CN109214032A - 一种空心叶片的自适应加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心叶片的自适应加工方法，包括以下步骤，1）在机测量装夹后叶片的实际形状和位置，并进行理论模型的配准；2）根据配准后的理论模型加工叶身理论加工区；3）进行对应的叶根自适应加工区的模型重构，并按照重构后的叶根自适应加工区的模型进行叶身加工；4）进行叶片前、后缘自适应加工区的模型重构，并按照重构后的叶片前、后缘自适应加工区的模型进行叶身加工。自适应加工的目的是消除加工阶差，本发明同时考虑了叶身和前后缘加工要求，并考虑了二者的关联，据查新结果以往的自适应加工并未同时考虑二者关联，自适应加工后可以满足两个部位的光顺过渡。

Description

一种空心叶片的自适应加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种空心叶片的自适应加工方法。

背景技术

叶片经过成形工艺(如超塑成形、精锻)后，前后缘和叶根部位均留有加工余量且分布不均匀，需针对各加工部位分别辅以不同数控加工手段才能最终满足精度要求。作为航空发动机的关键零件，叶片型面加工质量对航空发动机的性能影响至关重要，一方面，采用塑性成形工艺制造的叶片毛坯，其叶盆、叶背型面几何参数可以满足精度要求，但其前、后缘(进、排气边)曲面因曲率半径小、扭曲大，需进行数控加工，并同时保证叶片前、后缘和叶身非加工区域的光顺过渡；另一方面，叶身近叶根部位采用焊接技术或机械连接与叶盘连接，需要通过数控加工达到部分理论外形，同时保证叶身近叶根部位加工区域和非加工区域的光顺过渡。目前针对叶片前、后缘和叶根部位的机械加工方法全部需要依赖叶片理论模型，然而，叶片零件的塑性成形过程会导致叶身型面的几何参数与理论模型出现差异。如果直接根据理论模型加工会在前、后缘加工边界和叶身加工边界造成非光滑衔接，形成较大的加工阶差。现阶段为了解决上述问题，往往采用自适应加工技术：针对叶片毛坯尺寸状态的不确定性，在机测量快速获取叶片的实际形状特征点坐标，根据测量数据重新构造叶片毛坯的数字模型，基于重建的毛坯数字模型，生成NC程序并完成数控加工。

目前的叶片自适应加工方法存在以下不足：

1.现有自适应加工方法和系统均是基于独立软件平台或者是基于某一CAD/CAM软件进行二次开发，计算过程均是在封闭环境内实现，计算效率较低，计算结果也无法和其他CAD/CAM软件交互和兼容；

2.前、后缘过渡区和叶身转接区(即过渡区)两个加工区是有关联,存在交界部位，现有模型重构方法无法从理论上同时满足前、后缘加工位置和非加工区域、叶身的叶根加工位置和非加工区域，即叶身转接区的光顺过渡。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种空心叶片的自适应加工方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种空心叶片的自适应加工方法，包括以下步骤，

1)在机测量装夹后叶片的实际形状和位置，并进行理论模型的配准；

2)根据配准后的理论模型加工叶身理论加工区；

3)进行对应的叶根自适应加工区的模型重构，并按照重构后的叶根自适应加工区的模型进行叶身加工；

4)进行叶片前、后缘自适应加工区的模型重构，并按照重构后的叶片前、后缘自适应加工区的模型进行叶身加工。

所述的步骤3)中提取理论模型中叶身转接段的截面线，并根据测量信息进行对应的叶根自适应加工区的模型重构。

所述的步骤4)中提取理论模型中叶片进排气边处的截面曲线，并根据过渡区实际位置信息进行叶片前、后缘自适应加工区的模型重构。

所述的步骤3)或步骤4)中，所述的模型重构过程为：将截面曲线保存为IGES格式，根据实际测量点位置，利用重构算法进行计算，得到重构后的截面曲线IGES模型，对重构曲线集进行后处理获得曲面模型。

所述的步骤4)中模型重构方法为：通过调整截面线几何形状在过渡区实现与测量点位置的一阶连续，并保持该位置与提取的截面线的二阶连续，从而实现加工区与非加工区域的光顺转接。

所述的步骤3)中模型重构方法为：

1)取叶身转接段任意截面曲线L_i，该曲线在IGES模型的表达为一系列NURBS曲线，表达式为

2)在转接段与叶身的过渡线与L交点定义测量点d_i，根据d_i获得的实际测量点位置为d′_i；

3)调整控制点的位置，使NURBS曲线通过点d′_i；

4)在预计调整范围，按调整邻近范围控制点，达到预定的光顺程度；

5)输出调整后的曲线L’为新的IGES格式文件；

6)对新IGES格式文件进行后处理，结合其余转接段理论曲线，用蒙面算法对曲线集进行曲面拟合，得到的曲面为重构后的转接段加工曲面模型，

所述的步骤4)中叶片前、后缘自适应加工区的模型重构方法为：

1)对叶片进排气边加工区域曲面的提取，并获得预定数量的进排气边截面曲线集{L_i}(i＝0，1，2……)，将曲线集保存为IGES格式；

2)取叶片进排气边任意截面曲线L_i，该曲线在IGES模型的表达为一系列NURBS曲线，表达式为

在前、后缘与叶身的过渡线与L_i交点定义测量点d₀，根据d₀获得的实际测量点位置为d′₀，

3)调整控制点的位置，使NURBS曲线通过点d′₀，并调整相邻控制点d₁的位置，使得p(t)在d′₀点的切线p‘(t₀)与原设计数模保持不变；

4)根据预计调整范围，按比例调整控制点d₂至d_m，达到预定的光顺程度；

5)输出调整后的曲线集{L’_i}(i＝0，1，2……)为新的IGES格式文件；

6)对新IGES格式文件进行后处理，用蒙面法对曲线集进行曲面拟合，得到的曲面为重构后的前、后缘模型。

所述的曲线重构方法为：对截面曲线L进行分段处理，在每个测量点d_i处将截面曲线L进行分段，并转换为Bézier曲线，根据Bézier曲线的性质，每段曲线将通过理论测量点d_i，根据实际测量点d′_i，按照距离和方向移动d_i和预定影响范围内其余所有控制点，直到L上所有控制点全部按照附近测量点的偏移方向完成移动，从而得到重构后的曲线L‘。

Bézier曲线的性质为，

1)Bézier曲线的首末点与特征点的首末点重合；

2)Bézier曲线在首末点处的切线方向与特征多边形第一条边及最后一条边的方向一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明重构计算通过独立开发算法实现，获得的重构模型可以保证叶身加工部位和前、后缘加工部位的光顺过渡，重构结果可直接用于数控加工编程，重构过程不依赖任何CAD平台，计算结果适用于任何CAM软件的数控编程；重构计算过程不涉及对曲面和实体模型的操作，计算效率较高。

本发明可以用于精锻叶片和焊接式整体叶盘上的叶片叶身及前、后缘的自适应加工，可同时满足前、后缘加工位置和非加工区域、叶身加工位置和非加工区域的光顺过渡。

自适应加工的目的是消除加工阶差，本案同时考虑了叶身和前后缘加工要求，并考虑了二者的关联，据查新结果以往的自适应加工并未同时考虑二者关联，自适应加工后可以满足两个部位的光顺过渡。

附图说明

图1为叶片加工区域划分示意图；

图2为叶片自适应加工流程示意图；

图3为叶片转接段曲线和实际位置测量点示意图；

图4为重构曲线与理论曲线示意图；

图5为自适应加工模型重构过程示意图；

图6为IGES模型重构计算流程示意图；

图7为叶片进排气曲面重构原理示意图；

图8为测量点配准示意图；

图9为按理论模型加工示意图；

图10为重构过渡区外形测量示意图；

图11为叶身自适应曲面计算结果示意图；

图12为叶片进排气边模型曲线及测量结果示意图；

图13为进排气边曲面重构模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

如图所示，本发明中叶片的自适应加工过程为：

首先，在机测量装夹后叶片的实际形状和位置，并进行数据处理以及与理论模型的配准；然后测量获得叶身的叶根自适应加工区2和非加工部位1之间的过渡位置信息，即叶身转接段的位置信息，过渡位置没有严格的量化定义，是指加工去除材料的部位和非加工部位交界处，一定在已经到位的部位上选取，一般测量选取非加工部位附近的一些点即可。

根据测量结果重构叶身外形，重构是指叶身的叶根自适应加工区数模的重构，理论加工区和非加工部位按照理论数模即可。重构加工部位外形与非加工部位外形在理论上实现位置连续，根据重构结果生成加工程序并完成叶身的叶根部位加工；

最后测量获得叶片前、后缘自适应加工区和非加工部位交界处位置信息即叶片进排气边处的位置信息，其中，该位置信息既有非加工区的过渡位置，也有叶身自适应加工已经完成的加工部位的过渡信息，因为前后缘自适应加工区和叶身加工区有相交的部位。根据测量结果重构前、后缘外形模型，重构后的前、后缘加工边界部位外形与叶身非加工部位外形达到光顺过渡，根据重构结果生成加工程序并完成叶片前、后缘数控加工。

即，加工顺序的要求，必须首先进行叶身自适应加工，再进行前后缘自适应加工，因为前后缘加工测量要用到叶身已加工型面的信息。

具体来说，整个加工过程包括以下步骤，

1、测量配准

在叶身选取一定数量的测量点，利用ICP算法实现叶身测量点和理论点的配准，并根据配准结果对加工坐标系进行偏置。

2.加工理论外形

叶身理论加工区3按照理论数模进行数控加工。即，配准后直接按照理论模型加工即可。

3.叶身自适应加工，即叶身的叶根自适应加工区2

首先，测量叶身非加工部位的实际外形，获得叶身的叶根自适应加工区和非加工部位过渡位置信息；测量时需要测量非加工部位接近待自适应加工区的位置信息，也就是过渡位置信息，因为还有材料未去除，所以测量只能选取非加工区尽量靠近加工部位的位置。重构叶身外形只是指叶身近叶根处的自适应加工区的外形，其余部位按照理论模型处理即可。

重构方法和原理如下：

给定空间(n+1)个点d_i(i＝0，1，…n)，参数n次Bézier曲线可以表示为

其中，d_i为控制点，构成该曲线的特征多边形，B_i,n(t)为伯恩斯坦基函数，

其中，

在叶片叶身近叶根处的转接段曲面自适应重构过程中，为了实现叶身自适应加工区域和叶身过渡区的光顺转接，需要利用Bézier曲线一些特定的性质：

1)Bézier曲线的首末点与特征点的首末点重合；

2)Bézier曲线在首末点处的切线方向与特征多边形第一条边及最后一条边的方向一致。

目前各个模型标准格式(如STP、IGES)中的曲线全部采用NURBS曲线形式，但是由于Bézier曲线便于计算和转换的特性，在保证原曲线不变的条件下，在实际计算中根据模型中给定NURBS曲线的控制点和权因子计算一组Bézier曲线段的控制点及其权因子。转换的原理为：对k次NURBS曲线节点矢量上的内部节点，采用节点插入算法使其成为k重节点，由新节点计算所得的控制点及其权因子极为所求Bézier曲线段的控制点及其权因子。在后续自适应加工曲面重构过程中只需要按照Bézier曲线的性质开发算法即可实现相应功能。

在叶片实际加工过程中，重构数模的输入条件包括：

1)毛坯外形过渡区的测量点坐标；

2)叶片理论设计模型，可以获得理论设计数据信息；

根据设计条件和输入条件，建立如下根据测量数据的叶片进行转接段曲面重构理论方法：

首先，根据叶片零件数模设计方法，在叶片轴线方向获取转接段加工区，即叶身自适应加工区和非加工区过渡截面线，在叶身处划分出转接段曲面重构区，曲面重构区指叶片为了实现光顺转接，将要重新定义的叶片区域，即对应外形发生改变后实现毛坯加工区域光顺转接的区域。模型重构是根据叶片的实际形状和设计尺寸以及允许公差来构造转接段曲面。

即根据测量点获取转接段加工区和非加工区过渡截面实际轮廓位置；其次，结合理论设计模型截面线、公差以及实际轮廓测量点进行重构转接区部分的曲线重构；最后，将重构完成的截面轮廓线和原始设计曲线经放样后得到转接段重构模型。其中，毛坯的实际形状和叶片理论截面线参数的相对位置关系是通过配准模型控制点集与理论模型配准获得的。

实现模型重构的具体方法如下：

1)以叶身转接段过渡曲线L为例，在过渡曲线线L上定义若干测量点d_i，根据d_i获得的实际测量点位置为d′_i，

2)对L进行分段处理，在每个测量点d_i处将L进行分段，并转换为Bézier曲线，根据Bézier曲线的性质，每段曲线将通过理论测量点d_i，根据实际测量点d′_i，按照距离和方向移动d_i和一定影响范围内其余所有控制点，直到L上所有控制点全部按照附近测量点的偏移方向完成移动，从而得到重构后的曲线L‘，

3)按照该算法完成叶身的叶根自适应加工区的其余过渡曲线重构计算。

作为另一种实施方式，还可以通过对叶片转接段过渡区理论模型截面线的IGES格式文件进行解析，获得叶片截面线几何信息；通过调整截面线几何形状，在过渡区实现与测量点位置的一阶连续，从而实现加工区与非加工区域的光顺转接。重构过程包含模型前处理、重构计算和模型后处理。

其中，模前处理过程包含对叶片转接段过渡区域曲面的提取，并获得其他叶身截面曲线集{L_i}(i＝0，1，2……)，将曲线集保存为IGES格式。

模型重构计算部分的算法流程如下：

1)取叶身转接段任意截面曲线L_i，该曲线在IGES模型的表达为一系列NURBS曲线，表达式为

在转接段与叶身的过渡线与L交点定义测量点d_i，根据d_i获得的实际测量点位置为d′_i；

2)调整控制点的位置，使NURBS曲线通过点d′_i；

3)自定义调整范围，按调整邻近范围控制点，达到所需要的光顺程度；该调整范围是根据叶片尺寸和工艺人员的经验确定的。

4)输出调整后的曲线L’为新的IGES格式文件。

对新IGES格式文件进行后处理，结合其余转接段理论曲线，用蒙面算法对曲线集进行曲面拟合，得到的曲面为重构后的转接段加工曲面模型，根据重构曲面模型进行数控编程，实现叶身加工部位和非加工部位的光顺过渡。

本方法的前、后处理操作可在任意CAD平台实现，也可通过独立编写算法实现，重构计算通过独立算法实现，获得的重构模型可直接用于NC程序的生成，重构过程不依赖任何CAD平台，计算结果适用于任何CAM软件的数控编程；重构计算过程不涉及对曲面和实体模型的操作，计算效率较高。根据上述算法，开发自适应加工系统，用于叶片叶身自适应加工曲面重构计算。

叶身自适应加工区的曲面重构完成后，根据重构结果进行数控程序的编制，由于叶片外形各位置曲率变化较大，为了保证叶片外形精确加工到位和表面质量光滑，采用球头铣刀，利用小步距走刀方式完成叶身的数控加工。

前、后缘自适应加工方法

该方法通过对原始的叶片进排气边理论模型截面线的IGES格式文件进行解析，获得叶片前、后缘截面线几何信息；通过调整截面线几何形状，在过渡区实现与测量点位置的一阶连续，并保持该位置与原设计截面线的二阶连续，从而实现加工区与非加工区域的光顺转接。

具体来说，重构过程包含模型前处理、重构计算和模型后处理。前处理过程包含对叶片进排气边加工区域曲面的提取，并获得一定数量的进排气边截面曲线集{L_i}(i＝0，1，2……)，将曲线集保存为IGES格式。

模型重构计算的方法如下：

1)取叶片进排气边任意截面曲线L_i，该曲线在IGES模型的表达为一系列NURBS曲线，表达式为

在前、后缘与叶身的过渡线与L_i交点定义测量点d₀，根据d₀获得的实际测量点位置为d′₀，调整控制点的位置，使NURBS曲线通过点d′₀，并调整相邻控制点d₁的位置，使得p(t)在d′₀点的切线p‘(t₀)与原设计数模保持不变；

2)自定义调整范围，按比例调整控制点d₂至d_m，达到所需要的光顺程度；

3)输出调整后的曲线集{L’_i}(i＝0，1，2……)为新的IGES格式文件。

对新IGES格式文件进行后处理，用蒙面法对曲线集进行曲面拟合，得到的曲面为重构后的前、后缘模型。

前、后缘曲面重构完成后，根据重构结果进行数控程序的编制，由于叶片外形各位置曲率变化较大，为了保证叶片外形精确加工到位和表面质量光滑，采用球头铣刀，利用小步距走刀方式完成前、后缘的数控加工。

前后缘重构用到了叶身重构区的一些位置信息，也就是先完成叶身自适应加工后才能进行前后缘测量和重构，前后缘重构是依赖叶身加工完成后的外形的。

本发明重构计算通过独立开发算法实现，获得的重构模型可以保证叶身加工部位和前、后缘加工部位的光顺过渡，重构结果可直接用于数控加工编程，重构过程不依赖任何CAD平台，计算结果适用于任何CAM软件的数控编程；重构计算过程不涉及对曲面和实体模型的操作，计算效率较高。

本发明可以用于精锻叶片和焊接式整体叶盘上的叶片叶身及前、后缘的自适应加工，可同时满足前、后缘加工位置和非加工区域、叶身加工位置和非加工区域的光顺过渡。

自适应加工的目的是消除加工阶差，本案同时考虑了叶身和前后缘加工要求，并考虑了二者的关联，据查新结果以往的自适应加工并未同时考虑二者关联，自适应加工后可以满足两个部位的光顺过渡。

下面通过实例进一步阐述发明实现过程。

1.测量配准

在叶身选择测量点，在机测量后利用ICP算法进行配准计算，如图8，并根据配准结果偏置加工坐标系。

2.加工理论外形

叶身理论加工区按照理论数模进行数控加工。

3.叶身自适应加工

前处理阶段，对需要光顺转接过渡区域各取2条截面线，在零件形面选取若干点进行外形进行测量，如图9。各取2条截面线是为了保证连续性更好，两端各取一条也没问题，截面线是从理论模型得到的。根据测量信息进行截面线和曲面重构，经过后处理，计算结果如图10。按照重构模型进行加工后，得到如图11所示的理论曲面B和重构曲面C；叶身过渡段通过一次数控铣削实现光顺无接刀过渡，叶身数模重构偏差和加工误差见表1。

表1叶身转接段重构及加工误差

4.前、后缘自适应加工

在前处理过程对叶片进排气边待加工模型进行提取，并获得截面曲线，在机测量后获得实际过渡区位置信息，如图12。将截面曲线保存为IGES格式，根据实际测量点位置，利用重构算法进行计算，得到重构后的截面曲线IGES模型，对重构曲线集进行后处理，获得前、后缘重构曲面模型，用于数控程序生成，如图13。叶片前、后缘工效果，按照重构模型进行加工后，通过一次数控铣削实现加工区和非加工区光顺无接刀过渡，前、后缘数模重构偏差和加工误差见表2。

表2叶片前、后缘重构及加工误差

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)在机测量装夹后叶片的实际形状和位置，并进行理论模型的配准；

2)根据配准后的理论模型加工叶身理论加工区；

3)进行对应的叶根自适应加工区的模型重构，并按照重构后的叶根自适应加工区的模型进行叶身加工；

4)进行叶片前、后缘自适应加工区的模型重构，并按照重构后的叶片前、后缘自适应加工区的模型进行叶身加工。

2.如权利要求1所述的空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，所述的步骤3)中提取理论模型中叶身转接段的截面线，并根据测量信息进行对应的叶根自适应加工区的模型重构。

3.如权利要求1所述的空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，所述的步骤4)中提取理论模型中叶片进排气边处的截面曲线，并根据过渡区实际位置信息进行叶片前、后缘自适应加工区的模型重构。

4.如权利要求2或3所述的空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，所述的步骤3)或步骤4)中，所述的模型重构过程为：将截面曲线保存为IGES格式，根据实际测量点位置，利用重构算法进行计算，得到重构后的截面曲线IGES模型，对重构曲线集进行后处理获得曲面模型。

5.如权利要求2或3所述的空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，所述的步骤4)中模型重构方法为：通过调整截面线几何形状在过渡区实现与测量点位置的一阶连续，并保持该位置与提取的截面线的二阶连续，从而实现加工区与非加工区域的光顺转接。

6.如权利要求2所述的空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，所述的步骤3)中模型重构方法为：

1)取叶身转接段任意截面曲线L_i，该曲线在IGES模型的表达为一系列NURBS曲线，表达式为

2)在转接段与叶身的过渡线与L交点定义测量点d_i，根据d_i获得的实际测量点位置为d′_i；

3)调整控制点的位置，使NURBS曲线通过点d′_i；

4)在预计调整范围，按调整邻近范围控制点，达到预定的光顺程度；

5)输出调整后的曲线L’为新的IGES格式文件；

6)对新IGES格式文件进行后处理，结合其余转接段理论曲线，用蒙面算法对曲线集进行曲面拟合，得到的曲面为重构后的转接段加工曲面模型。

7.如权利要求3所述的空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，所述的步骤4)中叶片前、后缘自适应加工区的模型重构方法为：

1)对叶片进排气边加工区域曲面的提取，并获得预定数量的进排气边截面曲线集{L_i}(i＝0，1，2……)，将曲线集保存为IGES格式；

2)取叶片进排气边任意截面曲线L_i，该曲线在IGES模型的表达为一系列NURBS曲线，表达式为

在前、后缘与叶身的过渡线与L_i交点定义测量点d₀，根据d₀获得的实际测量点位置为d′₀；

3)调整控制点的位置，使NURBS曲线通过点d′₀，并调整相邻控制点d₁的位置，使得p(t)在d′₀点的切线p‘(t₀)与原设计数模保持不变；

4)根据预计调整范围，按比例调整控制点d₂至d_m，达到预定的光顺程度；

5)输出调整后的曲线集{L’_i}(i＝0，1，2……)为新的IGES格式文件；

6)对新IGES格式文件进行后处理，用蒙面法对曲线集进行曲面拟合，得到的曲面为重构后的前、后缘模型。

8.如权利要求6所述的空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，所述的曲线重构方法为：对截面曲线L进行分段处理，在每个测量点d_i处将截面曲线L进行分段，并转换为Bézier曲线，根据Bézier曲线的性质，每段曲线将通过理论测量点d_i，根据实际测量点d_i′，按照距离和方向移动d_i和预定影响范围内其余所有控制点，直到L上所有控制点全部按照附近测量点的偏移方向完成移动，从而得到重构后的曲线L‘。

9.如权利要求8所述的空心叶片的自适应加工方法，其特征在于，Bézier曲线的性质为，

1)Bézier曲线的首末点与特征点的首末点重合；

2)Bézier曲线在首末点处的切线方向与特征多边形第一条边及最后一条边的方向一致。