CN104699904B

CN104699904B - 一种螺旋桨不均匀加工余量调整方法

Info

Publication number: CN104699904B
Application number: CN201510114572.7A
Authority: CN
Inventors: 彭芳瑜; 闵壮; 郑妍; 闫蓉; 李斌
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; HUST Wuxi Research Institute
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; HUST Wuxi Research Institute
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2035-03-16
Also published as: CN104699904A

Abstract

本发明公开一种螺旋桨不均匀加工余量调整方法，该方法克服了螺旋桨不均匀加工余量需要人工调整的不足，根据工艺公差和当前的加工余量分布情况自动调整设计模型位姿，在满足公差标准的前提下实现螺旋桨毛坯模型与设计模型的快速匹配，确保毛坯加工余量均匀，提高叶片的加工质量。

Description

一种螺旋桨不均匀加工余量调整方法

技术领域

本发明涉及螺旋桨在线测量与加工技术领域，尤其涉及一种螺旋桨不均匀加工余量调整方法。

背景技术

螺旋桨是造船工业中十分重要的典型铸造零件，其制造品质的优劣对舰船隐蔽性、动力性能和稳定性能有着巨大的影响。传统的螺旋桨制造采用先测量后加工的工序，工程师通过毛坯测量检查毛坯有否有加工余量、确定加工区域及余量。在针对毛坯测量数据分析的过程中常出现部分区域切削量过多、部分区域无切削量的问题。工程师人工调整设计模型位姿可以解决上述问题，但是调整过程耗时高、效率低下。随着计算机信息化的发展，基于测量数据的计算机辅助定位已可以实现，采用这一方法结合螺旋桨设计工艺能够在满足公差标准的前提下实现螺旋桨毛坯模型与设计模型的快速匹配，确保毛坯加工余量均匀，提高叶片的加工质量。

螺旋桨的桨叶是一组多向倾斜、变化曲率的复杂曲面，表征桨叶几何形状的面和线多数呈现弯曲、倾斜、扭旋并存的特点。复杂曲面匹配算法可分为两大类：确定性方法和随机方法。确定性方法可以极快沿优化定位的方向搜索最优解，但是容易陷入局部最优；随机方法不易陷入局部最优情况，但是无法保证在有限步数内找到全局最优解。大多数优化定位问题采用局部搜索算法产生的最终解，其最终解质量在很大程度上取决于初始解的选取。随着组合优化领域的发展，模拟退火算法目前已在工程中得到了广泛的实际应用。模拟退火算法作为全局最优算法，是局部搜索算法的扩展，其通过改变接收优化解的准则有着寻找全局极小方面的优越性。然而，针对螺旋桨工件定位问题，目前尚没有适用螺旋桨设计工艺的模拟退火算法求解方法。

发明内容

本发明的目的在于通过一种螺旋桨不均匀加工余量调整方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种螺旋桨不均匀加工余量调整方法，其包括如下步骤：

S1、利用测量装置对毛坯模型、设计模型在同一坐标系下进行建模并离散；

S2、比对毛坯模型和设计模型，求出每点的加工余量d_i和对应的目标函数值，同时记录d_i的正值数n，计算正值百分比；

S3、根据螺旋桨建模参数及公差标准计算设计模型可调整范围；

S4、根据状态产生函数产生一个新的变换矩阵；

S5、采用所述新的变换矩阵重新对比毛坯模型和设计模型，重复步骤S2；

S6、比较矩阵变换前后目标函数，并更新变换矩阵和毛坯点集；

S7、重复步骤S4-S6，直到满足内循环终止准则；

S8、判断是否满足外循环终止条件，如果满足则停止搜索，否则重复步骤S4-S7；

S9、根据定位矩阵计算获得当前的螺旋桨调整量建模参数；

S10、利用当前的螺旋桨调整量建模参数重新设置截面线型值点坐标，建立设计模型。

特别地，所述步骤S1具体包括：

利用测量装置沿螺旋桨截面线方向获取毛坯表面测量点集P，结合设计模型点集Q对毛坯模型、设计模型在同一坐标系下进行建模并离散。

特别地，所述步骤S2具体包括：

对毛坯表面测量点集P中每一点p_i，求取设计模型Q上对应最近点q_i，求出每点的加工余量d_i＝||p_i-q_i||²和对应的目标函数值同时记录d_i的正值数n，计算正值百分比。

特别地，所述步骤S3具体包括：

根据螺旋桨建模参数及公差标准计算设计模型可调整范围，即定位矩阵T的6个变量：平移值x,y,z及旋转值α的变化范围，具体如下：

左螺旋桨：

右螺旋桨：

并满足方程：

R_i＝k*D/2 (3)

tanφ＝p/(π*D) (4)

其中，X,Y,Z为笛卡尔坐标系下每个螺旋桨型值点三维坐标，坐标系原点位于桨毂下端面中心，以1号叶片中线在Z向的投影为X轴；

φ为螺距角；

x,y为型值点在二维图纸坐标，坐标系以螺距线为x轴，基准线为y轴；

x为型值点X-基准线至导边距离b₁；

x为基准线至导边距离b₁-型值点X；

y＝-y_u；

y＝-y_o；

h为轴向位置，Z_R为纵斜值；

根据X,Y,Z的变化值确定变换矩阵T的x,y,z的变化区间，根据桨叶夹角和截面宽度参数确定变换矩阵T的α,β,γ的变化区间。

特别地，所述步骤S4具体包括：

根据状态产生函数产生一个新的变换矩阵，即对每个变量在可变化范围内给予一个随机扰动，η为正值时，ξ_k+1＝ηξ_max或者η为负值时，ξ_k+1＝ηξ_min，η是可正可负的0-1之间的随机数，计算当前值和之前的变量值之间的变化差值Δξ＝ξ_k+1-ξ_k，计算对应的变化矩阵ΔT。

特别地，所述步骤S5具体包括：

对毛坯表面测量点集P中每一点p_i变换后的点p_k+1＝p_k*ΔT，求取对应的最近点q_k+1，求出每点的加工余量d_k+1＝||p_k+1-q_k+1||²和对应的目标函数值同时记录d_k+1的正值数n，计算正值百分比。

特别地，所述步骤S6具体包括：

比较所述E(k)和E(k+1)，如果E(k+1)≤E(k)，记忆器更新变换矩阵，同时更新替换p_i；如果E(k+1)＞E(k)，计算p＝exp(-ΔE/kT)，如果大于[0,1)区间内的随机数，记忆器更新变换矩阵，同时更新p_i，如果p小于[0,1)区间内的随机数，则记忆器仍保存原有变换矩阵，p_i不变。

本发明提出的螺旋桨不均匀加工余量调整方法根据工艺公差和当前的加工余量分布情况自动调整设计模型位姿，在满足公差标准的前提下实现螺旋桨毛坯模型与设计模型的快速匹配，确保毛坯加工余量均匀，提高叶片的加工质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的螺旋桨不均匀加工余量调整方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本发明。

请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的螺旋桨不均匀加工余量调整方法流程图。

本实施例中螺旋桨不均匀加工余量调整方法具体包括如下步骤：

S1、利用测量装置对毛坯模型、设计模型在同一坐标系下进行建模并离散。

S2、比对毛坯模型和设计模型，求出每点的加工余量d_i和对应的目标函数值，同时记录d_i的正值数n，计算正值百分比。

对毛坯表面测量点集P中每一点p_i，求取设计模型Q上对应最近点q_i(沿曲面法向计算)，求出每点的加工余量d_i＝||p_i-q_i||²和对应的目标函数值同时记录d_i的正值数n，计算正值百分比。

S3、根据螺旋桨建模参数及公差标准计算设计模型可调整范围。

左螺旋桨：

右螺旋桨：

并满足方程：

R_i＝k*D/2 (3)

tanφ＝p/(π*D) (4)

φ为螺距角；

x为型值点X-基准线至导边距离b₁(左旋)；

x为基准线至导边距离b₁-型值点X(右旋)；

y＝-y_u(叶面)；

y＝-y_o(叶背)；

h为轴向位置，Z_R为纵斜值；

S4、根据状态产生函数产生一个新的变换矩阵。

S5、采用所述新的变换矩阵重新对比毛坯模型和设计模型，重复步骤S2。

S6、比较矩阵变换前后目标函数，并更新变换矩阵和毛坯点集。

S7、重复步骤S4-S6，直到满足内循环终止准则。

重复步骤S4-S6，直到满足内循环终止准则(设置同一温度下迭代步数下限、迭代步数上限和接受新解的次数比例)，如果满足内循环终止条件则降温，降温函数为T_k+1＝λT_k，λ一般在0.95-0.99取值。

S8、判断是否满足外循环终止条件(一般设置最大外循环次数)，如果满足则停止搜索，否则重复步骤S4-S7。

S9、根据定位矩阵计算获得当前的螺旋桨调整量建模参数。

本发明的技术方案根据工艺公差和当前的加工余量分布情况自动调整设计模型位姿，在满足公差标准的前提下实现螺旋桨毛坯模型与设计模型的快速匹配，确保毛坯加工余量均匀，提高叶片的加工质量。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种螺旋桨不均匀加工余量调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用测量装置对毛坯模型、设计模型在同一坐标系下进行建模并离散；具体包括：利用测量装置沿螺旋桨截面线方向获取毛坯表面测量点集P，结合设计模型点集Q对毛坯模型、设计模型在同一坐标系下进行建模并离散；

S2、比对毛坯模型和设计模型，求出每点的加工余量d_i和对应的目标函数值，同时记录d_i的正值数n，计算正值百分比；具体包括：对毛坯表面测量点集P中每一点p_i，求取设计模型Q上对应最近点q_i，求出每点的加工余量d_i＝||p_i-q_i||²和对应的目标函数值同时记录d_i的正值数n，计算正值百分比；

S3、根据螺旋桨建模参数及公差标准计算设计模型可调整范围；具体包括：根据螺旋桨建模参数及公差标准计算设计模型可调整范围，即定位矩阵T的6个变量：平移值x,y,z及旋转值α的变化范围，具体如下：

左螺旋桨：

右螺旋桨：

并满足方程：

R_i＝k*D/2 (3)

tanφ＝p/(π*D) (4)

φ为螺距角；

对于左螺旋桨即左旋，x为型值点X-基准线至导边距离b₁；

对于右螺旋桨即右旋，x为基准线至导边距离b₁-型值点X；

对于叶片的叶面，y＝-y_u；

对于叶片的叶背，y＝-y_o；

h为轴向位置，Z_R为纵斜值；

根据X,Y,Z的变化值确定变换矩阵T的x,y,z的变化区间，根据桨叶夹角和截面宽度参数确定变换矩阵T的α,β,γ的变化区间；

S4、根据状态产生函数产生一个新的变换矩阵；

S7、重复步骤S4-S6，直到满足内循环终止准则；

S9、根据定位矩阵计算获得当前的螺旋桨调整量建模参数；

2.根据权利要求1所述的螺旋桨不均匀加工余量调整方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

3.根据权利要求2所述的螺旋桨不均匀加工余量调整方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

4.根据权利要求3所述的螺旋桨不均匀加工余量调整方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：比较所述E(k)和E(k+1)，如果E(k+1)≤E(k)，记忆器更新变换矩阵，同时更新替换p_i；如果E(k+1)>E(k)，计算p＝exp(-ΔE/kT)，如果大于[0,1)区间内的随机数，记忆器更新变换矩阵，同时更新p_i，如果p小于[0,1)区间内的随机数，则记忆器仍保存原有变换矩阵，p_i不变。