CN111125839A - 一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法。首先基于在机检测获得损伤叶尖相邻区域测量信息；然后建立测量信息与理论模型之间的误差曲线信息；最后，基于误差曲线信息修改理论刀轨，进行后续修复加工。本发明无需复杂的曲面重构，大幅度提高数据处理效率，可用于现场实时修复，并且有效延长涡轮叶片的使用寿命，降低叶片每小时使用费用，提高经济效益。

Description

一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片修复领域，具体地说是一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法。

背景技术

涡轮叶片对航空发动机的气动性能起着极其重要的作用，由于原材料和制造成本的不断增加，对损伤的涡轮叶片的修复对航空航天工业具有重要意义，目前国内航空发动机制造厂由于缺少部件的修复技术，对于受损叶片只能直接更换，大大增加了运行和维护成本。因此对受损叶片部件进行再制造修复是一个亟需攻克的难题，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明提出一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法，首先，基于在机检测获得损伤叶片叶尖相邻区域测量信息，然后建立测量信息与理论模型信息之间的误差曲线信息，最后基于误差曲线信息修改理论刀轨，进行后续修复加工，具体方案如下：

一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法，具体步骤如下：

步骤1：待服役涡轮叶尖损伤区域经过融覆、堆焊方式填充后，通过在线机内测头获取叶尖损伤邻近区域的测量信息P_a；

步骤2：利用三维建模软件建立服役涡轮叶片叶尖修复前的理论模型信息P_n；

步骤3：用公式(1)中的数据配准目前函数minE建立测量信息P_a和理论模型信息P_n之间的空间变换关系，所述空间变换关系包括旋转矩阵R和平移矩阵T，在所述空间变换关系下利用公式(2)计算测量信息P_a和理论模型信息P_n之间的误差ε，利用公式(3)建立误差曲线函数P(u)：

minE＝∑||P_a-(R·P_n+T)||² (1)

ε＝|P_a-P_n| (2)

P(u)＝∑ε·N(u) (3)

式中，N(u)表示误差曲线函数P(u)的伯恩斯坦基函数，ε表示测量信息P_a与理论模型信息P_n之间的误差值；

步骤4：依据理论模型信息P_n生成加工刀轨CLSF文件，所述CLSF文件中包含理论刀位点Pⁿ＝(P_x ⁿ,P_y ⁿ,P_z ⁿ)^T、理论刀轴矢量Vⁿ＝(V_x ⁿ,V_y ⁿ,V_y ⁿ)^T，定义刀轨修正后刀位点为P^m＝(P_x ^m,P_y ^m,P_z ^m)^T，刀轨修正后刀轴矢量为V^m＝(V_x ^m,V_y ^m,V_y ^m)^T，则修正后刀轨表示为：

式中，(δ_x ⁿ,δ_y ⁿ,δ_z ⁿ)^T表示在XYZ方向的分量，n表示刀位点的数量标识；

步骤5：利用修正后的刀轨进行涡轮叶片叶尖损伤区域的数控加工。

所述的步骤3中的用公式(1)中的数据配准目前函数minE建立测量信息P_a和理论模型信息P_n之间的空间变换关系，具体构建过程采用ICP配准算法，表述为：

3.1)计算测量信息P_a点集的重心位置坐标C_a＝(C_a ^x,C_a ^y,C_a ^z)，以及理论模型信息P_n点集的重心位置坐标C_a＝(C_b ^x,C_b ^y,C_b ^z)，并进行点集中心化生成新的点集，其中，C_a ^x表示P_a点集中所有点的X值坐标的均值，C_a ^y表示P_a点集中所有点的Y值坐标的均值，C_a ^z表示P_a点集中所有点的Z值坐标的均值，C_b ^x表示P_n点集中所有点的X值坐标的均值，C_b ^y表示P_n点集中所有点的Y值坐标的均值，C_b ^z表示P_n点集中所有点的Z值坐标的均值；

3.2)根据得到的新的点集计算正定矩阵N，并计算N的最大特征值及其最大特征向量；

3.3)计算出最大特征向量等价于残差平方和最小时的旋转四元数，然后根据旋转四元数转换为旋转矩阵R；

3.4)确定出平移矩阵T＝(C_a ^x-C_b ^x,C_a ^y-C_b ^y,C_a ^z-C_b ^z)。

本发明的有益效果是：

本发明可实现涡轮叶片叶尖损伤区域的在机修复加工，1)无需复杂的曲面重构，大幅度提高数据处理效率，可用于现场实时修复；2)显著提高涡轮叶片的使用寿命，降低叶片每小时使用费用，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明中的用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法流程图。

图2为本发明中的涡轮叶片测量信息、模型信息、误差信息示意图。

图3为本发明中的涡轮叶片刀轨修正刀位、刀轴信息示意图。

图4为本发明中的服役涡轮叶片叶尖修复模型示意图。

具体实施方式

下面是结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法，具体步骤如下：

步骤1：待服役涡轮叶片叶尖损伤区域经过融覆、堆焊方式填充后，通过在线机内测头获取叶尖损伤邻近区域的测量信息P_a；

步骤2：利用UG建立服役涡轮叶片叶尖修复前的理论模型信息P_n，根据测量信息P_a建立的理论模型信息P_n如图2所示；

步骤3：如图2、图3所示，用公式(1)中的数据配准目前函数minE建立测量信息P_a和理论模型信息P_n之间的空间变换关系，所述空间变换关系包括旋转矩阵R和平移矩阵T，在所述空间变换关系下利用公式(2)计算测量信息P_a和理论模型信息P_n之间的误差ε，利用公式(3)建立误差曲线函数P(u)：

min E＝∑||P_a-(R·P_n+T)||² (1)

ε＝|P_a-P_n| (2)

P(u)＝∑ε·N(u) (3)

式中，N(u)表示误差曲线函数P(u)的伯恩斯坦基函数，ε表示测量信息P_a与理论模型信息P_n之间的误差值；

空间变换关系的具体构建过程采用ICP配准算法，具体构建过程采用ICP配准算法，表述为：

3.1)计算测量信息P_a点集的重心位置坐标C_a＝(C_a ^x,C_a ^y,C_a ^z)，以及理论模型信息P_n点集的重心位置坐标C_a＝(C_b ^x,C_b ^y,C_b ^z)，并进行点集中心化生成新的点集，其中，C_a ^x表示P_a点集中所有点的X值坐标的均值，C_a ^y表示P_a点集中所有点的Y值坐标的均值，C_a ^z表示P_a点集中所有点的Z值坐标的均值，C_b ^x表示P_n点集中所有点的X值坐标的均值，C_b ^y表示P_n点集中所有点的Y值坐标的均值，C_b ^z表示P_n点集中所有点的Z值坐标的均值；

3.2)根据得到的新的点集计算正定矩阵N，并计算N的最大特征值及其最大特征向量；

3.3)计算出最大特征向量等价于残差平方和最小时的旋转四元数，然后根据旋转四元数转换为旋转矩阵R；

3.4)确定出平移矩阵T＝(C_a ^x-C_b ^x,C_a ^y-C_b ^y,C_a ^z-C_b ^z)；

步骤4：依据理论模型信息P_n生成加工刀轨CLSF文件，所述CLSF文件中包含理论刀位点Pⁿ＝(P_x ⁿ,P_y ⁿ,P_z ⁿ)^T、理论刀轴矢量Vⁿ＝(V_x ⁿ,V_y ⁿ,V_y ⁿ)^T，定义刀轨修正后刀位点为P^m＝(P_x ^m,P_y ^m,P_z ^m)^T，刀轨修正后刀轴矢量为V^m＝(V_x ^m,V_y ^m,V_y ^m)^T，则修正后刀轨表示为：

式中，(δ_x ⁿ,δ_y ⁿ,δ_z ⁿ)^T表示在XYZ方向的分量，n表示刀位点的数量标识；

步骤5：利用修正后的刀轨进行涡轮叶片叶尖损伤区域的数控加工，如打磨、抛光去除余量，从而实现精密部件完整修复。

本实施例中服役涡轮叶片叶尖修复模型如图4所述，根据该服役涡轮叶片的理论模型信息P_n生成的加工刀轨CLSF文件(P_x ⁿ,P_y ⁿ,P_z ⁿ，V_x ⁿ,V_y ⁿ,V_z ⁿ)^T如下所示：

GOTO/-16.0487,22.1229,148.5536,0.0769478,0.1924117,0.9782928

$$-17.0739,16.3240,151.1477

GOTO/-16.6207,22.2116,148.5398,0.0741527,0.1968376,0.9776279

$$-17.4281,16.3848,151.1481

GOTO/-17.1940,22.2795,148.5263,0.0712203,0.2012477,0.9769478

$$-17.8101,16.4357,151.1486

GOTO/-17.7683,22.3264,148.5131,0.0681493,0.2056452,0.9762509

$$-18.1423,16.4681,151.1490

GOTO/-18.3430,22.3526,148.5002,0.0649440,0.2100107,0.9755397

$$-18.5007,16.4905,151.1495

利用上述技术方案得到的修正后刀轨CLSF文件(P_x ^m,P_y ^m,P_z ^m，V_x ^m,V_y ^m,V_z ^m)^T如下所示：

GOTO/-16.055349,22.275100,148.513408,0.077703,0.193704,0.977978

GOTO/-16.630387,22.366208,148.499412,0.074913,0.198132,0.977308

GOTO/-17.207029,22.436826,148.485680,0.071986,0.202545,0.976624

GOTO/-17.784307,22.486371,148.472294,0.068920,0.206945,0.975922

GOTO/-18.362344,22.515627,148.459155,0.065719,0.211314,0.975206

Claims (2)

1.一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：待服役涡轮叶尖损伤区域经过融覆、堆焊方式填充后，通过在线机内测头获取叶尖损伤邻近区域的测量信息P_a；

步骤2：利用三维建模软件建立服役涡轮叶片叶尖修复前的理论模型信息P_n；

步骤3：用公式(1)中的数据配准目前函数minE建立测量信息P_a和理论模型信息P_n之间的空间变换关系，所述空间变换关系包括旋转矩阵R和平移矩阵T，在所述空间变换关系下利用公式(2)计算测量信息P_a和理论模型信息P_n之间的误差ε，利用公式(3)建立误差曲线函数P(u)：

minE＝∑||P_a-(R·P_n+T)||² (1)

ε＝|P_a-P_n| (2)

P(u)＝∑ε·N(u) (3)

式中，N(u)表示误差曲线函数P(u)的伯恩斯坦基函数，ε表示测量信息P_a与理论模型信息P_n之间的误差值；

步骤4：依据理论模型信息P_n生成加工刀轨CLSF文件，所述CLSF文件中包含理论刀位点Pⁿ＝(P_x ⁿ,P_y ⁿ,P_z ⁿ)^T、理论刀轴矢量Vⁿ＝(V_x ⁿ,V_y ⁿ,V_y ⁿ)^T，定义刀轨修正后刀位点为P^m＝(P_x ^m,P_y ^m,P_z ^m)^T，刀轨修正后刀轴矢量为V^m＝(V_x ^m,V_y ^m,V_y ^m)^T，则修正后刀轨表示为：

式中，(δ_x ⁿ,δ_y ⁿ,δ_z ⁿ)^T表示在XYZ方向的分量，n表示刀位点的数量标识；

步骤5：利用修正后的刀轨进行涡轮叶片叶尖损伤区域的数控加工。

2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法，其特征在于，所述的步骤3中的用公式(1)中的数据配准目前函数min E建立测量信息P_a和理论模型信息P_n之间的空间变换关系，具体构建过程采用ICP配准算法，表述为：

3.1)计算测量信息P_a点集的重心位置坐标C_a＝(C_a ^x,C_a ^y,C_a ^z)，以及理论模型信息P_n点集的重心位置坐标C_a＝(C_b ^x,C_b ^y,C_b ^z)，并进行点集中心化生成新的点集，其中，C_a ^x表示P_a点集中所有点的X值坐标的均值，C_a ^y表示P_a点集中所有点的Y值坐标的均值，C_a ^z表示P_a点集中所有点的Z值坐标的均值，C_b ^x表示P_n点集中所有点的X值坐标的均值，C_b ^y表示P_n点集中所有点的Y值坐标的均值，C_b ^z表示P_n点集中所有点的Z值坐标的均值；

3.2)根据得到的新的点集计算正定矩阵N，并计算N的最大特征值及其最大特征向量；

3.3)计算出最大特征向量等价于残差平方和最小时的旋转四元数，然后根据旋转四元数转换为旋转矩阵R；

3.4)确定出平移矩阵T＝(C_a ^x-C_b ^x,C_a ^y-C_b ^y,C_a ^z-C_b ^z)。

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