CN113293270A - 一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统及方法，其特征在于，包括：数据采集单元、中央控制单元和末端执行单元；所述数据采集单元用于对表面强化过程中叶片的变形信号以及表面强化工艺参数进行实时采集并发送到所述中央控制单元；所述中央控制单元用于对接收到的叶片变形信号和表面强化工艺参数进行处理和计算，并据此生成控制信号发送到所述末端执行单元；所述末端执行单元用于对使用的叶片工装进行调整，实现对表面强化工艺参数的优化和调整，改善叶片的表面强化质量。本发明可以广泛应用于航空发动机叶片加工领域。

Description

一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片加工领域，具体涉及一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统及方法。

背景技术

作为航空发动机的重要组成部分，叶片的加工质量直接影响着航空发动机的性能，因此对于叶片的加工精度和表面质量提出了严格的要求。叶片属于复杂曲面薄壁件，在精密铣削中最突出的问题之一是由于弱刚性引起的加工变形和表面质量降低。因此，在叶片铣削加工之后可以使用超声滚压强化工艺来提高叶片的加工精度和表面质量。超声滚压强化工艺能够经济有效地降低表面粗糙度，提高表面残余压应力进而提高工件的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性。超声滚压强化所使用的滚压力较小，相比传统表面强化工艺造成的工件变形更小，对叶片等薄壁零件具有特殊意义。

由于叶片具有复杂薄壁曲面特征，铣削加工后的叶片表面存在不均匀、不规则的局部凸凹区域。传统的超声滚压技术在凸点加工区域的材料去除率过大，在凹点加工区域的材料去除率不足，导致超声滚压强化后的叶片表面质量和强度不均匀，影响叶片的性能和寿命。而且在叶片表面超声滚压强化过程中，由于叶片不同部位的加工刚度不同，超声滚压导致的叶片变形不同，滚压效果也不同，同样会导致滚压效果不均匀，叶片性能不理想。因此，需要采用能够自适应叶片表面形状和加工过程动态调控的超声滚压强化系统及方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统及方法，通过将表面强化过程中叶片的变形状态在线测量、表面强化参数调整和工装系统自适应姿态调整工作协调起来，实现了对航空发动机叶片表面强化过程的智能调控。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统，其包括：

数据采集单元、中央控制单元、末端执行单元以及用于对叶片加工的数控机床；

所述数据采集单元用于对表面强化过程中叶片的变形位移量信号以及表面强化工艺参数进行实时采集并发送到所述中央控制单元，所述表面强化工艺参数包括进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、主轴位置与姿态；

所述中央控制单元用于对接收到的叶片变形信号和表面强化工艺参数进行处理和计算，并据此生成控制信号发送到所述末端执行单元；

所述末端执行单元用于对使用的数控机床中的叶片工装进行调整，实现对表面强化工艺参数的优化和调整，改善叶片的表面强化质量。

进一步，所述数据采集单元包括设置在所述数控机床的叶片工装上的激光位移传感器和机床数控系统；所述激光位移传感器用于实时获取叶片在表面强化过程中产生的变形信号；所述机床数控系统用于实时读取表面强化工艺参数；所述激光位移传感器和机床数控系统将采集数据发送到所述中央控制单元。

进一步，所述中央控制单元包括工业计算机，所述工业计算机与数据采集单元和末端执行单元相连；

所述工业计算机内设置有预处理模块、叶片变形预测模块、叶片变形数据库以及参数优化模块；

所述预处理模块用于对所述激光位移传感器发送的叶片的变形信号进行滤波降噪处理，得到叶片的实际变形信号；

所述叶片变形数据库用于存储历史叶片表面超声滚压强化相关数据，包括各个型号的叶片进行超声滚压强化产生的变形位移量数据以及对应使用的工艺参数；

所述叶片变形预测模块用于基于所述叶片变形数据库建立变形预报模型，并以当前时刻叶片的实际变形信号和表面强化工艺参数为输入，得到下一时刻叶片的变形预报结果；

所述参数优化模块用于根据变形预报结果以及预设阈值，对表面强化工艺参数进行调整，生成相应控制信号发送到所述末端执行单元和机床数控系统，所述机床数控系统根据所述工业计算机发送的控制信号调节表面强化工艺参数。

进一步，所述末端执行单元包括辅助支撑组件和主动姿态调节组件；

所述辅助支撑组件接收到所述工业计算机发送的控制信号后，通过弹性柱销接触叶片工件，并改变接触特性，以提高叶片的刚度和抗变形能力；

所述主动姿态调节组件接收到所述工业计算机发送的控制信号后，通过工装工作台下安装的音圈电机，输出与叶片变形反向的位移来补偿叶片变形。

本发明的第二个方面，是提供一种叶片表面超声滚压强化自适应调控方法，其包括以下步骤：

1)通过激光位移传感器和机床数控系统构成数据采集单元，对叶片变形和表面强化工艺参数进行实时采集，并统一发送到中央控制单元的工业计算机；

2)工业计算机根据得到的当前时刻的叶片变形数据以及表面强化工艺参数对下一时刻叶片的变形状态进行预测，当预测的叶片变形结果超出阈值时，工业计算机根据预设的变形响应策略输出控制信号到末端执行单元和机床数控系统；

3)末端执行单元和机床数控系统根据工业计算机发送的控制信号进行相应动作，对叶片变形进行抑制；

4)重复步骤1)～步骤3)，在主动变形抑制过程中，中央控制单元实时处理激光位移传感器的反馈信号，当表面强化过程的变形位移量低于设定的允许值且变形位移量的变化幅度小于设定值时，停止末端执行单元的动作，继续进行叶片的表面强化，直至加工结束。

进一步，所述步骤1)中，对叶片变形和表面强化工艺参数进行实时采集的方法，包括下步骤：

1.1)航空发动机叶片表面强化前，在所使用的数控机床叶片工装中集成激光位移传感器；

1.2)叶片表面强化过程中，通过激光位移传感器实时获取叶片与工装处的变形信号，同时从机床数控系统中导出表面强化工艺参数，一同传输至中央控制单元的工业计算机。

进一步，所述步骤2)中，工业计算机根据得到的当前时刻的叶片变形数据以及表面强化工艺参数对下一时刻叶片的变形状态进行预测，当预测的叶片变形结果超出阈值时，工业计算机根据预设的变形响应策略输出控制信号到末端执行单元的方法，包括以下步骤：

2.1)中央控制单元中的工业计算机对激光位移传感器所采集的叶片变形信号进行预处理，得到叶片的实际变形数据；

2.2)建立包括历史超声滚压强化过程中叶片变形和对应工艺参数的叶片变形数据库；

2.3)基于叶片变形数据库和神经网络模型建立变形预报模型，将当前时刻叶片的实际变形数据以及表面强化工艺参数输入该变形预报模型，对下一时刻叶片的变形状况进行预报，得到叶片变形预报结果；

2.4)将叶片变形预报结果以及预设阈值进行比较，并根据预设的变形响应策略输出控制信号到末端执行单元。

进一步，所述步骤2.2)中，建立叶片变形数据库的方法为：获取历史实际叶片表面强化数据后，对这些数据进行特征提取；基于提取的特征数据建立包括历史超声滚压强化过程中叶片变形和对应工艺参数的数据库。

进一步，所述步骤3)中，末端执行单元和机床数控系统根据工业计算机发送的控制信号进行相应动作，对叶片变形进行抑制的方法为：

3.1)末端执行单元中的辅助支撑组件在液压系统控制下运动，通过弹性柱销与叶片接触，改变接触特性从而提高叶片的刚度和抗变形能力；

3.2)末端执行单元中的主动姿态调节组件通过工装工作台下安装的音圈电机，输出与叶片变形反向的位移来补偿叶片变形；

3.3)机床数控系统通过闭环控制方法反复调节表面强化工艺参数，减小滚压力对叶片变形的影响，逐渐抑制变形的幅值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明所提出将叶片的变形状态在线测量、工艺参数调整和工装姿态主动调节工作相结合的系统，无论是在叶片加工质量、实施效率和工作成本上，对于航空发动机叶片的表面质量强化都有重要意义。

2、本发明设置了数据采集单元，将激光位移传感器和机床数控系统相结合，实现了对表面强化过程中叶片的变形信号及表面强化工艺参数进行实时采集。

3、本发明由于在中央控制单元的工业计算机内设置有相应的预处理模块、叶片变形预测模块、叶片变形数据库以及参数优化模块，实现了根据采集的实时数据对表面强化工艺参数进行实时调整，实现了对叶片变形的主动自适应抑制。因此，本发明可以广泛应用于航空发动机叶片加工领域。

附图说明

图1是本发明实施例中叶片表面超声滚压强化自适应调控系统的配置原理图；

图2是本发明实施例中叶片表面超声滚压强化自适应调控系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中自适应叶片表面超声滚压强化智能调控方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统，将叶片的变形状态在线测量、工艺参数调整和工装系统主动姿态调节工作相结合，保证了叶片的加工质量和表面精度，其主要功能描述如下：首先，在所使用的叶片工装上集成激光位移传感器，结合机床数控系统作为数据采集单元，在叶片表面强化过程中，数据采集单元将采集信号统一传输至中央控制单元的工业计算机；由工业计算机对所采集信号进行处理，获得叶片的实际变形状态；在积累大量加工数据后，建立叶片变形状态预报模型，实现加工过程中叶片变形状态预报；工业计算机将叶片变形预报结果以及阈值进行比较，当叶片变形将要超过阈值时，控制末端执行单元进行变形抑制，进而保证叶片的加工质量和加工精度。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供了一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统，该系统与叶片加工的五轴数控机床相配套，主要包括数据采集单元1、中央控制单元2和末端执行单元3。其中，数据采集单元1用于对表面强化过程中叶片的变形信号以及表面强化工艺参数进行实时采集并发送到中央控制单元2，表面强化工艺参数包括进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、主轴位置与姿态等；中央控制单元2用于对接收到的叶片变形信号和表面强化工艺参数进行处理和计算，并据此生成控制信号发送到末端执行单元3；末端执行单元3用于对使用五轴数控机床的叶片工装进行调整，实现对表面强化工艺参数的优化和调整，进而改善叶片的表面强化质量。

进一步，数据采集单元1包括设置在五轴数控机床的叶片工装13上的激光位移传感器4和机床数控系统5。其中，激光位移传感器4用于实时获取叶片11在表面强化过程中产生的变形信号；机床数控系统5用于实时读取进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、主轴位置与姿态等表面强化工艺参数；激光位移传感器4和机床数控系统5将采集数据发送到中央控制单元2。

进一步，中央控制单元2包括工业计算机8，该工业计算机8分别与数据采集单元1和末端执行单元3相连。其中，工业计算机8内设置有预处理模块、叶片变形预测模块、叶片变形数据库以及参数优化模块；预处理模块用于对激光位移传感器4发送的叶片的变形信号进行滤波降噪处理，得到叶片的实际变形信号；叶片变形数据库用于存储历史叶片表面超声滚压强化相关数据，包括各个型号的叶片过去进行超声滚压强化产生的变形位移量数据以及对应使用的工艺参数(包括振幅、滚珠直径、滚珠材质、机油材料、静压力、进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、主轴位置与姿态等)；叶片变形预测模块用于基于叶片变形数据库建立变形预报模型，并以当前时刻叶片的实际变形信号和表面强化工艺参数为输入，得到下一时刻叶片的变形预报结果；参数优化模块用于根据变形预报结果以及预设阈值，对表面强化工艺参数进行调整，生成相应控制信号发送到末端执行单元3和机床数控系统，末端执行单元3和机床数控系统5根据控制信号对工艺参数进行调节，来改善叶片的表面强化质量。

进一步，末端执行单元3包括辅助支撑组件6和主动姿态调节组件7，并与机床数控系统5相配合。其中，辅助支撑组件6接收到工业计算机8发送的控制信号后，通过弹性柱销12接触叶片工件，从而改变接触特性，以提高叶片的刚度和抗变形能力；主动姿态调节组件7接收到工业计算机8发送的控制信号后，通过五轴数控机床叶片工装13工作台下安装的音圈电机14输出与叶片变形反向的位移来补偿叶片变形；机床数控系统5根据工业计算机8发送的控制信号调节进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、主轴位置与姿态等表面强化工艺参数，减小表面强化对于叶片的影响。

实施例2

如图3所示，本实施例提供了一种叶片表面超声滚压强化自适应调控方法，包括以下步骤：

1)通过激光位移传感器4和机床数控系统5构成数据采集单元1，对叶片变形和表面强化工艺参数进行实时采集，并统一发送到中央控制单元2的工业计算机8。

具体的，包括以下步骤：

1.1)航空发动机叶片表面强化前，在所使用的五轴数控机床叶片工装13中集成激光位移传感器4；

1.2)叶片表面强化过程中，通过激光位移传感器4实时获取叶片11与工装13处的变形信号，同时从机床数控系统5中导出机床主轴9的进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、位置和姿态等表面强化工艺参数一同传输至中央控制单元2的工业计算机8。

2)工业计算机8根据得到的当前时刻的叶片变形数据以及表面强化工艺参数对下一时刻叶片的变形状态进行预报，当得到的叶片预报结果超出预设阈值时，工业计算机8根据预设的变形响应策略输出控制信号到末端执行单元3。

具体的，包括以下步骤：

2.1)中央控制单元2中的工业计算机8对激光位移传感器4所采集的叶片变形信号进行预处理，得到叶片11的实际变形数据。

工业计算机8对激光位移传感器4信号进行实时处理时，首先通过滤波降噪等手段消除环境噪声，然后对位移变形信号进行数据计算来获取特征信息来表征叶片的实际变形状态。其中，获取特征信息的方法是本领域技术人员公知技术，本发明在此不再赘述。

2.2)建立包括历史超声滚压强化过程中叶片变形和对应工艺参数的的叶片变形数据库。

具体地，在积累大量实际叶片表面强化数据后，对这些数据进行特征提取，并建立包括过去超声滚压强化过程中叶片变形和对应工艺参数的的数据库，包括振幅、滚珠直径、滚珠材质、机油材料、静压力、进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、主轴位置与姿态等。

2.3)基于神经网络模型建立变形预报模型，并将当前时刻叶片的实际变形数据以及表面强化工艺参数输入该变形预报模型，对下一时刻叶片的变形状况进行预报，得到叶片变形预报结果，实现不同表面强化条件下准确且及时地对叶片变形状态进行预报。

2.4)将叶片变形预报结果以及预设阈值进行比较，并根据预设的变形响应策略输出控制信号到末端执行单元3。

3)末端执行单元3根据工业计算机8发送的控制信号进行相应动作，对叶片变形进行抑制。

具体地，包括以下步骤：

3.1)末端执行单元3中的辅助支撑组件6在液压系统控制下运动，通过弹性柱销12与叶片11接触，改变接触特性从而提高叶片的刚度和抗变形能力；

3.2)末端执行单元3中的主动姿态调节组件7通过工装工作台下安装的音圈电机14等，输出与叶片11变形反向的位移来补偿叶片变形；

3.3)机床数控系统5通过闭环控制方法反复调节进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、主轴位置与姿态等等表面强化工艺参数，减小滚压力对叶片变形的影响，逐渐抑制变形的幅值。

4)重复步骤1)～步骤3)，在主动变形抑制过程中，中央控制单元2实时处理激光位移传感器4的反馈信号，当表面强化过程的变形位移量低于预设值如0.005mm且波动稳定时，停止末端执行单元3的动作，继续进行叶片11的表面强化，直至加工结束。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统，其特征在于，包括：

数据采集单元、中央控制单元、末端执行单元以及用于对叶片加工的数控机床；

所述数据采集单元用于对表面强化过程中叶片的变形位移量信号以及表面强化工艺参数进行实时采集并发送到所述中央控制单元，所述表面强化工艺参数包括进给速度、滚压间距、滚压次数、滚压路径、主轴位置与姿态；

所述中央控制单元用于对接收到的叶片变形信号和表面强化工艺参数进行处理和计算，并据此生成控制信号发送到所述末端执行单元；

所述末端执行单元用于对使用的数控机床中的叶片工装进行调整，实现对表面强化工艺参数的优化和调整，改善叶片的表面强化质量。

2.如权利要求1所述的一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统，其特征在于，所述数据采集单元包括设置在所述数控机床的叶片工装上的激光位移传感器和机床数控系统；所述激光位移传感器用于实时获取叶片在表面强化过程中产生的变形信号；所述机床数控系统用于实时读取表面强化工艺参数；所述激光位移传感器和机床数控系统将采集数据发送到所述中央控制单元。

3.如权利要求2所述的一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统，其特征在于，所述中央控制单元包括工业计算机，所述工业计算机与数据采集单元和末端执行单元相连；

所述工业计算机内设置有预处理模块、叶片变形预测模块、叶片变形数据库以及参数优化模块；

所述预处理模块用于对所述激光位移传感器发送的叶片的变形信号进行滤波降噪处理，得到叶片的实际变形信号；

所述叶片变形数据库用于存储历史叶片表面超声滚压强化相关数据，包括各个型号的叶片进行超声滚压强化产生的变形位移量数据以及对应使用的工艺参数；

所述叶片变形预测模块用于基于所述叶片变形数据库建立变形预报模型，并以当前时刻叶片的实际变形信号和表面强化工艺参数为输入，得到下一时刻叶片的变形预报结果；

所述参数优化模块用于根据变形预报结果以及预设阈值，对表面强化工艺参数进行调整，生成相应控制信号发送到所述末端执行单元和机床数控系统，所述机床数控系统根据所述工业计算机发送的控制信号调节表面强化工艺参数。

4.如权利要求3所述的一种叶片表面超声滚压强化自适应调控系统，其特征在于，所述末端执行单元包括辅助支撑组件和主动姿态调节组件；

所述辅助支撑组件接收到所述工业计算机发送的控制信号后，通过弹性柱销接触叶片工件，并改变接触特性，以提高叶片的刚度和抗变形能力；

所述主动姿态调节组件接收到所述工业计算机发送的控制信号后，通过工装工作台下安装的音圈电机，输出与叶片变形反向的位移来补偿叶片变形。

5.一种采用如权利要求1～4任一项所述系统的叶片表面超声滚压强化自适应调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过激光位移传感器和机床数控系统构成数据采集单元，对叶片变形和表面强化工艺参数进行实时采集，并统一发送到中央控制单元的工业计算机；

2)工业计算机根据得到的当前时刻的叶片变形数据以及表面强化工艺参数对下一时刻叶片的变形状态进行预测，当预测的叶片变形结果超出阈值时，工业计算机根据预设的变形响应策略输出控制信号到末端执行单元和机床数控系统；

3)末端执行单元和机床数控系统根据工业计算机发送的控制信号进行相应动作，对叶片变形进行抑制；

4)重复步骤1)～步骤3)，在主动变形抑制过程中，中央控制单元实时处理激光位移传感器的反馈信号，当表面强化过程的变形位移量低于设定的允许值且变形位移量的变化幅度小于设定值时，停止末端执行单元的动作，继续进行叶片的表面强化，直至加工结束。

6.如权利要求5所述的一种叶片表面超声滚压强化自适应调控方法，其特征在于，所述步骤1)中，对叶片变形和表面强化工艺参数进行实时采集的方法，包括下步骤：

1.1)航空发动机叶片表面强化前，在所使用的数控机床叶片工装中集成激光位移传感器；

1.2)叶片表面强化过程中，通过激光位移传感器实时获取叶片与工装处的变形信号，同时从机床数控系统中导出机床主轴的表面强化工艺参数，一同传输至中央控制单元的工业计算机。

7.如权利要求5所述的一种叶片表面超声滚压强化自适应调控方法，其特征在于，所述步骤2)中，工业计算机根据得到的当前时刻的叶片变形数据以及表面强化工艺参数对下一时刻叶片的变形状态进行预测，当预测的叶片变形结果超出阈值时，工业计算机根据预设的变形响应策略输出控制信号到末端执行单元的方法，包括以下步骤：

2.1)中央控制单元中的工业计算机对激光位移传感器所采集的叶片变形信号进行预处理，得到叶片的实际变形数据；

2.2)建立包括历史超声滚压强化过程中叶片变形和对应工艺参数的叶片变形数据库；

2.3)基于叶片变形数据库和神经网络模型建立变形预报模型，将当前时刻叶片的实际变形数据以及表面强化工艺参数输入该变形预报模型，对下一时刻叶片的变形状况进行预报，得到叶片变形预报结果；

2.4)将叶片变形预报结果以及预设阈值进行比较，并根据预设的变形响应策略输出控制信号到末端执行单元。

8.如权利要求5所述的一种叶片表面超声滚压强化自适应调控方法，其特征在于，所述步骤2.2)中，建立叶片变形数据库的方法为：获取历史实际叶片表面强化数据后，对这些数据进行特征提取；基于提取的特征数据建立包括历史超声滚压强化过程中叶片变形和对应工艺参数的数据库。

9.如权利要求5所述的一种叶片表面超声滚压强化自适应调控方法，其特征在于，所述步骤3)中，末端执行单元和机床数控系统根据工业计算机发送的控制信号进行相应动作，对叶片变形进行抑制的方法为：

3.1)末端执行单元中的辅助支撑组件在液压系统控制下运动，通过弹性柱销与叶片接触，改变接触特性从而提高叶片的刚度和抗变形能力；

3.2)末端执行单元中的主动姿态调节组件通过工装工作台下安装的音圈电机，输出与叶片变形反向的位移来补偿叶片变形；

3.3)机床数控系统通过闭环控制方法反复调节表面强化工艺参数，减小滚压力对叶片变形的影响，逐渐抑制变形的幅值。

Images