CN110908333A - 一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法，其特征在于，所述的方法包括，(1)以若干个位于叶片上不同位置的点及各点的余量值为基础，得到初始余量控制点，构建初始余量控制点网格；(2)通过对初始余量控制点进行预处理，采用光顺过渡的方法，获得叶片上任意非余量控制点处的余量。本申请的一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法，在不需要修改原始模型的情况下实现精加工任意位置非恒定误差刀位便捷补偿方法。有效解决了整体叶盘类零件采用恒定余量补偿误差，难以有效补偿非恒定的误差；或根据误差分布采用修改原始模型的方式进行误差补偿，导致编程周期长、对编程人员要求高且编程复杂，难以普遍采用的问题。

Description

一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法

技术领域

本申请涉及航空发动机整体叶盘数控铣削加工制造技术，尤其涉及一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法。

背景技术

叶盘类零件是航空航天发动机的核心部件，整体式叶盘零件可以提高发动机的气动性能和工作可靠性，针对该类零件国内外广泛采用多轴数控铣削加工。整体叶盘类零件加工精度高、加工时易变形，容易导致最终成型表面存在较大误差。为了达到严格的精度，应当避免产生或减小加工误差，提高产品合格率。

加工成型表面误差主来自于：加工中由于刚度不足叶片或刀具存在变形、刀具磨损。随着加工过程的进行，材料被逐渐去除，加工系统的刚度也会逐渐发生变化，刀具磨损逐渐加大。因此产生的误差一般不是恒定或接近恒定的，而是在叶片上的不同部位具有不同的误差。

目前，针对整体叶盘类零件五轴数控铣削加工误差补偿方法大致有三种，方法1，是恒定余量补偿，恒定余量无法补偿叶片上不同部位的不同误差值；方法2，在流道之间加入填充物(如橡皮泥)，以提高叶片加工时刚度从而减小变形、减小误差，但无法消除刀具磨损、刀具变形引起的误差；方法3，根据误差分布反向修改原始模型，对原始几何模型预先反向变形，起到反向补偿作用，然后根据修改后的模型重新生成刀路完成加工。

采用恒定余量补偿是，难以有效补偿非恒定的误差。通过在流道之间添加填充物的方式，虽然可以一定程度上避免加工误差，但需要额外的辅助材料及加工步骤，降低了加工效率，且难以补偿所有误差。通过修改原始模型根据试验误差分布预先反向补偿的方法，导致编程周期长、对编程人员要求高且编程复杂，难以普遍采用。

发明内容

本申请要解决的技术问题是提供一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法。

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法，其特征在于，所述的方法包括，(1)以若干个位于叶片上不同位置的点及各点的余量值为基础，得到初始余量控制点，构建初始余量控制点网格；(2)通过对初始余量控制点进行预处理，采用光顺过渡的方法，获得叶片上任意非余量控制点处的余量。

优选地，所述的步骤(1)具体为，

(1.1)定义位于叶片曲面上的任意一点的位置与该点的余量值的组合为余量控制点，通过在叶片上设置有限个余量控制点，并在这些控制点之间光滑变化余量来实现对叶片上任意点非恒定余量补偿；

(1.2)定义叶片的两个参数方向分别为U、V，参数定义域为u∈[0,1],v∈[0,1]，定义一个余量控制点表示为Q(u,v,C)，其中u、v表示控制点的位置，C表示控制点的余量；

(1.3)在参数空间内，求解所有余量控制点的凸包得到凸多边形，定义该凸多边形为L(P₀,P₁,…,P_n-1)，其中(P₀,P₁,…,P_n-1)表示凸多边形的n个顶点，在凸多边形内部以所有余量控制点为顶点划分三角形，定义该三角网格区域为A，区域A是矩形参数域的一个子区域。

优选地，所述的步骤(2)具体为，

(2.1)对步骤(1)中所得的每个三角片，定义三角形内部任意一点的余量值函数为S＝f(u,v)，S表示一个自由曲面，该曲面的参数域是三角形所在的参数范围，定义该曲面为变余量曲面；

(2.2)采用以下步骤求解三角形内部每个点的余量值，设任意一点P(u,v)，在参数域内判断点P的位置：

a.当点恰好位于某个三角形的顶点时，则P点的余量值与该顶点的余量值相同；

b.当点P恰好位于三角形的某条边上时，设边的两个顶点为T₁,T₂，对应的余量值分别为C₁,C₂，定义点P在该边上的位置参数为

其中|T₁P|表示边长，那么定义P点的余量值C_P通过以下公式计算：

c.当P点位于三角形T(T₁,T₂,T₃)内部时，其中T₁,T₂,T₃分别为三角形的三个顶点，设三个点对应的余量值分别是(C₁,C₂,C₃)，做垂直于坐标轴U的直线使通点(u,0)，假定直线与三角形的边T₁T₃相交与E点、与边T₁T₂相交与D点，在边T₁T₃上，计算E点所在的位置参数为

根据步骤(2).b中的公式确定E点余量值C_E；同样地在边T₁T₂上，计算D点的位置参数

根据步骤(2).b中的公式确定D点的余量值C_D；然后在边ED上，确定P点的位置参数

根据步骤b中的公式确定P点余量值为C_P；

d.当P点位于凸多边形区域之外时，通过计算点与到凸多边形每条边的距离，找到距离P最小的一条边，设最近边为T₁T₂，两个顶点对应的余量值为C₁C₂，计算点P在T₁T₂上最近点P’，当P’与T₁重合时，P’的余量为C₁；当P’与T₂重合时，P’的余量为C₂；当P’位于线段两个端点之间时，计算P的位置参数

然后根据步骤b中公式计算得到P’的余量为C_P’，并使P与P’两点余量相同，即P点余量为C_P＝C_P’。

优选地，当叶片的V向是周期时，所述的方法还包括，步骤(3)，当叶片的V向是周期时，在初始有限个余量控制点的基础上，自动生成位于V＝1直线上的若干个额外控制点，原参数空间上方原样复制一个参数域及其中的所有控制点。

优选地，额外控制点的生成步骤包括：

a.找到凸多边形顶点在U方向上的u最大值点P₁与u最小值点P₂，两点满足以下关系：

b.从两个最值点P₁,P₂处将凸多边形分割为上下两部分，分别记为L_up,L_down；

c.将L_down沿V轴的正方向平移距离1，得到L′_down；

d.由L_up与L′_down将得到一个新的非凸多边形区域；

e.添加额外的控制点,算法步骤如下：

e.1.将上下点序分别记为U(U₁,U₂,…,U_n),D(D₁,D₂,…,D_m)，其中n,m分别上下点序的点数；

e.2.分别对上下点序U,D按分量u参数由小到大排序，使得满足U_i.u<U_i+1.u,D_j.u<D_j+1.u，其中i,j为索引；

e.3.初始化i＝1,j＝1；

e.4.IF i>n And j>m，THEN跳转e.13，ELSE跳转e.5；

e.5.IF U_i.u<D_i.u，THEN跳转e.6；ELSE跳转e.8；

e.6.调用LinkAndInsert子过程，连接U_iD_j-1，并插入新点；

e.7.i＝i+1，跳转e.4；

e.8.IF U_i.u>D_i.u，THEN跳转e.9；ELSE跳转e.11；

e.9.调用LinkAndInsert子过程，连接U_i-1D_j，并插入新点；

e.10.j＝j+1，跳转e.4；

e.11.基于Delaunay剖分准则剖分四边形U_i-1U_iD_jD_j-1；

e.12.i＝i+1,j＝j+1，跳转e.4；

e.13.结束；

f.在步骤e.6、e9中，中，设待连接的两个点为L₁L₂，对应的余量值为C₁C₂，计算线段与L₁L₂与直线V＝1的交点为L₀，计算L₀在线段L₁L₂上的位置参数

然后根据步骤(2).b中的公式,

计算交点的余量值为

进而得到新的额外控制点

组合初始控制点与额外控制点得到新的控制点，重复步骤(1)和(2)，确定整个参数域内任意一点的余量值。

本申请的一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法，在不需要修改原始模型的情况下实现精加工任意位置非恒定误差刀位便捷补偿方法。有效解决了整体叶盘类零件采用恒定余量补偿误差，难以有效补偿非恒定的误差；或根据误差分布采用修改原始模型的方式进行误差补偿，导致编程周期长、对编程人员要求高且编程复杂，难以普遍采用的问题。

本申请的整体叶盘变余量刀位补偿方法将广泛应用于整体叶盘类零件的叶片精加工中，对于在加工中因加工变形、刀具磨损等因素导致的加工误差，可通过变余量补偿的方式在不同的误差区域应用不同余量补偿值得到有效解决，且可以避免对原始模型的修改。实践证明该项技术是航空发动机整体叶盘叶片成型的关键技术，在提高叶片的加工精度及表面质量方面效果显著，并且产生了巨大的经济效益。

附图说明

图1是本发明叶片曲面及其UV方向示意图；

图2为本发明参数域内控制点凸多边形L及控制点三角形区域A；

图3为本发明求位于三角形T₁T₂T₃内部的点P的余量值示意图；

图4为本发明添加额外控制点算法流程图；

图5为本发明一个三角形对应的变余量曲面示意图；

图6本发明控制点区域周期化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本申请并能予以实施，但所举实施例不作为对本申请的限定。

本申请的一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法，以若干个位于叶片上不同位置的点及各点的余量值为基础，得到初始余量控制点，通过对初始余量控制点进行预处理，预处理过程可采用但不局限于网格化方法，并采用一种光顺过渡的方法，在获得叶片上任意非余量控制点处的余量的同时，可保证余量变化在整个叶片上光滑、光顺，不存在突变。

可包括以下步骤：

(1)初始控制点网格

定义位于叶片曲面上的某个点的位置与该点的余量值的组合为余量控制点。通过在叶片上设置有限个余量控制点，并在这些控制点之间光滑变化余量来实现对叶片上任意点非恒定余量补偿。定义叶片的两个参数方向分别为U、V，参数定义域为u∈[0,1],v∈[0,1]，定义一个余量控制点表示为Q(u,v,C)，其中u、v表示控制点的位置，C表示控制点的余量。

在参数空间内，求解所有控制点的凸包得到凸多边形，定义该凸多边形为L(P₀,P₁,…,P_n-1)，其中(P₀,P₁,…,P_n-1)表示凸多边形的n个顶点。在凸多边形内部以所有控制点为顶点划分三角形，定义该三角网格区域为A。区域A是矩形参数域的一个子区域。

(2).参数域内任意点的余量

对步骤(1)中所得的每个三角片，定义三角形内部任意一点的余量值函数为S＝f(u,v)，S可表示一个自由曲面，该曲面的参数域是三角形所在的参数范围，定义该曲面为变余量曲面。为了使余量值在每个三角形内部以及与相邻三角形的衔接处光滑过渡，采用以下步骤求解三角形内部每个点的余量值。设任意一点P(u,v)，在参数域内判断点P的位置：

a.当点恰好位于某个三角形的顶点时，则P点的余量值与该顶点的余量值相同；

b.当点P恰好位于三角形的某条边上时，设边的两个顶点为T₁,T₂，对应的余量值分别为C₁,C₂，定义点P在该边上的位置参数为

其中|T₁P|表示边长。那么定义P点的余量值C_P通过以下公式计算：

c.当P点位于三角形T(T₁,T₂,T₃)内部时，其中T₁,T₂,T₃分别为三角形的三个顶点，设三个点对应的余量值分别是(C₁,C₂,C₃)。做垂直于坐标轴U的直线使通点(u,0)，假定直线与三角形的边T₁T₃相交与E点、与边T₁T₂相交与D点(注意当直线与三角形的边相交状态不是该假定时，处理情况类似)。在边T₁T₃上，计算E点所在的位置参数为

根据步骤b中的公式确定E点余量值C_E；同样地在边T₁T₂上，计算D点的位置参数

根据步骤b中的公式确定D点的余量值C_D；然后在边ED上，确定P点的位置参数

根据不走b中的公式确定P点余量值为C_P。

d.当P点位于凸多边形区域之外时，通过计算点与到凸多边形每条边的距离，找到距离P最小的一条边，设最近边为T₁T₂，两个顶点对应的余量值为C₁C₂，计算点P在T₁T₂上最近点P’。当P’与T₁重合时，P’的余量为C₁；当P’与T₂重合时，P’的余量为C₂；当P’位于线段两个端点之间时，计算P的位置参数

然后根据步骤b中公式计算得到P’的余量为C_P’，并使P与P’两点余量相同，即P点余量为C_P＝C_P’。

(3)控制点区域周期化

当叶片的V向是周期时，为了保证V向变余量连续，由于V＝0与V＝1两条等参数线在叶片曲面上是重合的，因此必须保证在参数域内这两条曲线上的余量值必须相等。在初始有限个余量控制点的基础上，将自动生成位于V＝1直线上的若干个额外控制点，为了使V向封闭，在原参数空间上方原样复制一个参数域及其中的所有控制点。额外控制点的生成步骤包括：

a.找到凸多边形顶点在U方向上的u最大值点P₁与u最小值点P₂，两点满足以下关系：

b.从两个最值点P₁,P₂处将凸多边形分割为上下两部分，分别记为L_up,L_down；

c.将L_down沿V轴的正方向平移距离1，得到L′_down；

d.由L_up与L′_down将得到一个新的非凸多边形区域；

e.按图4所示算法添加额外的控制点；图4算法步骤描述如下：

e.1将上下点序分别记为U(U₁,U₂,…,U_n),D(D₁,D₂,…,D_m)，其中n,m分别上下点序的点数；

e.2分别对上下点序U,D按分量u参数由小到大排序，使得满足U_i.u<U_i+1.u,D_j.u<D_j+1.u，其中i,j为索引；

e.3初始化i＝1,j＝1；

e.4IF i>n And j>m，THEN跳转e.13，ELSE跳转e.5；

e.5IF U_i.u<D_i.u，THEN跳转e.6；ELSE跳转e.8；

e.6调用LinkAndInsert子过程，连接U_iD_j-1，并插入新点；

e.7i＝i+1，跳转e.4；

e.8IF U_i.u>D_i.u，THEN跳转e.9；ELSE跳转e.11；

e.9调用LinkAndInsert子过程，连接U_i-1D_j，并插入新点；

e.10j＝j+1，跳转e.4；

e.11基于Delaunay剖分准则剖分四边形U_i-1U_iD_jD_j-1；

e.12i＝i+1,j＝j+1，跳转e.4；

e.13结束。

f.在图4中的LinkAndInsert步骤，设待连接的两个点为L₁L₂，对应的余量值为C₁C₂，计算线段与L₁L₂与直线V＝1的交点为L₀，计算L₀在线段L₁L₂上的位置参数

然后根据步骤(2).b中的公式

计算交点的余量值为

进而得到新的额外控制点

组合初始控制点与额外控制点得到新的控制点，根据步骤(1)得到的凸多边形区域将是一个矩形，同样根据步骤(2)描述的方法可确定整个参数域内任意一点的余量值。

实施实例提供一种变余量刀位补偿的使用方法。具体操作为：

1.设置主叶片、左右相邻叶片、围带、轮毂的加工余量和在前后缘位置的扩展量

2.添加一个叶片精加工策略，勾选变余量复选框，并打开变余量对话框，在3D视图中的叶片曲面上，由用户通过鼠标点击或在界面中输入的方式确定若干个控制点，然后在交互界面中输入每个控制点的余量值。

3.计算刀位点时，每个刀位点到叶片的距离为刀具半径与对应的切触点处余量之和，位于叶片上的切触点的余量值由本发明所提供的变余量补偿方法确定。

4.计算刀路，即可得到变余量补偿之后的刀路。

以上所述实施例仅是为充分说明本申请而所举的较佳的实施例，本申请的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本申请基础上所作的等同替代或变换，均在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种整体叶盘类零件叶片变余量刀位补偿方法，其特征在于，所述的方法包括，(1)以若干个位于叶片上不同位置的点及各点的余量值为基础，得到初始余量控制点，构建初始余量控制点网格；(2)通过对初始余量控制点进行预处理，采用光顺过渡的方法，获得叶片上任意非余量控制点处的余量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体为，

(1.1)定义位于叶片曲面上的任意一点的位置与该点的余量值的组合为余量控制点，通过在叶片上设置有限个余量控制点，并在这些控制点之间光滑变化余量来实现对叶片上任意点非恒定余量补偿；

(1.2)定义叶片的两个参数方向分别为U、V，参数定义域为u∈[0,1],v∈[0,1]，定义一个余量控制点表示为Q(u,v,C)，其中u、v表示控制点的位置，C表示控制点的余量；

(1.3)在参数空间内，求解所有余量控制点的凸包得到凸多边形，定义该凸多边形为L(P₀,P₁,…,P_n-1)，其中(P₀,P₁,…,P_n-1)表示凸多边形的n个顶点，在凸多边形内部以所有余量控制点为顶点划分三角形，定义该三角网格区域为A，区域A是矩形参数域的一个子区域。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为，

(2.1)对步骤(1)中所得的每个三角片，定义三角形内部任意一点的余量值函数为S＝f(u,v)，S表示一个自由曲面，该曲面的参数域是三角形所在的参数范围，定义该曲面为变余量曲面；

(2.2)采用以下步骤求解三角形内部每个点的余量值，设任意一点P(u,v)，在参数域内判断点P的位置：

a.当点恰好位于某个三角形的顶点时，则P点的余量值与该顶点的余量值相同；

b.当点P恰好位于三角形的某条边上时，设边的两个顶点为T₁,T₂，对应的余量值分别为C₁,C₂，定义点P在该边上的位置参数为

其中|T₁P|表示边长，那么定义P点的余量值C_P通过以下公式计算：

c.当P点位于三角形T(T₁,T₂,T₃)内部时，其中T₁,T₂,T₃分别为三角形的三个顶点，设三个点对应的余量值分别是(C₁,C₂,C₃)，做垂直于坐标轴U的直线使通点(u,0)，假定直线与三角形的边T₁T₃相交与E点、与边T₁T₂相交与D点，在边T₁T₃上，计算E点所在的位置参数为

根据步骤(2).b中的公式确定E点余量值C_E；同样地在边T₁T₂上，计算D点的位置参数

根据步骤(2).b中的公式确定D点的余量值C_D；然后在边ED上，确定P点的位置参数

根据步骤b中的公式确定P点余量值为C_P；

d.当P点位于凸多边形区域之外时，通过计算点与到凸多边形每条边的距离，找到距离P最小的一条边，设最近边为T₁T₂，两个顶点对应的余量值为C₁C₂，计算点P在T₁T₂上最近点P’，当P’与T₁重合时，P’的余量为C₁；当P’与T₂重合时，P’的余量为C₂；当P’位于线段两个端点之间时，计算P的位置参数

然后根据步骤b中公式计算得到P’的余量为C_P’，并使P与P’两点余量相同，即P点余量为C_P＝C_P’。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当叶片的V向是周期时，所述的方法还包括，步骤(3)，当叶片的V向是周期时，在初始有限个余量控制点的基础上，自动生成位于V＝1直线上的若干个额外控制点，原参数空间上方原样复制一个参数域及其中的所有控制点。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，额外控制点的生成步骤包括：

a.找到凸多边形顶点在U方向上的u最大值点P₁与u最小值点P₂，两点满足以下关系：

b.从两个最值点P₁,P₂处将凸多边形分割为上下两部分，分别记为L_up,L_down；

c.将L_down沿V轴的正方向平移距离1，得到L′_down；

d.由L_up与L′_down将得到一个新的非凸多边形区域；

e.添加额外的控制点,算法步骤如下：

e.1.将上下点序分别记为U(U₁,U₂,…,U_n),D(D₁,D₂,…,D_m)，其中n,m分别上下点序的点数；

e.2.分别对上下点序U,D按分量u参数由小到大排序，使得满足U_i.u<U_i+1.u,D_j.u<D_{j+ 1}.u，其中i,j为索引；

e.3.初始化i＝1,j＝1；

e.4.IFi>n And j>m，THEN跳转e.13，ELSE跳转e.5；

e.5.IF U_i.u<D_i.u，THEN跳转e.6；ELSE跳转e.8；

e.6.调用LinkAndInsert子过程，连接U_iD_j-1，并插入新点；

e.7.i＝i+1，跳转e.4；

e.8.IF U_i.u>D_i.u，THEN跳转e.9；ELSE跳转e.11；

e.9.调用LinkAndInsert子过程，连接U_i-1D_j，并插入新点；

e.10.j＝j+1，跳转e.4；

e.11.基于Delaunay剖分准则剖分四边形U_i-1U_iD_jD_j-1；

e.12.i＝i+1,j＝j+1，跳转e.4；

e.13.结束；

f.在步骤e.6、e9中，设待连接的两个点为L₁L₂，对应的余量值为C₁C₂，计算线段与L₁L₂与直线V＝1的交点为L₀，计算L₀在线段L₁L₂上的位置参数

然后根据步骤(2).b中的公式

计算交点的余量值为

进而得到新的额外控制点

组合初始控制点与额外控制点得到新的控制点，重复步骤(1)和(2)，确定整个参数域内任意一点的余量值。

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