CN105242637A - 一种航空薄壁叶片补偿加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空薄壁叶片补偿加工方法，属于机械工程领域精密零部件的补偿加工领域。该方法针对叶片加工过程中的变形、误差难以预测，加工精度控制困难等难题，通过获取加工过程中零件的测点坐标，利用数字化建模、数控加工、离线检测路径规划、点云拟合、加工代码再生等过程，进行精确的预测性补偿加工，达到航空薄壁叶片在线测量、变形补偿等目的，克服了目前叶片类自由曲面零件加工过程加工偏差抑制困难的难题，可提高该类叶片加工精度，降低了废品率且显著提高了薄壁叶片的加工质量。

Description

一种航空薄壁叶片补偿加工方法

技术领域

本发明涉及航空薄壁叶片补偿加工技术领域，具体涉及一种薄壁叶片的铣削变形在线测量与补偿加工方法。

背景技术

在航空航天领域，为了减轻飞行器的重量，通常设选用性能优越的钛合金、高温合金等作为发动机叶片材料。叶轮叶片呈自由曲面特征，壁薄扭曲大，对零件最终的精度要求比较高，加工难度大，加工过程中稍有不慎，昂贵的零件就会超差报废或是最终生产出的零件达不到精度要求而被弃用。现有的测量系统和加工工艺对于这类高精度的自由曲面加工效率低下，需要理论扎实、经验丰富的技术工人操作完成，对于这类零件的加工方法研究也停留在有限元加工变形预测-模型重建、加工过程中三坐标测量-镜像补偿加工等方法，这两类典型的方法从理论和加工实践上解决了一部分叶片加工质量问题，然而有限元的方法局限于模拟计算和复杂的边界条件，利用三坐标在加工过程中测量则大大的降低了加工效率，同时三坐标机的空间限制也会造成被测件二次装夹，精度会受到影响。

发明内容

针对叶片加工过程中的变形、误差难以预测，加工精度控制困难等难题，本发明的目的在于提出一种航空薄壁叶片补偿加工方法，其通过获取加工过程中零件的测点坐标，利用数字化建模、数控加工、离线检测路径规划、点云拟合、加工代码再生等过程，进行精确的预测性补偿加工，达到航空薄壁叶片在线测量、变形补偿等目的，克服了目前叶片类自由曲面零件加工过程加工偏差抑制困难的难题，可提高该类叶片加工精度。

为实现上述目的，本发明提出如下方法:

一种航空薄壁叶片补偿加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建模和数控加工代码生成，在CAM软件中建立薄壁叶片三维模型，并在CAM软件的数控加工软件模块中进行操作，分别规划工件粗加工、半精加工、精加工的加工工艺参数、刀具运动路径，生成数控加工代码文件，并将刀轨信息转换成适合数控系统能够识别的数控代码，其中粗加工去除工件的大部分余量，半精加工与精加工的工艺参数设计的完全相同；

步骤2：在数控加工仿真软件环境下对薄壁叶片三维模型进行加工仿真，看是否存在刀具和工件碰撞情况，是则返回步骤1，修正刀具运动轨迹；否则将刀轨信息转换成适合数控系统能够识别的数控代码，转步骤3；

步骤3：在所述CAM软件中，对航空薄壁叶片三维模型中进行测量点位提取，然后在薄壁零件表面从上到下，在垂直于叶片辐向方向，按一定的间距依次截取多条线段，并从线段中均匀提取测量的点位，生成测量点数据文件；

步骤4：利用在机测量路径规划软件将所述薄壁叶片三维模型和所述测量点位进行匹配，规划好测量路径后，输出数控系统能够识别的数控测量代码；

步骤5：将工件毛坯安装到数控机床的工作台上，将步骤1中生成的数控加工代码导入到数控机床中；先进行粗加工，粗加工完成后更换刀具，进行半精加工；

步骤6：半精加工完成后，将步骤4中生成的数控测量代码导入数控机床中，把刀具更换成机床测头；通过对刀，使测量坐标系与加工坐标系保持一致；运行数控测量代码进行在机测量，获取所有规划点的X、Y、Z三个坐标的数据；生成和导出测量信息文件；

步骤7：将所述测量信息文件导入到在机测量路径规划软件中，与薄壁叶片三维模型上对应点进行对比，计算出实际加工工件的每个点位的X、Y、X坐标与理论模型点三个坐标的位置偏差，以及全体点位的均值偏差、最大偏差、最小偏差参数；

步骤8：根据各测点测偏差，采用镜像补偿方法，即在误差的反方向，设置与误差大小相同的偏移量，修正步骤1生成的数控加工代码文件。

步骤1中所述的CAM软件，可采用现有的多种商用软件，包括solidworks，proe，catia等等。这些软件都可以进行三维模型设计，每个软件都有输出格式为“.stp”。

步骤1中的所述的“规划”是指确定加工方式和加工工艺参数；所述的数控加工规划软件可采用现有的多种商用软件，包括UG。

步骤2中所述的数控加工仿真软件，可采用现有的多种商用软件，包括vericut，凯勒等等。这些软件都可以进行数控加工仿真。

步骤3中所述在机测量路径规划，即在模型上标记并选取待测点，然后导出所有点的三维坐标。

步骤4中所述的在机测量路径规划软件，可采用现有的多种商用软件，包括PowerINSPECT、RaindropGeomagic等等。这些软件都可以进行点云路径的规划。在机测量路径规划软件，用于将导入的测量点匹配到导入的模型上，通过自定义路径进行测量规划。

步骤6中，所述的三个坐标系基准是工件坐标系，在测量前进行标定。所述的测量信息文件，可由数控机床生成，或通过手工方式抄出。

进一步的，所述方法的步骤8中的数控加工偏差，采用镜像均值方法或镜像曲线拟合法修正；所述的加工偏差为各离散点偏差对整个曲面的插值、拟合所得，并且使用有限个小线段逼近曲线。

进一步的，所述方法的步骤3中各个线段中提取的测量点位，根据精度和速度折衷考虑，一般在10-200之间。

进一步的，所述方法的步骤薄壁叶片补偿加工方法，其特征在于，所述步骤8中的镜像补偿方式，采用移动最小二乘法进行曲线拟合，并进行平滑处理，得到加工偏差。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的直接效果非常明显，具体体现在以下几个方面：

1、该方法利用仿真与试验相结合的方式，避免了完全仿真预测的边界条件不充足，同时利用机床测头的在线测量无需对叶片的二次装夹，极大的节省了测量时间和二次装夹引入的加工坐标系的前后不一致。

2、本发明所述的航空薄壁叶片补偿加工方法，能够提高难加工材料的航空薄壁叶片的加工精度，特别适合叶片扭曲大、悬臂长、局部刚性差等特征的精加工。

3.为薄壁平面件的在机测量提供了一种快捷的路径规划方法，结合三维软件强大的模型编辑功能，结合现有商业测量路径规划软件的避障优势，完成了有规律分布的大规模点的接触式测量，提高了机床接触式测量的效率。

附图说明

图1为本发明一种实施例的薄壁叶片结构示意图；

图2为本发明一种航空薄壁叶片补偿加工方法流程图；

图3为理论镜像走刀补偿示意图；

图4为理论分段补偿示意图；

图5为偏差插值-分段补偿示意图。

图6为补偿前精加工刀具轨迹。

图7为补偿后精加工刀具轨迹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例中，在机测量路径规划软件为PowerINSPECT；三维建模和加工仿真软件为UnigraphicsNX，简称：UG；数控加工仿真软件为VERICUT；数控系统为常用的海德汉数控系统；

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明

如图1所示，本发明的实施对象为薄壁叶片结构，采用的补偿方法整个实施流程如图2所示，一共分为八个步骤。

步骤1：建模和数控加工代码生成，在UnigraphicsNX软件中建立薄壁叶片三维模型，如图1所示。并在UnigraphicsNX软件的数控加工软件模块中进行操作，分别规划薄壁叶片粗加工、半精加工、精加工的加工工艺参数(包括进给速度、进给量、切削速度、切深)，刀具运动路径；其中粗加工去除薄壁叶片的大部分余量，在薄壁叶片表面留2mm加工余量，在半精加工与精加工的工艺参数设计的完全相同；生成数控加工代码文件；

步骤2：在VERICUT软件环境下进行加工仿真，看是否存在刀具和工件碰撞情况，是则返回步骤1，修正刀具运动轨迹；否则将刀轨信息转换成适合数控系统能够识别的数控代码，转步骤3；

步骤3：在UnigraphicsNX软件中，对航空薄壁叶片的三维模型中进行在线测量的点位规划；然后在薄壁零件表面从上到下，在垂直于叶片辐向方向，按5mm的间距依次截取30条线段，并从每条线段中均匀提取30个测量的点位；生成测量点数据文件；

步骤4：数控测量代码生成，将步骤1中的薄壁叶片三维模型和步骤3生成的测量点位数据文件导入在机测量路径规划软件PowerINSPECT中，输入中间路径规划和过渡点，使在机测量路径规划仿真过程全局无碰撞；用PowerINSPECT软件输出数控系统能够识别的数控测量代码；

步骤5：粗加工和半精加工，将工件的毛坯安装到米克朗机床的工作台上，将步骤1中生成的数控加工代码导入到机床中；先进行粗加工，粗加工完后更换刀具，进行半精加工；

步骤6：半精加工完成后，将步骤4中生成的数控测量代码导入米克朗机床中，把切削用的刀具更换成机床测头；通过对刀，将测量坐标系与加工坐标系保持一致；运行数控测量代码进行在机测量，获取所有规划点的X、Y、Z三个坐标的数据；生成和导出测量信息文件；

步骤7：将所述测量信息文件导入到在机测量路径规划软件PowerINSPECT中，与薄壁叶片三维模型上对应点进行对比，计算出实际加工工件的每个点位的X、Y、Z坐标与理论模型点三个坐标的位置偏差、均值偏差、最大偏差、最小偏差参数。

步骤8：根据各测点测偏差，采镜像补偿方法，修正步骤1生成的数控加工代码文件。对于刀具中心轨迹的修改，如图3为理论镜像补偿示意图，通过镜像刀具轨迹来补偿机床系统误差；在实际实施过程中考虑到加工轨迹的分段性，将理论轨迹离散为分段轨迹，进行分段镜像补偿，如图4所示；对于加工偏差曲线，采用“移动最小二乘法”插值拟合各个测量点，得到加工偏差曲线，如图5所示为偏差差值拟合与刀具轨迹分段补偿的示意图。如图6位补偿前精加工刀具轨迹，如图7所示为补偿后精加工刀具轨迹。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种航空薄壁叶片补偿加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建模和数控加工代码生成，在CAM软件中建立薄壁叶片三维模型，并在CAM软件的数控加工软件模块中进行操作，分别规划工件粗加工、半精加工、精加工的加工工艺参数、刀具运动路径，生成数控加工代码文件，并将刀轨信息转换成适合数控系统能够识别的数控代码，其中粗加工去除工件的大部分余量，半精加工与精加工的工艺参数设计的完全相同；

步骤2：在数控加工仿真软件环境下对薄壁叶片三维模型进行加工仿真，看是否存在刀具和工件碰撞情况，是则返回步骤1，修正刀具运动轨迹；否则将刀轨信息转换成适合数控系统能够识别的数控代码，转步骤3；

步骤3：在所述CAM软件中，对航空薄壁叶片三维模型中进行测量点位提取，然后在薄壁零件表面从上到下，在垂直于叶片辐向方向，按一定的间距依次截取多条线段，并从线段中均匀提取测量的点位，生成测量点数据文件；

步骤4：利用在机测量路径规划软件将所述薄壁叶片三维模型和所述测量点位进行匹配，规划好测量路径后，输出数控系统能够识别的数控测量代码；

步骤5：将工件毛坯安装到数控机床的工作台上，将步骤1中生成的数控加工代码导入到数控机床中；先进行粗加工，粗加工完成后更换刀具，进行半精加工；

步骤6：半精加工完成后，将步骤4中生成的数控测量代码导入数控机床中，把刀具更换成机床测头；通过对刀，使测量坐标系与加工坐标系保持一致；运行数控测量代码进行在机测量，获取所有规划点的X、Y、Z三个坐标的数据；生成和导出测量信息文件；

步骤7：将所述测量信息文件导入到在机测量路径规划软件中，与薄壁叶片三维模型上对应点进行对比，计算出实际加工工件的每个点位的X、Y、X坐标与理论模型点三个坐标的位置偏差，以及全体点位的均值偏差、最大偏差、最小偏差参数；

步骤8：根据各测点测偏差，采用镜像补偿方法，即在误差的反方向，设置与误差大小相同的偏移量，修正步骤1生成的数控加工代码文件。

2.根据权利要求1所述的航空薄壁叶片补偿加工方法，其特征在于，步骤8中的数控加工偏差，采用镜像均值方法或镜像曲线拟合法修正；所述的加工偏差为各离散点偏差对整个曲面的插值、拟合所得，并且使用有限个小线段逼近曲线。

3.根据权利要求1或2所述的航空薄壁叶片补偿加工方法，其特征在于，步骤3中各个线段中提取的测量点位，根据精度和速度折衷考虑，一般在10-200之间。

4.根据权利要求1或2所述的航空薄壁叶片补偿加工方法，其特征在于，所述步骤8中的镜像补偿方式，采用移动最小二乘法进行曲线拟合，并进行平滑处理，得到加工偏差。