CN111958074B - 一种涡轮叶片气膜孔自适应定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片气膜孔自适应定位方法，所述涡轮叶片气膜孔自适应定位方法包括：设定气膜孔加工机床的理想工件坐标系，根据重建几何模型获取涡轮叶片的真实工件坐标系，调整真实工件坐标系与理想工件坐标系重合，得出重建附壁倾角和涡轮叶片在设计模型中气膜孔的附壁倾角误差，根据附壁倾角误差驱动气膜孔加工机床的数控系统定位。根据本发明的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法，通过获取实现真实涡轮叶片的气膜孔的空间位置误差补偿和气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差补偿，由数控系统自动化实现自适应定位，补偿了宏观上气膜孔定位误差和每个气膜孔倾角误差，提高了真实涡轮叶片气膜孔加工精度，改善了真实涡轮叶片气膜冷却效果。

Description

一种涡轮叶片气膜孔自适应定位方法

技术领域

本发明涉及特种加工技术领域，尤其是涉及一种涡轮叶片气膜孔自适应定位方法。

背景技术

相关技术中指出，航空发动机涡轮前温度已超过涡轮叶片材料可承受的温度极限，气膜冷却技术已被广泛用以降低涡轮叶片表面温度以保护叶片在高温环境下工作，这是通过叶片上规律分布的大量气膜冷却孔(简称气膜孔)喷出冷却气流在叶片壁面上形成气膜降温和隔热。

为了提高涡轮叶片高温工作性能和使用寿命，不仅要求气膜孔要达到较高的孔形精度，而且希望提高气膜孔加工的空间位置精度，以改善冷却气膜厚度的均匀性及其附壁效果。然而，气膜孔空间位置精度较难保证，这是因为涡轮叶片作为复杂形状空心薄壁零件，多道前工序的加工误差积累会带来较大的定位基准位移误差和叶片变形误差，而且每个涡轮叶片误差都有所不同。传统的通过榫头定位的方式，加工机床直接按照理论模型工作坐标系图纸位置进行加工，势必会带来较大的气膜孔位置误差。因此，气膜孔加工前全方位精确分析变形涡轮叶片误差，从而研究出涡轮叶片上大量气膜孔加工的自适应定位方法，以接近甚至达到优化设计的冷却气膜效果，对于提高涡轮叶片高温下的工作性能具有实用价值。

目前，已有一些针对易变形薄壁零件的定位方法，研究较多的薄壁曲面多点柔性自适应支撑定位方法，但这不适用于榫头定位装夹的涡轮叶片气膜孔加工。针对榫头装夹夹具且考虑涡轮叶片变形的气膜孔加工精确定位技术研究较少。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种涡轮叶片气膜孔自适应定位方法，所述涡轮叶片气膜孔自适应定位方法可以补偿宏观上气膜孔定位误差和每个气膜孔倾角误差，综合优化真实涡轮叶片上冷却气膜分布和在壁面上的附壁效果，提高真实涡轮叶片气膜孔加工精度，改善真实涡轮叶片气膜冷却效果。

根据本发明的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法,包括：设定气膜孔加工机床的理想工件坐标系；获取固定于所述气膜孔加工机床上的涡轮叶片的重建几何模型，根据所述重建几何模型获取所述涡轮叶片的真实工件坐标系；调整所述真实工件坐标系与所述理想工件坐标系重合；获取所述重建几何模型中所述气膜孔的重建附壁倾角；根据所述重建附壁倾角和所述涡轮叶片在设计模型中气膜孔的设计附壁倾角，得出附壁倾角误差；根据所述附壁倾角误差驱动所述气膜孔加工机床的数控系统定位。

根据本发明的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法，通过获取实现真实涡轮叶片上全体气膜孔定位的全局空间位置误差补偿和每个气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差补偿，由数控系统自动化实现自适应定位，补偿了宏观上气膜孔定位误差和每个气膜孔倾角误差，综合优化了真实涡轮叶片上冷却气膜分布和在壁面上的附壁效果，提高了真实涡轮叶片气膜孔加工精度，改善了真实涡轮叶片气膜冷却效果。

在一些实施例中，所述根据所述附壁倾角误差驱动所述气膜孔加工机床的数控系统定位，包括：根据所述附壁倾角误差，在所述真实工件坐标系内将所述附壁倾角误差与气膜孔的设计附壁倾角进行合成，得到具有误差补偿的附壁倾角，将具有误差补偿的附壁倾角表达为多轴数控代码用于驱动所述气膜孔加工机床的数控系统定位。

在一些实施例中，所述根据所述附壁倾角误差驱动所述气膜孔加工机床的数控系统定位，包括：在所述真实工件坐标系内，将气膜孔的设计附壁倾角表达为多轴数控代码，用于驱动所述气膜孔加工机床的数控系统预定位；将所述附壁倾角误差表达为多轴数控代码，用于再次驱动所述气膜孔加工机床的数控系统二次定位。

在一些实施例中，所述设定气膜孔加工机床的理想工件坐标系，包括：基于所述气膜孔加工机床的榫头装夹夹具，将涡轮叶片的设计模型坐标系设置为所述理想工件坐标系。

进一步地，所述获取固定于所述气膜孔加工机床上的涡轮叶片的重建几何模型，包括：将涡轮叶片通过榫头装夹夹具夹持到气膜孔加工机床上，利用所述气膜孔加工机床的数控系统和在线测量系统获得涡轮叶片的重建几何模型。

进一步地，所述在线测量系统为非接触式双目线激光测量系统。

进一步地，所述根据所述重建几何模型获取所述涡轮叶片的真实工件坐标系，包括：提取重建几何模型的特征点，根据所述特征点建立涡轮叶片的真实工件坐标系。

更进一步地，所述调整所述真实工件坐标系与所述理想工件坐标系重合，包括：根据所述理想工件坐标系和所述真实工件坐标系，得出全局空间位置误差；将全局空间位置误差表达为多轴数控代码，用于驱动数控系统实现真实工件坐标系与理想工件坐标系重合。

更进一步地，在所述调整所述真实工件坐标系与所述理想工件坐标系重合之后，所述定位方法还包括：将设计模型坐标系上设计模型中的每个气膜孔的位置和附壁倾角所在剖面，映射到真实工件坐标系上重建几何模型中的每个气膜孔位置和重建附壁倾角所在剖面。

更进一步地，所述气膜孔加工机床为电火花加工机床、激光加工机床、电解加工机床、电液束加工机床中的一种。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的涡轮叶片气膜孔的加工机床的基本构成示意图；

图2是图1中所示的气膜孔加工机床的理想工件坐标系的示意图；

图3是真实涡轮叶片在线测量并重建几何模型的示意图；

图4是补偿真实涡轮叶片上全体气膜孔定位的全局空间位置误差的示意图；

图5是每个气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差的示意图；

图6是气膜孔加工前补偿附壁倾角误差的方法一的示意图；

图7是气膜孔加工前补偿附壁倾角误差的方法二的示意图。

附图标记：

榫头装夹夹具1，

双目线激光测量系统2，

工具电极3，

涡轮叶片4，

机床5。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图7描述根据本发明实施例的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法。

根据本发明实施例的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法，包括：设定气膜孔加工机床5的理想工件坐标系，即图4所示(X，Y，Z)坐标系，获取固定于气膜孔加工机床5上的涡轮叶片4的重建几何模型(如图3所示真实涡轮叶片重建几何模型)，根据重建几何模型获取涡轮叶片的真实工件坐标系，即图4所示(X＇，Y＇，Z＇)坐标系,得到理想工件坐标系与真实工件坐标系的全局空间误差，调整真实工件坐标系与理想工件坐标系重合，获取重建几何模型中气膜孔的重建附壁倾角，根据重建附壁倾角和涡轮叶片在设计模型中气膜孔的设计附壁倾角，得出附壁倾角误差，根据附壁倾角误差驱动气膜孔加工机床的数控系统定位。

根据本发明实施例的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法，通过获取实现真实涡轮叶片4上全体气膜孔定位的全局空间位置误差补偿和每个气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差补偿，由数控系统自动化实现自适应定位，补偿了宏观上气膜孔定位误差和每个气膜孔倾角误差，综合优化了真实涡轮叶片上冷却气膜分布和在壁面上的附壁效果，提高了真实涡轮叶片气膜孔加工精度，改善了真实涡轮叶片气膜冷却效果。

在本发明的一些实施例中，根据附壁倾角误差驱动气膜孔加工机床5的数控系统定位，包括：根据附壁倾角误差，在真实工件坐标系内将附壁倾角误差与气膜孔的设计附壁倾角进行合成，得到具有误差补偿的附壁倾角，将具有误差补偿的附壁倾角表达为多轴数控代码用于驱动气膜孔加工机床5的数控系统定位，由此，增加了数控系统的定位精度，提高了工件的加工精度。

在本发明的一些实施例中，根据附壁倾角误差驱动气膜孔加工机床的数控系统定位，包括：在真实工件坐标系内，将气膜孔的设计附壁倾角表达为多轴数控代码，用于驱动气膜孔加工机床5的数控系统预定位，将附壁倾角误差表达为多轴数控代码，用于再次驱动气膜孔加工机床5的数控系统二次定位，由此，补偿了宏观上气膜孔定位误差。

例如图1所示，设定气膜孔加工机床5的理想工件坐标系，包括：基于气膜孔加工机床5的榫头装夹夹具1，将涡轮叶片4的设计模型坐标系设置为理想工件坐标系，榫头装夹夹具1稳定性好，准确度高，榫头装夹夹具1的斜销键附带支撑力，减少了工件加工过程中的形变，方便机床数控系统重建几何模型。

进一步地，获取固定于气膜孔加工机床5上的涡轮叶片4的重建几何模型，包括：将涡轮叶片4通过榫头装夹夹具1夹持到气膜孔加工机床5上，利用气膜孔加工机床5的数控系统和在线测量系统获得涡轮叶片的重建几何模型。

在本发明的一个实施例中，在线测量系统为非接触式双目线激光测量系统2，非接触式双目线激光测量系统2的功能强大，测量精准，测量效率高。

参照图4所示，根据重建几何模型获取涡轮叶片的真实工件坐标系，包括：提取重建几何模型的特征点，根据特征点建立涡轮叶片4的真实工件坐标系，由此，便于工件的真实工件坐标系与理想工件坐标系重合，提高了工件的加工精度。

进一步地，调整真实工件坐标系与理想工件坐标系重合，包括：根据理想工件坐标系和真实工件坐标系，得出全局空间位置误差；将全局空间位置误差表达为多轴数控代码，用于驱动数控系统实现真实工件坐标系与理想工件坐标系重合，由此，补偿了涡轮叶片4上全体气膜孔定位的全局空间位置误差。

在本发明的另一些实施例中，在调整真实工件坐标系与理想工件坐标系重合之后，定位方法还包括：将设计模型坐标系上设计模型中的每个气膜孔的位置和附壁倾角所在剖面，映射到真实工件坐标系上重建几何模型中的每个气膜孔位置和重建附壁倾角所在剖面，由此，简化了气膜孔的附壁倾角误差的计算。

进一步地，在重建几何模型上提取出重建附壁倾角值，通过重建附壁倾角值与图纸附壁倾角值的对比，得到每个气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差，将附壁倾角误差表达为多轴数控代码来驱动机床数控系统定位，由此，实现了每个气膜孔加工前气膜孔加工机床5上调整补偿附壁倾角误差，补偿了真实涡轮叶片上每个气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差。

在一些实施例中，气膜孔加工机床5为电火花加工机床、激光加工机床、电解加工机床、电液束加工机床中的一种，其中，集成有榫头装夹夹具1在线测量系统，具有可实现真实涡轮叶片4空间姿态运动和空间位置定位的数控编程功能。

下面详细描述一下根据本发明实施例的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法的具体步骤，其中，在线测量系统以非接触式双目线激光测量系统2为例，气膜孔加工机床5以电火花加工机床为例。

步骤1：如图2所示，根据设计涡轮叶片4的气膜孔加工图纸，基于榫头装夹夹具1将设计涡轮叶片4的设计模型坐标系设置为气膜孔加工机床5的理想工件坐标系(X，Y，Z)；

步骤2：如图3所示，将真实涡轮叶片4通过榫头装夹夹具1到气膜孔加工机床5上，利用机床数控系统和双目线激光在线测量系统2，通过区域扫描遍历整个真实涡轮叶片4的型面实现在线测量过程，将测量数据传输给数控/计算机系统，利用数控/计算机系统的高速处理器和处理算法对真实涡轮叶片4的型面大量测量数据进行滤波去噪、点云精简、特征量提取、数据拼接拟合的处理过程，获得真实涡轮叶片4的重建几何模型。

步骤3：如图4所示，提取重建几何模型的6个特征点(P1，P2，P3，P4，P5，P6)来重建真实涡轮叶片的真实工件坐标系(X，Y，Z)，通过真实工件坐标系(X，Y，Z)与理想工件坐标系(X，Y，Z)的对比，得到真实工件坐标系(X＇，Y＇，Z＇)相对于理想工件坐标系(X，Y，Z)的全局空间位置误差(ΔX，ΔY，ΔZ，Δθx，Δθy，Δθz)，将全局空间位置误差表达为多轴数控代码来驱动机床数控系统定位，实现在气膜孔加工机床上调整真实工件坐标系与理想工件坐标系重合，补偿了真实涡轮叶片上全体气膜孔定位的全局空间位置误差。

步骤4：如图5所示，调整真实工件坐标系(X＇，Y＇，Z＇)与理想工件坐标系(X，Y，Z)重合后，根据设计模型坐标系上设计模型的每个气膜孔图纸位置和图纸附壁倾角所在剖面，映射到真实工件坐标系上重建几何模型的每个气膜孔加工位置和重建附壁倾角所在剖面，在重建几何模型上提取出重建附壁倾角值(α)，通过重建附壁倾角值与图纸附壁倾角值(θ)的对比，得到每个气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差(α-θ)。将附壁倾角误差表达为多轴数控代码来驱动机床数控系统，对于每个气膜孔加工前补偿附壁倾角误差有如下两种方法，可按照其中一种方法逐个加工每个气膜孔。

具体地，方法一，如图6所示，根据得到的每个气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差(α-θ)，在真实工件坐标系内将附壁倾角误差补偿值与气膜孔加工图纸附壁倾角值合成，表达为带有附壁倾角误差补偿值的多轴数控代码来驱动机床数控系统定位。

方法二，如图7所示，在得到的每个气膜孔局部空间位置的附壁倾角误差(α-θ)后，先在真实工件坐标系内根据气膜孔加工图纸附壁倾角值表达的多轴数控代码来驱动机床数控系统定位，然后再将附壁倾角误差补偿值表达的多轴数控代码来驱动机床数控系统定位。按照上述一种方法逐个加工出每个气膜孔。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种涡轮叶片气膜孔自适应定位方法,其特征在于，包括：

设定气膜孔加工机床的理想工件坐标系；

获取固定于所述气膜孔加工机床上的涡轮叶片的重建几何模型，根据所述重建几何模型获取所述涡轮叶片的真实工件坐标系；

所述获取固定于所述气膜孔加工机床上的涡轮叶片的重建几何模型，包括：

将涡轮叶片通过榫头装夹夹具夹持到气膜孔加工机床上，利用所述气膜孔加工机床的数控系统和在线测量系统获得涡轮叶片的重建几何模型；所述根据所述重建几何模型获取所述涡轮叶片的真实工件坐标系，包括：提取重建几何模型的特征点，根据所述特征点建立涡轮叶片的真实工件坐标系；调整所述真实工件坐标系与所述理想工件坐标系重合；所述调整所述真实工件坐标系与所述理想工件坐标系重合，包括：根据所述理想工件坐标系和所述真实工件坐标系，得出全局空间位置误差；将全局空间位置误差表达为多轴数控代码，用于驱动数控系统实现真实工件坐标系与理想工件坐标系重合；在所述调整所述真实工件坐标系与所述理想工件坐标系重合之后，所述定位方法还包括：将设计模型坐标系上设计模型中的每个气膜孔的位置和附壁倾角所在剖面，映射到真实工件坐标系上重建几何模型中的每个气膜孔位置和重建附壁倾角所在剖面；

获取所述重建几何模型中所述气膜孔的重建附壁倾角；

根据所述重建附壁倾角和所述涡轮叶片在设计模型中气膜孔的设计附壁倾角，得出附壁倾角误差；

根据所述附壁倾角误差驱动所述气膜孔加工机床的数控系统定位。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法,其特征在于，所述根据所述附壁倾角误差驱动所述气膜孔加工机床的数控系统定位，包括：

根据所述附壁倾角误差，在所述真实工件坐标系内将所述附壁倾角误差与气膜孔的设计附壁倾角进行合成，得到具有误差补偿的附壁倾角，将具有误差补偿的附壁倾角表达为多轴数控代码用于驱动所述气膜孔加工机床的数控系统定位。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法,其特征在于，所述根据所述附壁倾角误差驱动所述气膜孔加工机床的数控系统定位，包括：

在所述真实工件坐标系内，将气膜孔的设计附壁倾角表达为多轴数控代码，用于驱动所述气膜孔加工机床的数控系统预定位；

将所述附壁倾角误差表达为多轴数控代码，用于再次驱动所述气膜孔加工机床的数控系统二次定位。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法,其特征在于，所述设定气膜孔加工机床的理想工件坐标系，包括：

基于所述气膜孔加工机床的榫头装夹夹具，将涡轮叶片的设计模型坐标系设置为所述理想工件坐标系。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法,其特征在于，所述在线测量系统为非接触式双目线激光测量系统。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的涡轮叶片气膜孔自适应定位方法,其特征在于，所述气膜孔加工机床为电火花加工机床、激光加工机床、电解加工机床、电液束加工机床中的一种。

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