CN108544181A - 一种整体叶盘损伤叶片的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，同时对损伤叶片和与其相邻的叶片进行测量，得出整体叶盘测量点集；对整体叶盘测量点集和整体叶盘设计模型进行配准，得出损伤叶片上多组截面配准点集；通过配准点集，对损伤叶片进行识别，得出损伤叶片的正常区域和损伤区域；切除损伤区域，并进行激光熔敷，得出修复叶片的焊接毛坯；使用上述方法对焊接毛坯分别进行测量和配准，并建立损伤叶片的重构模型；并根据所述重构模型进行自适应加工和抛光，得到修复后的整体叶盘叶片；本发明解决了现有整体叶盘成本高、可靠性低、寿命短的问题。

Description

一种整体叶盘损伤叶片的修复方法

【技术领域】

本发明属于高强度航空复杂件精密切削领域的关键和前沿基础技术领域，具体涉及一种整体叶盘损伤叶片的修复方法。

【背景技术】

整体叶盘被列为我国大涵道比航空发动机实现结构创新与技术跨越、进一步提高推重比的重大标志性新技术，是保障大飞机与新型战机动力性能达标不可或缺的关键零件。这类零件由于材料价格昂贵、制造工艺复杂导致其成本非常高。整体叶盘在服役使用过程会由于过热、振动疲劳、热应力等原因造成叶片损伤、疲劳断裂等大量的物理性损伤，比较典型的例子是叶片叶尖的疲劳断裂、前后缘脱落等。这些局部损伤或缺陷迫使整个叶片、整个叶盘被替换下来，提前结束其使用寿命，造成了贵重金属材料及加工成本的重大浪费。这是整体叶盘低成本、高可靠、长寿命广泛应用的重要瓶颈问题。随着整体叶盘技术在新型航空发动机上越来越多的被广泛应用，叶片损伤修复问题显得日益突出，因此解决整体叶盘的高效低成本修复关键技术极为迫切。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，以解决现有整体叶盘成本高、可靠性低、寿命短的问题。

本发明采用以下技术方案：一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，具体包括以下步骤：

步骤1、同时对损伤叶片和其相邻的叶片进行测量，得出整体叶盘测量点集；

步骤2、对整体叶盘测量点集和整体叶盘设计模型进行配准，得出损伤叶片上多组截面配准点集；

步骤3、通过步骤2得出的配准点集，对损伤叶片进行识别，得出损伤叶片切除边界，通过切除边界将损伤叶片分为正常区域和损伤区域；

步骤4、切除步骤3中得出的损伤区域，并进行激光熔敷，得出修复叶片的焊接毛坯；

步骤5、对步骤4中得到的焊接毛坯分别进行测量和配准，并建立损伤叶片的重构模型；并根据重构模型进行自适应加工和抛光，得到修复后的整体叶盘叶片。

进一步地，步骤2中的配准具体方法为：

步骤2.1、在整体叶盘测量点集找到不在同一平面的三个顶点{P₁,P₂,P₃}，在整体叶盘设计模型中找到与三个顶点位置对应的三个顶点{Q₁,Q₂,Q₃}；

步骤2.2、则有矢量得出矢量矢量

步骤2.3、根据步骤2.2得出矢量矢量矢量v₂＝v₃×v₁，矢量w₂＝w₃×w₁；

步骤2.4、将矢量v₁、v₂和v₃均作归一化处理，得到矩阵将w₁、w₂和w₃归一化，得出矩阵

步骤2.5、整体叶盘测量点集中任一点P_i变换到对应点Q_i的关系式为：

Q_i＝RP_i+T，

其中，R为旋转矩阵，R＝w_3×3·v_3×3 ^-1；结合P₁和Q₁得到平移矩阵T：

T＝Q₁-w_3×3·v_3×3 ^-1P₁，

则，整体叶盘测量点集中任一点P_i变换到对应点Q_i的关系式为：

Q_i＝(w_3×3·v_3×3 ^-1)P_i+(Q₁-w_3×3·v_3×3 ^-1P₁)＝(w_3×3·v_3×3 ^-1)(P_i-P₁)+Q₁，

根据上式将整体叶盘测量点集中的点均转换为整体叶盘设计模型中的对应点；

步骤2.6、从整体叶盘测量点集中分离出损伤叶片所有截面数据，将本应处于同一个理论截面的数据，均投影到该理论截面上，得出待配准的测量点集；

步骤2.7、通过SVD-ICP算法将待配准的测量点集和整体叶盘设计模型进行三维配准，配准目标函数为：

其中，P_i,(2)为待配准的测量点集中测量点，P_i,(*)(i＝1,2,...,N)为截面线上与测量点P_i，(2)的距离最近的点，N是测量点集中点的数量；

步骤2.8、根据步骤2.7中的配准目标函数，将待配准的测量点集进行旋转平移转换，得出损伤叶片上多组截面配准点集。

进一步地，步骤3中具体识别方法为：

步骤3.1、在整体叶盘设计模型的截面线上搜索配准后的测量点集所对应的最近点集P_(*)，对两组点集进行误差分析，得出点集P_(*)相对于整体叶盘设计模型的扭转角度和平移量；

步骤3.2、计算损伤叶片及相邻叶片的所有截面线扭转角及平移量，并与整体叶盘设计模型对比，标记出超出公差范围的截面数据点；

步骤3.3、将损伤叶片与相邻叶片超出公差范围的截面数据点对比，找出损伤叶片的损伤边界点，损伤边界点的超出公差范围大于相邻叶片对应点的超出公差范围，连接所述损伤边界点，形成损伤叶片切除边界，通过切除边界将损伤叶片分为正常区域和损伤区域。

进一步地，步骤5中建立损伤叶片的重构模型具体方法为：

步骤5.1、提取待修复叶片整体叶盘设计模型中叶片正常区域的特征点集G1＝{G₁₁，G₁₂，G₁₃...}；

提取实际的损伤叶片的焊接毛坯中正常区域的特征点集H1＝{H₁₁，H₁₂，H₁₃...}，配准特征点集G1和H1，并建立特征点集间的变形映射关系f:G1→H1；

步骤5.2、提取待修复叶片设计模型中损伤区域的特征点集G2＝{G₂₁，G₂₂，G₂₃...}；

按照变形映射关系自适应的生成焊接毛坯中损伤区域的特征点集H2＝{H₂₁，H₂₂，H₂₃...}；

步骤5.3、根据损伤叶片设计模型中前后缘半径及角度，由焊接毛坯中损伤区域的特征点集拟合修复区域截面曲线，运用蒙皮造型方法建立损伤叶片的重构模型，并进行曲面变形连续性分析，得出最终的损伤叶片的重构模型。

进一步地，步骤5中自适应加工具体为：

将实际叶片焊接区域的测量点集进行Delaunay四面体剖分，并通过搜索确定焊接毛坯外表面多面体网格；

根据焊接毛坯外表面多面体网格与最终的损伤叶片的重构模型，确定焊接区域曲面上各点处的余量的大小；

对整体叶盘设计模型进行刀位轨迹规划，并经后置处理生成名义NC加工代码，将名义NC加工代码与最终的损伤叶片的重构模型对比，进行自动适当调整，得到自适应的正确的NC加工代码，实现自适应数控加工。

本发明的有益效果是：本发明以激光熔敷和自适应加工理论为基础，通过修复叶片非确定性变形快速测量与建模、修复叶片自适应数控加工编程与优化以及修复叶片自动抛光与表面完整性控制三个关键方面进行整体叶盘损伤叶片的精密修复。

【附图说明】

图1为本发明技术原理图；

图2为本发明实施例中损伤叶片修复加工过程图；

图3为本发明实施例中第一次配准坐标系变换；

图4为本发明实施例中叶片上的正常区域、过渡区域和损伤区域划分示意图；

图5为本发明实施例中实施例中损伤区域边界线确定示意图；

图6为本发明实施例中实施例中识别出的损伤区域示意图；

图7为本发明实施例中基于变形映射的几何建模过程示意图；

图8为本发明实施例中整体叶盘叶片螺旋铣加工整体流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，技术原理如图1所示，修复过程如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤1、同时对损伤叶片和与其相邻的叶片进行测量，得出整体叶盘测量点集，为第一次测量，用于损伤区域识别。

整体叶盘经过服役过程，正常叶片(未损伤)也会产生不同程度的变形，其与整体叶盘设计模型有不同程度的误差，但基本保持相似的变化规律。因此修复叶片过程不能直接采用整体叶盘设计模型，而是要采用三坐标测量机对损伤叶片进行测量，同时对其临近的正常叶片进行测量。

步骤2、对整体叶盘测量点集和整体叶盘设计模型进行配准，得出损伤叶片上多组截面配准点集。

配准具体方法为：

步骤2.1、在整体叶盘测量点集找到不在同一平面的三个顶点{P₁,P₂,P₃}，在整体叶盘设计模型中找到与三个顶点位置对应的三个顶点{Q₁,Q₂,Q₃}。如图3所示，通过将三个测量点{P₁,P₂,P₃}变换到参考点{Q₁,Q₂,Q₃}的位置，求解初始配准变换矩阵。

通过对齐这三对基准点，就能实现整体叶盘测量点集和整体叶盘设计模型的初始配准。可以通过下列三个步骤实现：1)变换P₁到Q₁；2)变换矢量到3)变换包含三点P₁、P₂和P₃的平面到包含Q₁、Q₂和Q₃的平面。

步骤2.2、作矢量得出矢量矢量

步骤2.3、根据步骤2.2得出矢量矢量矢量v₂＝v₃×v₁，矢量w₂＝w₃×w₁；

步骤2.4、将矢量v₁、v₂和v₃均作归一化处理，其构成右手正交坐标系，则有矩阵将w₁、w₂和w₃归一化，则有矩阵

步骤2.5、整体叶盘测量点集中任一点P_i变换到对应点Q_i的关系式为：

Q_i＝RP_i+T，

其中，R为旋转矩阵，R＝w_3×3·v_3×3 ^-1；根据上式，结合P₁和Q₁，得到平移矩阵T：

T＝Q₁-w_3×3·v_3×3 ^-1P₁，

则，整体叶盘测量点集中任一点P_i变换到对应点Q_i的关系式为：

Q_i＝(w_3×3·v_3×3 ^-1)P_i+(Q₁-w_3×3·v_3×3 ^-1P₁)＝(w_3×3·v_3×3 ^-1)(P_i-P₁)+Q₁；

根据上式将整体叶盘测量点集中的点均转换为整体叶盘设计模型中的对应点。

经过初始定位后，即可以采用精确配准算法实现测量数据与整体叶盘设计模型的最佳贴近。

步骤2.6、从整体叶盘测量点集P₍₁₎中分离出损伤叶片所有截面数据，利用投影法对所述截面数据进行平面化处理，即将本应处于同一个理论截面的数据，均投影到该理论截面上，得出待配准的测量点集P₍₂₎。

步骤2.7、通过SVD-ICP算法将待配准的测量点集和整体叶盘设计模型进行三维配准，配准目标函数为：

其中，利用矩阵奇异值分解法，求出旋转变换R和平移变换T，R是一个3×3的旋转矩阵；T是一个平移矩阵。P_i,(2)为待配准的测量点集中测量点，P_i,(*)(i＝1,2,...,N)为截面线上与测量点P_i，(2)的距离最近的点，N是测量点集数中点的数量。

步骤2.8、根据步骤2.7中的配准目标函数，将待配准的测量点集进行旋转平移转换，得出损伤叶片上多组截面配准点集。

步骤3、损伤区域识别。如图4所示，经过测量点配准，即可筛选出叶片上的正常区域S₁(符合理论模型的公差)及损伤区域S₃(超出理论模型公差的，对于修复前测量是待修复叶片上的损伤区域，对于焊接后是包有毛坯的叶片区域)及二者之间的过渡区域S₂(位于理论模型公差极限位置)，即通过步骤2得出的配准点集，对损伤叶片进行识别，得出损伤叶片切除边界，通过切除边界将损伤叶片分为正常区域、过渡区域和损伤区域；具体识别方法为：

步骤3.1、在整体叶盘设计模型的截面线上搜索配准后的测量点集P₍₃₎所对应的最近点集P_(*)，对两组点集进行误差分析，得出点集P_(*)相对于整体叶盘设计模型的扭转角度和平移量。

步骤3.2、计算损伤叶片及相邻叶片的所有截面线扭转角及平移量，并与整体叶盘设计模型对比，标记出超出公差范围的截面数据点。

步骤3.3、将损伤叶片与相邻叶片超出公差范围的截面数据点对比，找出损伤叶片的损伤边界点，损伤边界点的超出公差范围大于相邻叶片对应点的超出公差范围，连接损伤边界点，形成损伤叶片切除边界，通过切除边界将损伤叶片分为正常区域和损伤区域，而且，在损伤边界周围还形成过渡区域，结果如图5、图6所示。

步骤4、在数控机床上切除步骤3中得出的损伤区域S₃，并进行激光熔敷，得出修复叶片的焊接毛坯。将修复叶片第一次配准模型导入激光熔敷机控制系统，设置好熔敷余量和工艺参数；将待修复叶盘装夹在激光熔敷机上并找正；从第四步的切除断面开始进行激光熔敷，得到修复叶片的焊接毛坯。

步骤5、使用步骤1和步骤2的方法对步骤4中得到的焊接毛坯分别进行测量和配准，并建立损伤叶片的重构模型。

步骤5.1、提取待修复叶片整体叶盘设计模型中叶片正常区域的特征点集G1＝{G₁₁，G₁₂，G₁₃...}。

提取损伤叶片的焊接毛坯中正常区域的特征点集H1＝{H₁₁，H₁₂，H₁₃...}，配准特征点集G1和H1，并建立特征点集间的变形映射关系f:G1→H1；

步骤5.2、提取待修复叶片标准设计模型中损伤区域的特征点集G2＝{G₂₁，G₂₂，G₂₃...}；

按照变形映射关系自适应的生成焊接毛坯中损伤区域的特征点集H2＝{H₂₁，H₂₂，H₂₃...}。

步骤5.3、根据损伤叶片设计模型中前后缘半径及角度的约束条件，由焊接毛坯中损伤区域的特征点集拟合修复区域截面曲线，运用蒙皮造型方法建立损伤叶片的重构模型，并进行曲面变形连续性分析，进一步优化，得出最终的损伤叶片的重构模型，过程如图7所示。

根据重构模型进行自适应加工和抛光，得到修复后的整体叶盘叶片。其中，自适应加工具体为：

将步骤5.2中生成的特征点集进行Delaunay四面体剖分，并通过搜索确定焊接毛坯外表面多面体网格，实现焊接毛坯外表面多面体网格的确定。

根据焊接毛坯外表面多面体网格与最终的损伤叶片的重构模型，确定焊接区域曲面上各点处的余量的大小。

对整体叶盘设计模型进行刀位轨迹规划，并经后置处理生成名义NC加工代码，将名义NC加工代码与最终的损伤叶片的重构模型对比，进行自动适当调整，得到自适应的正确的NC加工代码，实现自适应数控加工。

由于不用对每个叶片(模型基本相似，却有微小差异)重新进行复杂计算生成加工程序，因此这种方式可以实现对相似叶片(结构相同，型面数据微调)加工程序的快速自动化生成，在同一个叶盘多个叶片损伤时，其优势将十分明显。

如图8所示，为生成螺旋铣削名义加工程序。名义加工程序自适应调整：

由于整体叶盘设计模型与重构模型差异较小，这里给出一种点铣加工中自适应调整名义加工程序刀位轨迹的方法。其不改变每个刀位点的刀轴方向，仅改变其切触点位置。具体是根据名义加工程序中刀轴方向v_axis与切触点的法矢n的夹角是否小于45度，决定加工程序调整的方向。若<v_axis,n>≥45°，沿着原切触点的法矢n调整刀具位置，直到刀具与重构模型相切为止。若<v_axis,n>＜45°，沿着原切触点的刀轴矢量方向v_axis调整刀具位置，直到刀具与重构模型相切为止。

基于在机测量的自适应加工：对于叶片这类薄壁结构零件，由于其外形复杂、叶型厚度薄、加工刀具切削力较大、工艺刚性差、易变形。常规加工工艺中，一般采用叶身各处相同余量的加工方式，依次经过粗铣——半精铣——精铣进而完成叶身型面的加工。这种加工工艺不能很好地控制加工变形，使得叶片这类零件的加工精度保证问题得不到较好解决。有时为了提高加工精度只能采取分多道工序加工，平添了许多加工时间，不利于加工效率的提高。本发明中采用在机测量方法，将在机床上将加工——测量步骤融为一体，采取加工——测量——加工——测量…的工艺方法，最终修复叶片自动抛光。

Claims (5)

1.一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、同时对损伤叶片和其相邻的叶片进行测量，得出整体叶盘测量点集；

步骤2、对整体叶盘测量点集和整体叶盘设计模型进行配准，得出损伤叶片上多组截面配准点集；

步骤3、通过步骤2得出的配准点集，对损伤叶片进行识别，得出损伤叶片切除边界，通过所述切除边界将损伤叶片分为正常区域和损伤区域；

步骤4、切除步骤3中得出的损伤区域，并进行激光熔敷，得出修复叶片的焊接毛坯；

步骤5、对步骤4中得到的焊接毛坯分别进行测量和配准，并建立损伤叶片的重构模型；并根据所述重构模型进行自适应加工和抛光，得到修复后的整体叶盘叶片。

2.如权利要求1所述的一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，其特征在于，步骤2中的配准具体方法为：

步骤2.1、在整体叶盘测量点集找到不在同一平面的三个顶点{P₁,P₂,P₃}，在整体叶盘设计模型中找到与三个顶点位置对应的三个顶点{Q₁,Q₂,Q₃}；

步骤2.2、则有矢量得出矢量矢量

步骤2.3、根据步骤2.2得出矢量矢量矢量v₂＝v₃×v₁，矢量w₂＝w₃×w₁；

步骤2.4、将矢量v₁、v₂和v₃均作归一化处理，得到矩阵将w₁、w₂和w₃归一化，得出矩阵

步骤2.5、整体叶盘测量点集中任一点P_i变换到对应点Q_i的关系式为：

Q_i＝RP_i+T，

其中，R为旋转矩阵，R＝w_3×3·v_3×3 ^-1；结合P₁和Q₁得到平移矩阵T：

T＝Q₁-w_3×3·v_3×3 ^-1P₁，

则，整体叶盘测量点集中任一点P_i变换到对应点Q_i的关系式为：

Q_i＝(w_3×3·v_3×3 ^-1)P_i+(Q₁-w_3×3·v_3×3 ^-1P₁)＝(w_3×3·v_3×3 ^-1)(P_i-P₁)+Q₁，

根据上式将整体叶盘测量点集中的点均转换为整体叶盘设计模型中的对应点；

步骤2.6、从整体叶盘测量点集中分离出损伤叶片所有截面数据，将本应处于同一个理论截面的数据，均投影到该理论截面上，得出待配准的测量点集；

步骤2.7、通过SVD-ICP算法将待配准的测量点集和整体叶盘设计模型进行三维配准，配准目标函数为：

其中，P_i,(2)为待配准的测量点集中测量点，P_i,(*)(i＝1,2,...,N)为截面线上与测量点P_i,(2)的距离最近的点，N是测量点集中点的数量；

步骤2.8、根据步骤2.7中的配准目标函数，将待配准的测量点集进行旋转平移转换，得出损伤叶片上多组截面配准点集。

3.如权利要求1或2所述的一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，其特征在于，步骤3中具体识别方法为：

步骤3.1、在整体叶盘设计模型的截面线上搜索配准后的测量点集所对应的最近点集P_(*)，对两组点集进行误差分析，得出点集P_(*)相对于整体叶盘设计模型的扭转角度和平移量；

步骤3.2、计算损伤叶片及相邻叶片的所有截面线扭转角及平移量，并与整体叶盘设计模型对比，标记出超出公差范围的截面数据点；

步骤3.3、将损伤叶片与相邻叶片超出公差范围的截面数据点对比，找出损伤叶片的损伤边界点，所述损伤边界点的超出公差范围大于相邻叶片对应点的超出公差范围，连接所述损伤边界点，形成损伤叶片切除边界，通过所述切除边界将损伤叶片分为正常区域和损伤区域。

4.如权利要求1所述的一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，其特征在于，步骤5中建立损伤叶片的重构模型具体方法为：

步骤5.1、提取待修复叶片整体叶盘设计模型中叶片正常区域的特征点集G1＝{G₁₁，G₁₂，G₁₃...}；

提取实际的损伤叶片的焊接毛坯中正常区域的特征点集H1＝{H₁₁，H₁₂，H₁₃...}，配准特征点集G1和H1，并建立特征点集间的变形映射关系f:G1→H1；

步骤5.2、提取待修复叶片设计模型中损伤区域的特征点集G2＝{G₂₁，G₂₂，G₂₃...}；

按照变形映射关系自适应的生成焊接毛坯中损伤区域的特征点集H2＝{H₂₁，H₂₂，H₂₃...}；

步骤5.3、根据损伤叶片设计模型中前后缘半径及角度，由焊接毛坯中损伤区域的特征点集拟合修复区域截面曲线，运用蒙皮造型方法建立损伤叶片的重构模型，并进行曲面变形连续性分析，得出最终的损伤叶片的重构模型。

5.如权利要求4所述的一种整体叶盘损伤叶片的修复方法，其特征在于，步骤5中所述自适应加工具体为：

将实际叶片焊接区域的测量点集进行Delaunay四面体剖分，并通过搜索确定焊接毛坯外表面多面体网格；

根据所述焊接毛坯外表面多面体网格与最终的损伤叶片的重构模型，确定焊接区域曲面上各点处的余量的大小；

对整体叶盘设计模型进行刀位轨迹规划，并经后置处理生成名义NC加工代码，将名义NC加工代码与最终的损伤叶片的重构模型对比，进行自动适当调整，得到自适应的正确的NC加工代码，实现自适应数控加工。