CN109551307A - 一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于叶片复杂自由曲面抛磨加工领域，提出了一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法。包括以下步骤：S1、利用三坐标测量机分别沿叶片轴流方向和截面线方向沿规划测量路径采集测量点；S2、根据测量点对叶根过渡圆弧区域和叶片前、后缘区域进行识别，然后将叶片型面区域划分为难加工区域、叶盆区域和叶背区域，所述难加工区域包括叶根过渡圆弧区域、前缘区域和后缘区域；S3、通过机器人和可在线更换抛磨头的叶片抛磨机构对叶片进行抛磨。本发明可有效保证叶片的结构设计特征，实现叶片难加工区域和主体加工区域的快速划分，此外，通过在线更换抛磨头，减少了叶片装夹误差，提高了抛磨效率。

Description

一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法

技术领域

本发明属于叶片复杂自由曲面抛磨加工领域，具体涉及一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法。

背景技术

叶片作为飞机发动机的核心零部件，其表面加工质量直接影响发动机的使用寿命和安全性能。由于发动机工作环境恶劣，温度高、转速高、压力大、负荷大，因此对发动机叶片的加工质量要求也越来越严格。发动机叶片型面结构复杂，普遍采用钛合金材料，其成形方法主要包括铣削和锻造。但无论是铣削还是锻造，加工出来的叶片工艺性都较差，需要对叶片表面型面进行抛磨处理。

目前叶片的抛磨方式主要有以下几种：

1、手工抛磨。该方式加工效率低，工人劳动强度大，工作环境差，而且对工人抛磨技术和经验要求高，容易出现失误，造成工件的报废。

2、数控机床加工。该方式加工成本高，工作空间小，自由度低，加工操作繁琐，在同一个机床上完成叶片不同区域的抛磨较难实现。

3、机器人自动化抛磨。该方式主要利用工业机器人进行抛磨加工，具有加工自由度高，工作空间大的特点，更适合于叶片一次性、完整性、自动化的抛磨加工。

为了实现叶片整体型面的完整性加工，中国发明专利ZL 201610933418.7公开了一种叶片打磨机器人工作站及叶片打磨方法，该发明分别采用叶片主体区域打磨砂带机和叶片叶根难加工区域打磨机，实现叶片型面的完整性加工。但是由于多台打磨机参与叶片抛磨加工，增加了控制系统的复杂度，并且由于加工基准之间的转换会导致叶片型面加工质量的不一致性。中国发明专利ZL 201711164886.3公开了一种叶片全特征机器人磨抛装置，分别采用自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构，实现叶片的叶背和叶缘、叶盆、阻尼台和叶根转角位置的磨抛。多种磨抛机构的使用，难以高效、有效实现各工序之间的衔接，降低叶片加工效率。中国发明专利ZL 201710927642.X公开了一种叶片加工多机器人智能协同作业设备，该发明中,多机器人伺服协同控制器根据所需加工工艺要求,可将协同作业工作台与磨削加工机器人、抛光加工机器人、视觉检测机器人进行分时配置,但是该发明所需作业空间大，在砂带磨削过程中，由于砂带宽度固定，使得在加工叶片叶根、前后缘难加工区域时，工具具有不可达性，导致叶片整体型面存在加工质量不一致的问题。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法，实现叶片复杂自由曲面的一次性、完整性、自动化抛磨加工。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法，包括以下步骤：

S1、利用三坐标测量机分别沿叶片轴流方向和截面线方向沿规划测量路径采集测量点；

S2、根据测量点对叶根过渡圆弧区域和叶片前、后缘区域进行识别，然后根据识别结果将叶片型面区域划分为难加工区域、叶盆区域和叶背区域，所述难加工区域包括叶根过渡圆弧区域、前缘区域和后缘区域；

其中，叶根过渡圆弧区域的识别方法具体为：将轴流方向测量点向叶片截面线方向进行投射，分别对轴流方向测量点进行圆弧拟合，依据所得圆弧拟合曲线，计算测量点曲率；依据测量点曲率绘制曲率曲线，曲率曲线上斜率最大点作为过渡圆弧区域和叶片主体加工区域分界关键点位置；依据关键点位置，识别过渡圆弧区域，计算叶根过渡圆弧质心；将位于不同轴流方向测量路径上的叶根过渡圆弧质心进行最小二乘直线拟合，根据最小二乘拟合直线计算各过渡圆弧质心轴流方向坐标值，若最大值与最小值之间的偏差大于一个测量步长，则将最小二乘拟合直线向叶片顶部方向偏移一个过度圆弧半径的距离，作为叶片叶根过渡圆弧区域与叶片主体加工区域的分界线；若最大值与最小值之间的偏差小于一个测量步长，则计算所有过渡圆弧质心轴流方向坐标值的平均值，并将平均值向叶片顶部方向偏移一个过度圆弧半径的距离，作为叶片叶根过渡圆弧区域与叶片主体加工区域的分界线，根据分界线确定出叶根过渡圆弧区域；

前、后缘区域识别的方法具体为：分别对截面线测量点p_i(i＝0,1...n)进行3次B样条曲线拟合，依据所得3次B样条曲线进行求导，计算测量点曲率，当连续三点之间的曲率变化幅度超过预设阈值时，选择发生变化的第一点作为几何关键点位置，并计算获得喉点位置，然后将叶片空间位置一一对应的所有截面线上的三个几何关键点和喉点沿轴流方向进行最小二乘曲线拟合，所得到的最小二乘拟合曲线为叶片前、后缘区域和叶片主体加工区域的分界线，从而确定出叶片前、后缘区域。

S3、叶片抛磨机构和机器人机械臂固定在地面上，卡具通过柔性装置固定在机器人机械臂上，待加工叶片装夹在卡具上，通过机器人机械臂带动叶片靠近叶片抛磨机构上的磨具，对待加工叶片进行区域抛磨加工；当加工区域发生变化时，利用叶片抛磨机构在线更换抛磨头。

所述叶片抛磨机构包括球型抛磨头、盘型抛磨头、柱型抛磨头和锥形抛磨头、抛磨头支撑架、固定主支撑架、丝杠直线滑台、主动锥齿轮和四个从动锥齿轮，主动锥齿轮固定设置在所述丝杠直线滑台上，四个从动锥齿轮分别沿圆周方向设置在抛磨头支撑架内，所述球型抛磨头、盘型抛磨头、柱型抛磨头和锥形抛磨头分别通过轴承设置在所述抛磨头支撑架外，并分别通过转轴与其中一个从动锥齿轮传动连接，所述抛磨头支撑架通过轴承安装在固定主支撑架上。

所述叶片抛磨机构还包括丝杠回转电机、主动锥齿轮电机、支撑架回转电机、支架和底板，所述丝杠回转电机用于驱动所述丝杠直线滑台靠近所述抛磨头支撑架，使所述主动锥齿轮与其中一个锥齿轮啮合，所述主动锥齿轮电机用于驱动所述主动锥齿轮，所述支撑架回转电机用于驱动所述抛磨头支撑架转动，使不同的抛磨头对应的从动锥齿轮与所述主动锥齿轮啮合，所述丝杠直线滑台通过支架固定设置在底板上，所述固定主支撑架()固定设置在所述底板上。

所述步骤S2中，进行3次B样条曲线拟合的拟合公式为：

式中，k为B样条次数，选为3；B_i为控制顶点；N_i,k为标准B样条基函数，参数t_f构成参数集T＝{t₀＝t₁＝···＝t_k-1≤t_k···t_n≤t_n+1＝t_n+2＝···t_n+k}；

3次B样条曲线曲率C_f的计算公式为：

C_f＝||P(t_f)′P(t_f)″||/||P(t_f)′||³；

式中，P(t_f)′为B样条曲线的一阶导数；P(t_f)″为B样条曲线的二阶导数。

所述步骤S2中，前、后缘区域识别时，喉点位置的计算公式为：

其中，ho表示喉点位置到叶片截面边界A点的距离，hb表示叶片截面线弦长，C_L表示切向升力系数，β₁表示进口气流角，β₂表示出口气流角。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.分区域加工充分考虑叶片结构设计特征，对叶片轴流方向上反映叶片动力学性能的关键点和喉点进行识别与拟合，确定叶片各区域的分界线。分区域加工理念既保证了叶片的动力学设计性能，又为叶片型面加工质量一致性提供了理论支撑；

2.本发明通过在可提供回转运动的抛磨头支撑架上安装四个可在线更换的不同形状和尺寸的抛磨头，有效节约了机器人作业空间，降低了控制系统的复杂度；

3.本发明结构简单、紧凑，四个方向实现了抛磨头的分离分布，为叶片抛磨加工提供了充足的工作空间，而且使用不同的抛磨头有效地解决了叶片抛磨加工过程中不同加工区域的表面质量不一致的问题；

4.本发明采用机器人自动化抛磨叶片技术，在线更换抛磨头技术，减少了叶片装夹误差，提高了抛磨效率，实现了叶片型面一次性、完整性，自动化抛磨加工。

附图说明

图1为本发明实施例中叶片轴流方向测量线示意图。

图2为本发明实施例中难加工区域叶根过渡圆弧区域示意图。

图3为本发明实施例中难加工区域(前、后缘区域)和主体加工区域示意图。

图4为叶片截面线结构设计参数示意图。

图5为本发明实施例中抛磨机构正面示意图。

图6为本发明实施例中抛磨机构背面示意图。

图7为本发明叶片抛磨加工装置示意图。

图中：1-球型抛磨头；2-轴；3-四个从动锥齿轮；4-锥形抛磨头；5-主动锥齿轮电机；6-丝杠直线滑台；7-丝杠回转电机；8-支架；9-底板；10-柱型抛磨头；11-固定主支撑架；12-主动锥齿轮；13-盘型抛磨头；14-支撑架回转电机；15-抛磨头支撑架；16-轴承；17-叶片抛磨机构；18-卡具；19-待加工叶片；20-柔性装置；21-机器人机械臂。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法，包括以下步骤：

S1、如图1和2所示，利用三坐标测量机分别沿叶片轴流方向和截面线方向沿规划测量路径采集测量点。其中，沿叶片轴流方向采集的测量点为(x_i,y_i)(i＝0,1...n)；沿截面线采集测量点为p_i(i＝0,1...n)。

S2、根据测量点对叶根过渡圆弧区域和叶片前、后缘区域进行识别，然后根据识别结果将叶片型面区域划分为难加工区域、叶盆区域和叶背区域，所述难加工区域包括叶根过渡圆弧区域、前缘区域和后缘区域。

其中，叶根过渡圆弧区域的识别方法的具体步骤为：

(1)将轴流方向测量点向叶片截面线方向进行投射，分别对轴流方向测量点(x_i,y_i)(i＝0,1...n)进行圆弧拟合，任意三点可确定唯一圆心坐标，其数学表达式为：

ox_i＝(a-b+c)/d； (1)

oyi＝(aa-bb+cc)/-d； (2)

式中：

(2)依据所得圆弧拟合曲线，计算测量点曲率，点(x_{i 1},yi ₁)点处的曲率为：

(3)然后依据测量点曲率绘制曲率曲线，曲率曲线上斜率最大点作为过渡圆弧区域和叶片主体加工区域分界关键点位置；曲率曲线上的斜率计算公式为：

k_i＝(y_i+1-yi)/(x_i+1-x_i)； (5)

(4)依据关键点位置，识别过渡圆弧区域，计算叶根过渡圆弧质心；叶根过渡圆弧质心计算公式为：

式中，n_i为参与计算叶根过渡圆弧质心的测量点个数。

(5)将位于不同轴流方向测量路径上的叶根过渡圆弧质心进行最小二乘直线拟合，其公式为：

fy＝fa*(fx)+fb； (8)

式中：

fy和fx分别为叶根过渡圆弧质心最小二乘直线拟合的纵坐标和横坐标。

(6)根据最小二乘拟合直线计算各过渡圆弧质心轴流方向坐标值，若最大值与最小值之间的偏差大于一个测量步长，则将最小二乘拟合直线向叶片顶部方向偏移一个过度圆弧半径的距离，作为叶片叶根过渡圆弧区域与叶片主体加工区域的分界线；若最大值与最小值之间的偏差小于一个测量步长，则计算所有过渡圆弧质心轴流方向坐标值的平均值，并将平均值向叶片顶部方向偏移一个过度圆弧半径的距离，作为叶片叶根过渡圆弧区域与叶片主体加工区域的分界线，根据分界线确定出叶根过渡圆弧区域。利用最小二乘法可精确快速求得拟合函数值，并使得函数值与实际数值之间的误差平方和最小。

另一方面，前、后缘区域识别的方法的具体步骤为：

(1)分别对截面线测量点p_i(i＝0,1...n)进行3次B样条曲线拟合，其拟合公式为：

式中，k为B样条次数，选为3；B_i为控制顶点；N_i,k为标准B样条基函数，参数t_f构成参数集T＝{t₀＝t₁＝···＝t_k-1≤t_k···t_n≤t_n+1＝t_n+2＝···t_n+k}；

参数t_f确定方法如下：

依据所得3次B样条曲线进行求导，其递推公式为：

式中，d为导数阶数。

(2)依据所得3次B样条曲线进行求导，计算测量点曲率.分别计算d＝1,d＝2时3次B样条曲线的导数，称为一阶导数和二阶导数；将一阶导数和二阶导数带入下式计算3次B样条曲线曲率C_f：

式中，P(t_f)′为B样条曲线的一阶导数；P(t_f)″为B样条曲线的二阶导数。

(3)当连续三点之间的曲率变化幅度超过预设阈值时，选择发生变化的第一点作为几何关键点位置，几何关键点位置如图3所示。其中，几何关键点是指曲率发生突变的点。此外，如图3所示，根据叶片结构设计特征，一条截面线上有3个几何关键点位置和1个喉点位置。几何关键点的位置可以根据曲率变化幅度进行测量，而喉点的位置可以根据以下计算公式进行计算：

其中，ho表示喉点位置到叶面截面边界A点的距离。hb表示叶片截面线弦长，C_L是切向升力系数，β₁是进口气流角，β₂是出口气流角。切向升力系数C_L的范围一般为0.8～1.2，β₁、β₂计算如图4所示。

(4)得到每一条截面上的三个关键点位置和1个喉点位置后，将叶片空间位置一一对应的所有截面线上的三个关键点和喉点沿轴流方向进行最小二乘曲线拟合，其拟合公式为：

满足：最小，求出系数ρa、ρb、ρc，即可以得到最小二乘拟合曲线。所得到的最小二乘拟合曲线为叶片前、后缘区域和叶片主体加工区域的分界线，从而确定出叶片前、后缘区域。

S3、通过机器人和叶片抛磨机构对叶片进行抛磨。

其中，如图5～6所示，所述叶片抛磨机构17包括球型抛磨头1、盘型抛磨头13、柱型抛磨头10和锥形抛磨头4、抛磨头支撑架15、固定主支撑架11、丝杠直线滑台6、主动锥齿轮12和四个从动锥齿轮3，主动锥齿轮12固定设置在所述丝杠直线滑台6上，四个从动锥齿轮3分别沿圆周方向设置在抛磨头支撑架15内，所述球型抛磨头1、盘型抛磨头13、柱型抛磨头10和锥形抛磨头4分别通过轴承设置在所述抛磨头支撑架15外，并分别通过转轴2与其中一个从动锥齿轮3传动连接，所述抛磨头支撑架15通过轴承安装在固定主支撑架(11)上。

进一步地，如图5～6所示，所述叶片抛磨机构17还包括丝杠回转电机7、主动锥齿轮电机3、支撑架回转电机14、支架8和底板9，所述丝杠回转电机7用于驱动所述丝杠直线滑台6靠近所述抛磨头支撑架15，使所述主动锥齿轮12与其中一个锥齿轮3啮合，所述主动锥齿轮电机3用于驱动所述主动锥齿轮12，所述支撑架回转电机14用于驱动所述抛磨头支撑架15转动，使不同的抛磨头对应的从动锥齿轮3与所述主动锥齿轮12啮合，所述丝杠直线滑台6通过支架8固定设置在底板9上，所述固定主支撑架11固定设置在所述底板9上。

其中，从动锥齿轮3中的其中一个与主动锥齿轮12进行齿轮传动，带动四个抛磨头中的其中一个盘型抛磨头13加工叶片。当需要进行在线更换抛磨头时，首先丝杠直线滑台6带动主动锥齿轮电机5沿着导轨向后移动，使得主动锥齿轮12与从动锥齿轮3退出啮合状态。其次电机14带动抛磨头支撑架15做回转运动，从而实现在线更换不同形状和尺寸抛磨头的操作。当所需的柱型抛磨头10转动到特定加工状态下盘型抛磨头13所在位置时，抛磨头支撑架15停止运动，并自锁。最后，丝杠直线滑台6带动主动锥齿轮电机5沿着导轨向前移动，使得主动锥齿轮12与从动锥齿轮3再次进入啮合状态。重复上述过程，实现叶片在线更换抛磨头。

进行抛磨时，如图7所示，叶片抛磨机构17和机器人机械臂21固定在地面上，卡具18通过柔性装置20固定在机器人机械臂21上，待加工叶片19装夹在卡具18上，通过机器人机械臂21带动叶片靠近叶片抛磨机构17上的磨具，对待加工叶片19进行区域抛磨加工；当加工区域发生变化时，利用叶片抛磨机构17在线更换抛磨头。并且在整个叶片抛磨加工过程中柔性装置20始终控制抛磨过程中抛磨力的恒定。最终实现针对不同加工区域，采用不同抛磨头的加工策略，完成待加工叶片19的一次性、完整性、自动化抛磨加工。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用三坐标测量机分别沿叶片轴流方向和截面线方向沿规划测量路径采集测量点；

S2、根据测量点对叶根过渡圆弧区域和叶片前、后缘区域进行识别，然后根据识别结果将叶片型面区域划分为难加工区域、叶盆区域和叶背区域，所述难加工区域包括叶根过渡圆弧区域、前缘区域和后缘区域；

其中，叶根过渡圆弧区域的识别方法具体为：将轴流方向测量点向叶片截面线方向进行投射，分别对轴流方向测量点进行圆弧拟合，依据所得圆弧拟合曲线，计算测量点曲率；依据测量点曲率绘制曲率曲线，曲率曲线上斜率最大点作为过渡圆弧区域和叶片主体加工区域分界关键点位置；依据关键点位置，识别过渡圆弧区域，计算叶根过渡圆弧质心；将位于不同轴流方向测量路径上的叶根过渡圆弧质心进行最小二乘直线拟合，根据最小二乘拟合直线计算各过渡圆弧质心轴流方向坐标值，若最大值与最小值之间的偏差大于一个测量步长，则将最小二乘拟合直线向叶片顶部方向偏移一个过度圆弧半径的距离，作为叶片叶根过渡圆弧区域与叶片主体加工区域的分界线；若最大值与最小值之间的偏差小于一个测量步长，则计算所有过渡圆弧质心轴流方向坐标值的平均值，并将平均值向叶片顶部方向偏移一个过度圆弧半径的距离，作为叶片叶根过渡圆弧区域与叶片主体加工区域的分界线，根据分界线确定出叶根过渡圆弧区域；

前、后缘区域识别的方法具体为：分别对截面线测量点p_i(i＝0,1...n)进行3次B样条曲线拟合，依据所得3次B样条曲线进行求导，计算测量点曲率，当连续三点之间的曲率变化幅度超过预设阈值时，选择发生变化的第一点作为几何关键点位置，并计算获得喉点位置，然后将叶片空间位置一一对应的所有截面线上的三个几何关键点和喉点沿轴流方向进行最小二乘曲线拟合，所得到的最小二乘拟合曲线为叶片前、后缘区域和叶片主体加工区域的分界线，从而确定出叶片前、后缘区域；

S3、叶片抛磨机构(17)和机器人机械臂(21)固定在地面上，卡具(18)通过柔性装置(20)固定在机器人机械臂(21)上，待加工叶片(19)装夹在卡具(18)上，通过机器人机械臂(21)带动叶片靠近叶片抛磨机构(17)上的磨具，对待加工叶片(19)进行区域抛磨加工；当加工区域发生变化时，利用叶片抛磨机构(17)在线更换抛磨头。

2.根据权利要求1所述的一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法，其特征在于，所述叶片抛磨机构(17)包括球型抛磨头(1)、盘型抛磨头(13)、柱型抛磨头(10)和锥形抛磨头(4)、抛磨头支撑架(15)、固定主支撑架(11)、丝杠直线滑台(6)、主动锥齿轮(12)和四个从动锥齿轮(3)，主动锥齿轮(12)固定设置在所述丝杠直线滑台(6)上，四个从动锥齿轮(3)分别沿圆周方向设置在抛磨头支撑架(15)内，所述球型抛磨头(1)、盘型抛磨头(13)、柱型抛磨头(10)和锥形抛磨头(4)分别通过轴承设置在所述抛磨头支撑架(15)外，并分别通过转轴(2)与其中一个从动锥齿轮(3)传动连接，所述抛磨头支撑架(15)通过轴承安装在固定主支撑架(11)上。

3.根据权利要求2所述的一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法，其特征在于，所述叶片抛磨机构(17)还包括丝杠回转电机(7)、主动锥齿轮电机(3)、支撑架回转电机(14)、支架(8)和底板(9)，所述丝杠回转电机(7)用于驱动所述丝杠直线滑台(6)靠近所述抛磨头支撑架(15)，使所述主动锥齿轮(12)与其中一个锥齿轮(3)啮合，所述主动锥齿轮电机(3)用于驱动所述主动锥齿轮(12)，所述支撑架回转电机(14)用于驱动所述抛磨头支撑架(15)转动，使不同的抛磨头对应的从动锥齿轮(3)与所述主动锥齿轮(12)啮合，所述丝杠直线滑台(6)通过支架(8)固定设置在底板(9)上，所述固定主支撑架(11)固定设置在所述底板(9)上。

4.根据权利要求1所述的一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法，其特征在于，所述步骤S2中，进行3次B样条曲线拟合的拟合公式为：

式中，k为B样条次数，选为3；B_i为控制顶点；N_i,k为标准B样条基函数，参数t_f构成参数集T＝{t₀＝t₁＝…＝t_k-1≤t_k…t_n≤t_n+1＝t_n+2＝…t_n+k}；

3次B样条曲线曲率C_f的计算公式为：

C_f＝||P(t_f)′P(t_f)″||/||P(t_f)′||³；

式中，P(t_f)′为B样条曲线的一阶导数；P(t_f)″为B样条曲线的二阶导数。

5.根据权利要求1所述的一种在线更换抛磨头实现机器人分区域抛磨叶片的方法，其特征在于，所述步骤S2中，前、后缘区域识别时，喉点位置的计算公式为：

其中，ho表示喉点位置到叶片截面边界A点的距离，hb表示叶片截面线弦长，C_L表示切向升力系数，β₁表示进口气流角，β₂表示出口气流角。