CN113369998B - 一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，基于数字化生产线，通过提取三坐标测量机测量点集，集成判断模型、去噪点模型和补偿模型，建立一套自动、高效的零件加工补偿方法，避免了使用传统依靠经验手工构造工艺模型反复迭代加工方法而产生的效率低、标准不一致的问题；避免了加工数控机床与检测三坐标之间互相孤立，零件加工与检测需更换工装，测量结论包含了第二套工装的制造、装夹误差的问题；避免了采用手工抛光消除轮廓偏大数值，存在一致性不高、效率低、精度差、容易烧伤的问题。

Description

一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法

技术领域

本发明属于叶片制造技术领域，具体涉及一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法。

背景技术

目前，国内航空发动机模锻叶片加工方法主要是在毛坯的基础上通过多次铣削加工工序成形。然而，由于叶片受到切削力、切削热等因素影响，将不可避免地产生弹性、塑性变形，导致铣削后在局部或整体型面轮廓度数值偏大。

采用传统方法解决该类问题存在以下缺点：1)编程方面，工艺员读取叶片检测结论，依靠经验手工构造工艺模型并迭代加工，具有效率低、标准不一致的特点；2)设备方面，加工数控机床与检测三坐标之间互相孤立，零件加工与检测需更换工装，测量结论包含了第二套工装的制造、装夹误差；3)质量方面，采用手工抛光方式消除轮廓偏大数值，存在一致性不高、效率低、精度差、容易烧伤等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，避免了手工参与型面轮廓度修整、零件二次装夹误差，保证了零件产品叶片一致性，实现了型面无余量加工。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，包括：

步骤1：基于数字化生产线，制定工艺流程，所述工艺流程包括加工、清洗和测量；

步骤2：基于叶片设计模型编制第一数控加工程序和测量程序；

步骤3：下达加工指令至数控机床，数控机床执行所述第一数控加工程序加工待加工叶片；

步骤4：待加工叶片加工完成后，下达清洗指令至清洗设备，清洗设备对加工完成的叶片进行清洗；

步骤5：叶片清洗完成后，下达测量指令至三坐标测量机，三坐标测量机执行所述测量程序对清洗完成的叶片进行测量，并生成第一测量数据点集；

步骤6：根据测量判断模型对测量结果进行判断，如果叶片尺寸合格，则加工完成；如果叶片尺寸超差，则执行步骤7；

步骤7：通过去噪点模型对所述第一测量数据点集去躁点得到第二测量数据点集；

步骤8：以叶型理论曲线方程和变形系数为约束，通过补偿模型对所述第二测量数据点集进行补偿得到第三测量数据点集；

步骤9：根据预设公差对所述第三测量数据点集进行叶身型面拟合，生成第一曲线；

步骤10：对所述第一曲线进行光顺，得到第二曲线；

步骤11：基于所述第二曲线构建工艺模型，基于所述工艺模型更新刀路轨迹，生成第二数控加工程序；

步骤12：将所述第一数控加工程序更新为所述第二数控加工程序，重复步骤3～12。

进一步地，所述测量判断模型为：

λ₁*h_i≤Φ≤λ₂*m_i i∈[1,n]

式中，λ₁和λ₂表示质量控制系数；i表示叶片某型面截面；h_i和m_i分别表示叶片某型面截面位置下公差和叶片某型面截面位置上公差；Φ表示叶片某型面截面实测值位置度。

进一步地，所述去噪点模型为：

式中，L_i,i-1表示点i和点i-1的距离；L_i,i+1表示点i和点i+1的距离；L_i-1,i+1表示点i-1和点i+1的距离；当θ大于设定值时，认为该点是躁点，对该点进行剔除。

进一步地，所述设定值为-0.6°＜θ＜0.6°。

进一步地，所述补偿模型为：

(X-a_i)²+(Y-b_i)²+(Z-c_i)²＝R²

式中，a_i,b_i,c_i表示第二测量数据点集中的任意一点O_i的坐标值；R表示点O_i到理论叶片型面线的最小距离；X、Y和Z分别表示以O_i为中心的空间圆方程上的任意一点，该圆半径大小为R。

进一步地，所述叶型理论曲线方程为：

y＝ω_ixⁱ+ω_i-1x^i-1+……+ωx+C₁ i∈[1,n]

z＝C₂

式中，x、y和z分别表示理论叶片型面线任意一点的空间坐标值，它们之间满足一定的方程关系；ω_i表示x方程的系数；C₁表示一个常数；C₂表示另一个常数。

进一步地，所述变形系数为：

式中，

表示变形系数；O_i表示第二测量数据点集中的任意一点；O′_i表示O_i对应第三测量数据点集上的点；P₀表示O_i与理论叶片型面线最近的点。

进一步地，步骤2中，使用CAM软件，基于叶片设计模型编制第一数控加工程序；使用三坐标测量机的测量软件，基于所述叶片设计模型编制测量程序；

步骤7中，使用CAM软件，获取所述第一测量数据点集，通过去噪点模型对所述第一测量数据点集去躁点得到第二测量数据点集；

步骤8中，使用CAM软件，以叶型理论曲线方程和变形系数为约束，通过补偿模型对所述第二测量数据点集进行补偿得到第三测量数据点集；

步骤9中，使用CAM软件，根据预设公差对所述第三测量数据点集进行叶身型面拟合，生成第一曲线；

步骤10中，使用CAM软件，对所述第一曲线进行光顺，得到第二曲线；

步骤11中，使用CAM软件，基于所述第二曲线构建工艺模型，基于所述工艺模型更新刀路轨迹，生成第二数控加工程序。

进一步地，步骤3中，通过管控软件下达加工指令至数控机床；

步骤4中，通过管控软件获取待加工叶片加工完成信号，并通过管控软件下达清洗指令至清洗设备；

步骤5中，通过管控软件获取叶片清洗完成信号，并通过管控软件下达测量指令至三坐标测量机；

步骤6中，通过管控软件根据测量判断模型对测量结果进行判断。

进一步地，步骤3中，数控机床执行所述第一数控加工程序加工待加工叶片之前，通过移动装置将所述待加工叶片从物料存储区移动至数控机床；

步骤4中，清洗设备对加工完成的叶片进行清洗之前，通过移动装置将加工完成的叶片移动至清洗设备；

步骤5中，三坐标测量机执行所述测量程序对清洗完成的叶片进行测量之前，通过移动装置将清洗完成的叶片移动至三坐标测量机。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，基于数字化生产线，通过提取三坐标测量机测量点集，集成判断模型、去噪点模型和补偿模型，建立一套自动、高效的零件加工补偿方法，避免了使用传统依靠经验手工构造工艺模型反复迭代加工方法而产生的效率低、标准不一致的问题；避免了加工数控机床与检测三坐标之间互相孤立，零件加工与检测需更换工装，测量结论包含了第二套工装的制造、装夹误差的问题；避免了采用手工抛光消除轮廓偏大数值，存在一致性不高、效率低、精度差、容易烧伤的问题。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明的某一具体实施方式，一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，采用数字化检测技术以及软件二次开发技术和工艺流程设计等关键技术，提高了工艺人员编程和零件加工效率，避免了手工参与叶片型面轮廓度修整和零件二次装夹误差，保证了零件产品叶片一致性，实现了叶片型面无余量加工，具体包括以下步骤：

步骤1：基于数字化生产线，由工艺人员制定工艺流程，工艺流程包括加工、清洗和测量。

步骤2：使用CAM软件，基于叶片设计模型(mold_1)编制第一数控加工程序(NC_1)，并将第一数控加工程序存储在程序存储区；使用三坐标测量机的测量软件，基于叶片设计模型编制测量程序(measure_1)，并将测量程序存储在程序存储区。

步骤3：操作人员通过管控软件下达加工指令至数控机床，通过移动装置将待加工叶片从物料存储区移动至数控机床，数控机床执行第一数控加工程序加工待加工叶片。

步骤4：待加工叶片加工完成后，数控机床将待加工叶片加工完成信号发送至管控软件，管控软件下达清洗指令至清洗设备，通过移动装置将加工完成的叶片移动至清洗设备，清洗设备对加工完成的叶片进行清洗。

步骤5：叶片清洗完成后，清洗设备将清洗完成信号发送至管控软件，管控软件下达测量指令至三坐标测量机，通过移动装置将清洗完成的叶片移动至三坐标测量机，三坐标测量机执行测量程序对清洗完成的叶片进行测量，并生成第一测量数据点集(points_1)，同时还生成测量报告。

步骤6：管控软件根据测量判断模型对测量结果进行判断，如果叶片尺寸合格，则加工完成，通过移动装置将加工完成的叶片移动至物料存储区；

具体地，测量判断模型为：

λ₁*h_i≤Φ≤λ₂*m_i i∈[1,n]

式中，λ₁和λ₂表示质量控制系数；i表示叶片某型面截面；h_i和m_i分别表示叶片某型面截面位置下公差和叶片某型面截面位置上公差；Φ表示叶片某型面截面实测值位置度。

如果叶片尺寸超差，则执行步骤7。

步骤7：使用CAM软件，获取第一测量数据点集，通过去噪点模型对第一测量数据点集去躁点得到第二测量数据点集(points_2)；

具体地，去噪点模型为：

式中，L_i,i-1表示点i和点i-1的距离；L_i,i+1表示点i和点i+1的距离；L_i-1,i+1表示点i-1和点 i+1的距离；当θ大于设定值时，认为该点是躁点，对该点进行剔除；优选的，设定值为-0.6°＜θ＜0.6°。

步骤8：使用CAM软件，以叶型理论曲线方程和变形系数为约束，通过补偿模型对第二测量数据点集进行补偿得到第三测量数据点集(points_3)；

具体地，补偿模型为：

(X-a_i)²+(Y-b_i)²+(Z-c_i)²＝R²

式中，a_i,b_i,c_i表示第二测量数据点集中的任意一点O_i的坐标值；R表示点O_i到理论叶片型面线的最小距离；X、Y和Z分别表示以O_i为中心的空间圆方程上的任意一点，该圆半径大小为R。

叶型理论曲线方程为：

y＝ω_ixⁱ+ω_i-1x^i-1+……+ωx+C₁ i∈[1,n]

z＝C₂

式中，x、y和z分别表示理论叶片型面线(样条线)任意一点的空间坐标值，它们之间满足一定的方程关系；ω_i表示x方程的系数；C₁表示一个常数；C₂表示另一个常数。

变形系数为：

式中，

表示变形系数；O_i表示第二测量数据点集中的任意一点；O′_i表示O_i对应第三测量数据点集上的点；P₀表示O_i与理论叶片型面线最近的点。

步骤9：使用CAM软件，根据预设公差对第三测量数据点集进行叶身型面拟合，生成第一曲线(S_1N)。

步骤10：使用CAM软件，对第一曲线进行光顺，得到第二曲线(S_2N)。

步骤11：使用CAM软件，基于第二曲线构建工艺模型，基于工艺模型更新刀路轨迹，生成第二数控加工程序(NC2)，并将第二数控加工程序存储在程序存储区。

步骤12：将第一数控加工程序更新为第二数控加工程序，重复步骤3～12。

本实施例中，CAM软件为UG，管控软件为MAPCS，移动装置为机器人。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，其特征在于，包括：

步骤1：基于数字化生产线，制定工艺流程，所述工艺流程包括加工、清洗和测量；

步骤2：基于叶片设计模型编制第一数控加工程序和测量程序；

步骤3：下达加工指令至数控机床，数控机床执行所述第一数控加工程序加工待加工叶片；

步骤4：待加工叶片加工完成后，下达清洗指令至清洗设备，清洗设备对加工完成的叶片进行清洗；

步骤5：叶片清洗完成后，下达测量指令至三坐标测量机，三坐标测量机执行所述测量程序对清洗完成的叶片进行测量，并生成第一测量数据点集；

步骤6：根据测量判断模型对测量结果进行判断，如果叶片尺寸合格，则加工完成；如果叶片尺寸超差，则执行步骤7；

所述测量判断模型为：

λ₁*h_i≤Φ≤λ₂*m_i i∈[1,n]

式中，λ₁和λ₂表示质量控制系数；i表示叶片某型面截面；h_i和m_i分别表示叶片某型面截面位置下公差和叶片某型面截面位置上公差；Φ表示叶片某型面截面实测值位置度；

步骤7：通过去噪点模型对所述第一测量数据点集去躁点得到第二测量数据点集；

所述去噪点模型为：

式中，L_i,i-1表示点i和点i-1的距离；L_i,i+1表示点i和点i+1的距离；L_i-1,i+1表示点i-1和点i+1的距离；当θ大于设定值时，认为该点是躁点，对该点进行剔除；

步骤8：以叶型理论曲线方程和变形系数为约束，通过补偿模型对所述第二测量数据点集进行补偿得到第三测量数据点集；

所述叶型理论曲线方程为：

y＝ω_ixⁱ+ω_i-1x^i-1+……+ωx+C₁ i∈[1,n]

z＝C₂

式中，x、y和z分别表示理论叶片型面线任意一点的空间坐标值，它们之间满足一定的方程关系；ω_i表示x方程的系数；C₁表示一个常数；C₂表示另一个常数；

所述变形系数为：

式中，

表示变形系数；O_i表示第二测量数据点集中的任意一点；O_i′表示O_i对应第三测量数据点集上的点；P₀表示O_i与理论叶片型面线最近的点；

所述补偿模型为：

(X-a_i)²+(Y-b_i)²+(Z-c_i)²＝R²

式中，a_i,b_i,c_i表示第二测量数据点集中的任意一点O_i的坐标值；R表示点O_i到理论叶片型面线的最小距离；X、Y和Z分别表示以O_i为中心的空间圆方程上的任意一点，该圆半径大小为R；

步骤9：根据预设公差对所述第三测量数据点集进行叶身型面拟合，生成第一曲线；

步骤10：对所述第一曲线进行光顺，得到第二曲线；

步骤11：基于所述第二曲线构建工艺模型，基于所述工艺模型更新刀路轨迹，生成第二数控加工程序；

步骤12：将所述第一数控加工程序更新为所述第二数控加工程序，重复步骤3～12。

2.根据权利要求1所述的一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，其特征在于，所述设定值为-0.6°＜θ＜0.6°。

3.根据权利要求1所述的一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，其特征在于，步骤2中，使用CAM软件，基于叶片设计模型编制第一数控加工程序；使用三坐标测量机的测量软件，基于所述叶片设计模型编制测量程序；

步骤7中，使用CAM软件，获取所述第一测量数据点集，通过去噪点模型对所述第一测量数据点集去躁点得到第二测量数据点集；

步骤8中，使用CAM软件，以叶型理论曲线方程和变形系数为约束，通过补偿模型对所述第二测量数据点集进行补偿得到第三测量数据点集；

步骤9中，使用CAM软件，根据预设公差对所述第三测量数据点集进行叶身型面拟合，生成第一曲线；

步骤10中，使用CAM软件，对所述第一曲线进行光顺，得到第二曲线；

步骤11中，使用CAM软件，基于所述第二曲线构建工艺模型，基于所述工艺模型更新刀路轨迹，生成第二数控加工程序。

4.根据权利要求1所述的一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，其特征在于，步骤3中，通过管控软件下达加工指令至数控机床；

步骤4中，通过管控软件获取待加工叶片加工完成信号，并通过管控软件下达清洗指令至清洗设备；

步骤5中，通过管控软件获取叶片清洗完成信号，并通过管控软件下达测量指令至三坐标测量机；

步骤6中，通过管控软件根据测量判断模型对测量结果进行判断。

5.根据权利要求1所述的一种基于工艺模型的模锻叶片型面自适应补偿加工方法，其特征在于，步骤3中，数控机床执行所述第一数控加工程序加工待加工叶片之前，通过移动装置将所述待加工叶片从物料存储区移动至数控机床；

步骤4中，清洗设备对加工完成的叶片进行清洗之前，通过移动装置将加工完成的叶片移动至清洗设备；

步骤5中，三坐标测量机执行所述测量程序对清洗完成的叶片进行测量之前，通过移动装置将清洗完成的叶片移动至三坐标测量机。