，提取叶片及流道特征信息，得到特征识别结果，存入XML文件。

通过分析整体叶盘结构特点和加工特性，将航空发动机整体叶盘加工特征定义为叶片特征和流道特征的组合，其中叶片特征包含顶面、侧面、底角面(可缺省)和底面；流道特征为两叶片间燃气通过的区域主要包含两侧面和底面，其中两侧面分别来自两相邻叶片的相应侧面。

所述的预设置包含设定加工坐标系和选定分型面，规定将Z轴选为整体叶盘回转轴线方向，X、Y轴不作限定；分型面选择与Z轴垂直且法向平行Z轴的最高平面，其中零件的面、边信息不仅包含面、边的几何信息，还包含面、边与其相邻几何元素的连接关系。

所述的种子面为基于拓展规则进行特征构建的初始值，其中叶片特征的种子面为整体叶盘零件上的与分型面相连的锥面、柱面及环形曲面。

所述的构建叶片加工特征时首先根据叶片种子面依据底面拓展规则得到正确的底面；在根据底面依据底角面拓展规则得到正确的底角面；再根据底角面依据侧面拓展规则获得正确的侧面；最后根据侧面依据顶面拓展规则得到正确的顶面。

所述的构建流道特征是在叶片特征识别完毕后，任取两相邻叶片特征，各取每个叶片相对应的侧面，作为流道的侧面，取两叶片共有的底面，作为流道的底面。

提取到的叶片特征信息的保存按顶面、侧面、底角面、底面的次序存入XML文件，流道特征信息的保存按侧面和底面的顺序存入XML文件。

本发明的有益效果：

本发明能涵盖整体叶盘铣削加工的特征类型，且识别效率高，正确率高，为提高叶片加工自动化水平奠定了基础，为CAD/CAPP/CAM系统间的数据传递提供了有效的手段。

附图说明

图1为本发明的航空发动机整体叶盘特征识别方法流程图。

图2为航空发动机整体叶盘零件示意图，其中Blisk为整体叶盘，Z为预设置中坐标系的Z轴方向，J为分型面。

图3为整体叶盘叶片和流道特征定义示意图，其中Blisk为整体叶盘，Blade为叶片特征，I、II、III为三个典型叶片特征，其中每个叶片包含A叶片底面、B叶片底角面(可缺省)、C叶片侧面、D叶片顶面、a为叶盆、b为叶背、c为叶尖缘角；Blade Channel为流道特征，F为流道底面、G为流道侧面，图中所示流道BC的一个侧面为II号叶片的叶背，另一个侧面为III号叶片的叶盆，箭头方向表示发动机工作时燃气通过方向。

图4为整体叶盘拓扑元素的唯一标识示意图，其中图4a为整体叶盘零件，图4b为将整体叶盘零件所有拓扑元素进行唯一标识的结果，利用tag值对各元素类型进行标识。

图5为整体叶盘某叶片的局部全息属性面边图，其中f₁为叶片顶面,且以边e₁、e₂、e₃、e₄与面f₂、f₃、f₄、f₅相连，面f₂以边e₇、e₈与面f₃、f₅相连，面f₄以边e₅、e₆与面f₃、f₅相连。

图6为为全息属性面边图边角度、面角度计算方法示意图，A为边角度计算方法，B为面角度计算方法，其中f₁，f₂为两个相邻的面，e为相交边，p_mid为相交边的中点，A中n ₁ 、n ₂ 为相邻面f₁，f₂在p_mid的法向量，选取f₁，f₂中任一面为基准面，这里选取f₁为基准面，根据右手螺旋法则确定边e的方向n _e ，n ₁ 到n ₂ 的角度记为                                                ，若，则边角度为，若，则边角度为；B中n ₁ 、n ₂ 为相邻面f₁，f₂的主法向，同样选取f₁为基准面，根据右手螺旋法则确定边的方向n _e ，n ₁ 到n ₂ 的角度记为，若，则面角度为，若，则面角度为。

图7为整体叶盘特征识别种子面示意图，其中J为分型面，F_Z为种子面。

图8为整体叶盘特征识别种子面扩展流程图。

图9整体叶盘叶片特征构建示意图，其中L_in为由种子面列直接得到的内环，E_out/L_in为由种子面外环边得到的广义内环；箭头方向显示了叶片特征构建的过程，即由广义内环边得到叶片底角面B，由叶片底角面B得到叶片侧面C，由侧面C得到叶片顶面D。

图10为整体叶盘叶片特征识别结果示意图，其中特征识别结果可存入XML格式的文件中。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1-10所示。

一种航空发动机整体叶盘特征识别方法，它可概述为：首先根据航空发动机整体叶盘的结构特点，将发动机整体叶盘加工特征定义为一系列叶片特征和流道特征的组合。其次进行叶片特征和流道特征的高效特征识别，首先建立零件加工坐标系，设定分型面，再将所有几何拓扑元素进行唯一标识，构建全息属性面边图，并定义完整的面节点和边节点属性，最后基于全息属性面边图搜索各类特种的种子面，依据拓展规则识别出零件中包含的叶片特征和流道特征。流程图如图1所示。具体步骤如下：

1、分析航空发动机整体叶盘零件结构特性，定义整体叶盘叶片特征和流道特征

航空发动机整体叶盘(以下简称叶盘)结构上以回转轮毂面为主体，周向分部复杂型面的岛屿凸台的整体飞机结构件，如图2中Blisk所示，通过对其结构特性和典型加工方法和过程分析，将整体叶盘加工特征总结为：叶片(Blade)特征和流道(Blade Channel)特征，如图3所示。

1)叶片(Blade)：指的是叶盘回转轮毂面上周向分部的复杂型面的岛屿凸台，每个叶片由底面、底角面、侧面、顶面构成，侧面中处于进气迎风面的为叶盆(如图3中a所示)，处于出气非迎风面的为叶背(如图3中b所示)，每个叶片两端最薄处的小圆角又称为叶片缘角(可缺省，如图3中c所示)。

2)流道(Blade Channel)：流道指的是发动机工作时两相邻叶片间燃气通过的空间区域，如图3中BC所示，每个流道由底面和侧面构成，其中流道的侧面分别来自所在位置两个相邻叶片的叶背和叶盆，如图3中G所示，底面来自所长叶片的回转轮毂面，如图3中F所示。

2、对叶盘零件进行预设置并构建全息属性面边图

1)对零件模型进行预设置，包含建立加工坐标系文件和设定分型面。

(1)加工坐标系建立：一般将叶盘回转轴线方向选为加工坐标系Z轴方向，X轴和Y轴并没有限制，如图2中Z所示。

(2)分型面一般选为平面，在叶盘的特征识别中将分型面选为与加工坐标系Z轴方向垂直的平面(若加工坐标系Z轴选为叶盘的回转轴线方向，则分型面选择面法向沿Z轴方向且与叶片所在自由曲面/圆锥面相连的最高平面)，如图2中J所示。

2) 获得CAD模型的所有点、线、面拓扑元素，按照拓扑类型+标识码的方式重新命名拓扑元素，如图4所示，赋予每个拓扑元素特定的标识码，使拓扑元素具有唯一性，便于后续的特征识别和特征识别结果保存。

3)构建整体叶盘模型的全息属性面边图。

全息属性图在属性面边图的基础上加入了更多供特征识别使用的边的信息和面的信息，其内容包括：

边的信息：边的唯一标识、实边或虚边标识、曲线或直线标识、边属于内环或外环标识、相邻面角度、边角度、边长度，如表1所示； 

                      表1

 

面的信息：面的唯一标识、实面或虚面标识、曲面或平面标识、面的主法向、相交面的数量、面的面积、面的内外环个数，如表2所示。

                   表2

利用全息属性面边图表示特征识别所需要的所有几何元素的拓扑信息及各个元素间的连接关系，如图5所示，通过引入边角度，面角度可以更加精确地表达面与面之间的连接关系，其中边角度可以表示两邻接面的过渡关系，面角度可以表示两邻接面的位置关系，其计算方法如图6所示。

3、基于种子面、分型面及拓展规则进行面搜索，构建加工特征

1)加工特征种子面定义，主要为叶片种子面定义：将模型中与分型面相连的具有多个内环的圆柱/锥面或自由曲面定义为叶片的种子面，如图7中F_Z所示。

2)基于分型面选择和种子面定义，遍历叶盘模型的全息属性面边图，进行种子面匹配，其流程如图8所示，具体如下：

(1)遍历叶盘模型所有面，提取出所有圆柱面、圆锥面及自由曲面，将与叶盘中心空洞相关的圆柱面、圆锥面及自由曲面剔除，剩下的存入面列F_F。

(2)遍历F_F的所有面，找到与分型面相邻的面存入F_Z，即F_F为叶片特征种子面列。

3)以得到的种子面进行扩展，构建完整叶片特征，如图9所示。

(1)遍历F_Z所有面，提取种子面列的广义内环，存入L_in，具体如下：

①遍历F_Z所有面，提取各面的内环，存于L_in，提取各面的外环边，存入E_out。

②遍历E_out所有边，留下其中只出现一次的边，其余删除。

③遍历剩余E_out所有边，将相连的边首尾相连，形成一个或多个环，剔除最大的两个环后，判断是否还有其他环，若有则为外环边形成的广义内环，将其一并存入L_in。

(2)遍历L_in中的所有内环，其中每个环对应一个叶片，提取每个环对应的F_Z中的面，为叶片底面存入A，如图9中A所示。

(3)遍历L_in中的每个环的所有边，找到每个边所在的不属于F_Z的面，为叶片底角面，存入B，如图9中a过程所示。

(4)遍历B中所有面，找到与每个面相邻且不属于A的面，为叶片侧面，存入C，如图9中b过程所示，其中处于进气迎风面的为叶盆，处于出气非迎风面的为叶背，每个叶片两端最薄处的小圆角称为叶片缘角。

(5)遍历C中所有面，找到与每个面相邻不属于C且呈凸连接的面，为叶片顶面，存入D，如图9中c过程所示。

4)根据相邻两个叶片的拓扑元素，构造相应流道特征。

流道特征为两个相邻叶片的叶盆、叶背及底面所包围成的空间区域。每个流道特征主要包含侧面和底面两种元素，由相邻的两个叶片部分特征元素构成。

(1)提取构成此流道的两相邻叶片的底面，作为此流道特征的底面，存入F。

(2)按顺时针方向将构成此流道的两叶片排序，记为流道组成叶片1和2，则叶片1的叶背及叶片2的叶盆(或叶片1的叶盆及叶片2的叶背)为此流道的侧面，存入G。

4、提取叶片及流道特征信息，得到特征识别结果，存入XML文件，如图10所示，示例整体叶盘包含叶片特征135个，其中每个叶片包含底面、底角面(有的叶片没有)、侧面和顶面若干。流道特征135个，每个流道包含两个侧面和一个底面。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种航空发动机整体叶盘特征识别方法，其特征是它包括以下步骤：

   首先，分析航空发动机整体叶盘零件结构特性，定义整体叶盘叶片特征和流道特征； 

其次，对整体叶盘零件进行预设置并构建全息属性面边图；

第三，基于种子面、分型面及拓展规则进行面搜索，构建叶片加工特征；

第四，根据相邻两个叶片的特征元素，构建对应流道特征；

最后，提取叶片及流道特征信息，得到特征识别结果，存入XML文件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是通过分析整体叶盘结构特点和加工特性，将航空发动机整体叶盘加工特征定义为叶片特征和流道特征的组合，其中叶片特征包含顶面、侧面、底角面和底面；流道特征为两叶片间燃气通过的区域主要包含两侧面和底面，其中两侧面分别来自两相邻叶片的相应侧面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的预设置包含设定加工坐标系和选定分型面，规定将Z轴选为整体叶盘回转轴线方向，X、Y轴不作限定；分型面选择与Z轴垂直且法向平行Z轴的最高平面，其中零件的面、边信息不仅包含面、边的几何信息，还包含面、边与其相邻几何元素的连接关系。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的种子面为基于拓展规则进行特征构建的初始值，其中叶片特征的种子面为整体叶盘零件上的与分型面相连的锥面、柱面及环形曲面。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的构建叶片加工特征时首先根据叶片种子面依据底面拓展规则得到正确的底面；在根据底面依据底角面拓展规则得到正确的底角面；再根据底角面依据侧面拓展规则获得正确的侧面；最后根据侧面依据顶面拓展规则得到正确的顶面。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的构建流道特征是在叶片特征识别完毕后，任取两相邻叶片特征，各取每个叶片相对应的侧面，作为流道的侧面，取两叶片共有的底面，作为流道的底面。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是提取到的叶片特征信息的保存按顶面、侧面、底角面、底面的次序存入XML文件，流道特征信息的保存按侧面和底面的顺序存入XML文件。