CN112393708A - 一种整体叶环五轴加工原位测量方法 - Google Patents

一种整体叶环五轴加工原位测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种整体叶环五轴加工原位测量方法，属于航空叶片类零件加工测量领域。该方法根据叶面曲率合理选取测量点云密度，根据各测量点位置的无干涉的测量空间，对于每个测量点生成合适的测量路径，并优化全局测量路径，实现复杂结构的高效高精度在线测量。通过对叶环进行原位测量，避免了重复拆卸安装导致的效率降低和精度损失，并能针对不同特征的公差要求，通过误差分离得到位置误差和形貌误差等参数，为进一步修正刀路轨迹，优化加工参数提供更明确的指导方向。

Description

一种整体叶环五轴加工原位测量方法
技术领域
本发明属于航空叶片类零件加工测量领域，更具体地，涉及一种整体叶环五轴加工原位测量方法。
背景技术
为提高航空发动机推重比，减轻发动机结构质量，提高可靠性和效率，采用整体叶环叶盘代替常规叶盘是目前国内外主要的发展趋势。由于整体叶环结构复杂紧凑，流道狭窄，测量时易发生干涉，导致检测难度大。目前的常规手段是利用三坐标测量机离线测量，需要重复拆装工件，多次对刀，导致加工效率低，精度不高，且大大增加了操作人员的工作量，延长了生产时间。或是采用人工在机床上进行在线的单点检测，但只能反映单点误差，难以对整个叶环的误差分布进行估计，且需要反复判断干涉条件，调整测量点位，操作复杂且效率不高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种整体叶环的原位测量方法，其目的在于提高叶环的检测效率和检测精度，由此解决上述背景中提到的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种整体叶环五轴加工原位测量方法，包括以下步骤：
(1)导入整体叶环的CAD模型，设定测头参数，建立工件坐标系，并设定工作偏置；
(2)选取待测叶片曲面，根据叶面曲率设置测量点间距，通过扫描方式生成测量点；
(3)计算各测量点位置的无干涉的测量空间，对于每个测量点生成合适的测量路径，并优化全局测量路径；
(4)对优化的全局测量路径进行后处理，生成CNC代码文件，并导入数控系统，控制测头进行叶环的测量。
(5)提取叶环测量数据，和理论模型对比，得到绝对误差，并实行误差分离，得出各个位置的壁厚误差和形状误差等信息。
优选的，所述步骤(1)具体包括：
导入整体叶环的CAD模型文件至PC-DMIS软件中，建立工件坐标系的Z轴为叶环中心轴方向，X轴指向叶环基准点位置，Y轴由右手法则规定，在数控系统中建立和CAD模型中相同坐标系，并根据工件实际装夹方向对刀和设置偏置；
导入测头的配置文件，并设定测头的移动速度、逼近距离、探测距离、回退距离以及安全平面。
优选地，所述步骤(2)具体包括：
规定选取的曲面法向，和每个待测曲面的U、V方向，U方向为叶缘方向，V方向与U方向正交，根据设置的测量点最大转角
Figure BDA0002747357330000021
和最大距离lm以及叶面上各位置的曲率，分别设置在两个方向上的测量点数量和测量范围，其中测量范围M∈[0,1]，使得任意两相邻测量点间的距离不大于lm和法矢夹角不大于
Figure BDA0002747357330000022
优选地，所述步骤(3)具体包括：
根据整体叶环及测头的几何关系，计算每个测量点位的无干涉可行域空间S(xf,yf,zf,if,jf,kf)，其中(xf,yf,zf)为测头坐标，(if,jf,kf)为测头方向矢量，调整各个测量点法矢方向的逼近距离、探测距离、回退距离，根据可行域规划测头移动路径和姿态，以满足无干涉条件；
计算所有测量点位的测量路径，依次连接得到全局测量路径，优化全局测量路径，在避免干涉的情况下使得全局路径最短。
优选地，所述步骤(4)具体包括：
在PC-DMIS软件中生成全局测量路径，并进行碰撞测试，无误后生成CNC代码文件，传输至数控系统，进行叶环的原位测量并回传测量结果。
优选地，所述步骤(5)具体包括：
根据建立的工件坐标系，结合整体叶环的CAD模型，将实测点云和理论点云转换到同一坐标系下对比，计算对应点的最大绝对偏差。
对点云数据进行平移和旋转的坐标变换，使得实测模型和理论模型的重心重合，从而分离误差，分别计算得出形貌误差和每个叶片的位置误差。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，实现了整体叶环的原位测量，考虑测头无干涉条件下的测量路径规划，能够尽可能扩大测量范围，提高了检测范围和检测效率，提供更全面的测量结果，避免了离线测量重复拆卸安装导致的效率降低和精度损失。针对不同特征要求下的不同公差要求，通过误差分离能分别得到所测曲面的位置误差和形貌误差等参数，为工艺员进一步修正刀路轨迹，优化加工参数提供更明确的指导方向。
附图说明
图1是本发明的整体叶环原位测量方法流程图；
图2是本发明的叶面测量点分布示意图；
图3是本发明的测头无干涉路径空间计算示意图；
图4是本发明的测量路径规划及碰撞检测示意图；
图5是本发明的具体实例测量结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种整体叶环五轴加工原位测量方法，包括以下步骤：
(1)导入整体叶环的CAD模型，设定测头参数，建立工件坐标系，并设定工作偏置；
(2)选取待测叶片曲面，根据叶面曲率设置测量点间距，通过扫描方式生成测量点；
(3)计算各测量点位置的无干涉的测量空间，对于每个测量点生成合适的测量路径，并优化全局测量路径；
(4)对优化的全局测量路径进行后处理，生成CNC代码文件，并导入数控系统，控制测头进行叶环的测量。
(5)提取叶环测量数据，和理论模型对比，得到绝对误差，并实行误差分离，得出各个位置的壁厚误差和形状误差等信息。
优选的，所述步骤(1)具体包括：
导入整体叶环的CAD模型文件至PC-DMIS软件中，建立工件坐标系的Z轴为叶环中心轴方向，X轴指向叶环基准点位置，Y轴由右手法则规定，在数控系统中建立和CAD模型中相同坐标系，并根据工件实际装夹方向对刀和设置偏置；
导入测头的配置文件，并设定测头的移动速度、逼近距离、探测距离、回退距离以及安全平面。
优选地，所述步骤(2)具体包括：
规定选取的曲面法向，和每个待测曲面的U、V方向，U方向为叶缘方向，V方向与U方向正交，根据设置的测量点最大转角
Figure BDA0002747357330000051
和最大距离lm以及叶面上各位置的曲率，分别设置在两个方向上的测量点数量和测量范围，其中测量范围M∈[0,1]，使得任意两相邻测量点间的距离不大于lm和法矢夹角不大于
Figure BDA0002747357330000052
优选地，所述步骤(3)具体包括：
根据整体叶环及测头的几何关系，计算每个测量点位的无干涉可行域空间S(xf,yf,zf,if,jf,kf)，其中(xf,yf,zf)为测头坐标，(if,jf,kf)为测头方向矢量，调整各个测量点法矢方向的逼近距离、探测距离、回退距离，根据可行域规划测头移动路径和姿态，以满足无干涉条件；
计算所有测量点位的测量路径，依次连接得到全局测量路径，优化全局测量路径，在避免干涉的情况下使得全局路径最短。
优选地，所述步骤(4)具体包括：
在PC-DMIS软件中生成全局测量路径，并进行碰撞测试，无误后生成CNC代码文件，传输至数控系统，进行叶环的原位测量并回传测量结果。
优选地，所述步骤(5)具体包括：
根据建立的工件坐标系，结合整体叶环的CAD模型，将实测点云和理论点云转换到同一坐标系下对比，计算对应点的最大绝对偏差。
对点云数据进行平移和旋转的坐标变换，使得实测模型和理论模型的重心重合，从而分离误差，分别计算得出形貌误差和每个叶片的位置误差。
实施例
本实施例提出一种整体叶环五轴加工原位测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)导入igs、step或stl格式的整体叶环的CAD模型文件至PC-DMIS软件中，工件坐标系的Z轴为叶环中心轴方向，X轴指向叶环基准点位置，Y轴由右手法则规定，在机床数控系统中对叶环零件找正后根据基准点建立和CAD模型中相同坐标系，并设置测头偏置。
(2)如图2所示，选取需要检测的叶面曲面，法向垂直曲面向外，规定每个待测曲面的U、V方向，U方向为叶缘方向，V方向与U方向正交，根据设置的相邻测量点间的最大转角和最大距离要求，以及叶面上各位置的曲率，通过扫面方式生成测量点，U方向测量点数量设置为12，测量范围U∈[0.01,0.8]，V方向测量点数量为6，测量范围V∈[0.1,0.9]，设置测量范围是为了避免测头和叶环内外侧发生干涉。
(3)如图3-图4所示，根据整体叶环及测头的几何模型，计算每个测量点位附近的无干涉可行域空间S(xf,yf,zf,if,jf,kf)，其中(xf,yf,zf)为测头坐标，(if,jf,kf)为测头方向矢量，本实例中每个叶面U方向上每列测量点只需共同计算一次。调整各个测量点法矢方向的逼近距离、探测距离、回退距离，根据可行域对每列测量点均需要重新规划测头从安全平面移动至测量点附近的路径和姿态，并进行干涉检查判断路径是否满足无干涉条件，重复以上步骤以完成所有测量点的路径规划。在PC-DMIS软件中生成全局测量路径，并进行碰撞测试，若无法通过测试则需要重新调整参数或测量范围，重新执行步骤(2)至步骤(3)。
(4)确定测量路径后在PC-DMIS软件中创建CNC代码文件，通过nc server软件传输至数控系统，开始叶环的自动测量并回传测量结果。
(5)如图5所示，由测量数据生成测量点云，将实测点云和理论点云置于步骤(1)中同一坐标系下，计算实测点和对应理论点坐标的绝对误差
Figure BDA0002747357330000061
并通过迭代优化算法经由平移变换和旋转变换，使得实测点云的重心与模型点云一致，得到实测点云转换后的坐标[x′i y′i z′i 1]T＝T·Rz·Ry·Rz·[xi yi zi 1]T，从而可以估计得到各个位置的壁厚误差
Figure BDA0002747357330000062
通过对点云进行曲面拟合还可以得到形状误差。
上述平移变换矩阵T和旋转变换矩阵RzRyRz分别为：
Figure BDA0002747357330000071
Figure BDA0002747357330000072
其中tx,ty,tz为坐标系原点的偏差，θx,θy,θz分别为绕x轴y轴和z轴的旋转角度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)导入整体叶环的CAD模型，设定测头参数，建立工件坐标系，并设定工作偏置；
(2)选取待测叶片曲面，根据叶面曲率设置测量点间距，通过扫描方式生成测量点；
(3)计算各测量点的无干涉的测量空间，对于每个测量点生成无干涉测量路径，并优化全局测量路径；
(4)对优化的全局测量路径进行后处理，生成CNC代码文件，并导入数控系统，控制测头进行叶环的测量；
(5)提取叶环测量数据，和理论模型对比，得到绝对误差，并实行误差分离，得出各个位置的壁厚误差和形状误差。
2.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：
导入整体叶环的CAD模型文件至PC-DMIS软件中，建立工件坐标系的Z轴为叶环中心轴方向，X轴指向叶环基准点位置，Y轴由右手法则规定，在数控系统中建立和CAD模型中相同坐标系，并根据工件实际装夹方向对刀和设置偏置；
导入测头的配置文件，并设定测头的移动速度、逼近距离、探测距离、回退距离以及安全平面。
3.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：
规定选取的曲面法向，和每个待测曲面的U、V方向，U方向为叶缘方向，V方向与U方向正交，根据设置的测量点最大转角
Figure FDA0002747357320000011
和最大距离lm以及叶面上各位置的曲率，分别设置在两个方向上的测量点数量和测量范围，其中测量范围M∈[0,1]，使得任意两相邻测量点间的距离不大于lm和法矢夹角不大于
Figure FDA0002747357320000021
4.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
根据整体叶环及测头的几何关系，计算每个测量点位的无干涉可行域空间S(xf,yf,zf,if,jf,kf)，其中(xf,yf,zf)为测头坐标，(if,jf,kf)为测头方向矢量，调整各个测量点法矢方向的逼近距离、探测距离、回退距离以满足无干涉条件；
计算所有测量点位的测量路径，依次连接得到全局测量路径，优化全局测量路径，在避免干涉的情况下使得全局测量路径最短。
5.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：
在PC-DMIS软件中生成全局测量路径，并进行碰撞测试，无误后生成CNC代码文件，传输至数控系统，进行叶环的原位测量并回传测量结果。
6.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：
根据建立的工件坐标系，结合整体叶环的CAD模型，将实测点云和理论点云转换到同一坐标系下对比，计算对应点的最大绝对偏差；
对点云数据进行平移和旋转的坐标变换，使得实测模型和理论模型的重心重合，从而分离误差，分别计算得出形貌误差和每个叶片的位置误差。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1至6任一项所述的方法的步骤。
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