CN113867258B - 一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空叶片加工领域，并具体公开了一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法，其包括步骤：S1、将叶片安装到机床上，根据叶片的设计模型，沿叶身方向均匀截取若干个截面，基于曲率差值法生成自适应分布的叶片测点，即理论测点；S2、根据各截面的理论测点对叶身进行测量，得到实际测点；根据距离方差最小化匹配目标函数，将实际测点与设计模型进行匹配，得到坐标变换关系；S3、根据坐标变换关系对实际工件坐标系进行调整，进而机床根据调整后的实际工件坐标系进行叶片定位加工。本发明能够实现叶片测点的自适应分布，经过优化后的坐标系能够保证加工余量均匀。

Description

一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法

技术领域

本发明属于航空叶片加工领域，更具体地，涉及一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法。

背景技术

航空叶片是航空发动机的核心零部件，其制造精度对航空发动机的服役性能有至关重要的影响。铸造叶片毛坯在叶型检测合格后，需要对榫头和安装板进行加工，其加工前的工件定位需根据叶身的位置和安装角确定。

航空叶片叶身多为曲面结构，而现有的叶身定位方法容易导致叶片加工超差，主要体现在：(1)叶型测点多采用离线三坐标测量，三坐标测量的工件坐标系与数控机床的装夹定位存在一定偏差，导致叶片加工精度难以保证；(2)叶片为弯扭曲曲面结构，均匀分布采样点使前后缘等高曲率区域测点较少，测点与理论叶型匹配时易导致前后缘区域加工余量难以保证。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法，其目的在于，获取自适应的叶片测点，实现对叶片的准确定位加工。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法，包括如下步骤：

S1、将叶片安装到机床上，根据叶片的设计模型，沿叶身方向均匀截取若干个截面，获取每个截面的理论测点，具体包括：

S11、在截面上均匀获取多个采样点，并计算各采样点的曲率；

S12、分别计算所有采样点与其相邻点曲率差的绝对值，其中最小值为w₁，最大值为w₂，设置初始曲率阈值

S13、遍历所有采样点，判断采样点与其相邻点曲率差的绝对值Δ是否满足曲率条件Δ≥δ，如果满足，则保留该采样点，否则删除该采样点；

S14、如果保留的采样点数目大于预设点数，则调整阈值，具体令w₂＝δ，然后重复步骤S13；如果保留的采样点数目k不大于预设点数，则以保留的采样点作为理论测点；

S2、根据各截面的理论测点对叶身进行测量，得到实际测点；将实际测点与设计模型进行匹配，得到坐标变换关系；

S3、根据坐标变换关系对实际工件坐标系进行调整，进而机床根据调整后的实际工件坐标系进行叶片定位加工。

作为进一步优选的，采用距离方差最小化目标函数对实际测点与设计模型进行匹配。

作为进一步优选的，将实际测点与设计模型进行匹配，包括如下步骤：

确定各实际测点p_i在设计模型中对应的最近点q_i，实际测点p_i经过刚体变换参数g(R,t)移动到点p_i+；通过最小二乘法对方差最小化匹配目标函数求解，得到刚体变换参数g(R,t)，即坐标变换关系；

方差最小化匹配目标函数具体为：

其中，d_i＝||p_i+-q_i||＝||Rp_i+t-q_i||，R为旋转矩阵，t为平移矩阵；为d_i的均值，i＝1,2…,m，m为实际测点总数。

作为进一步优选的，步骤S11中，在截面上均匀获取采样点的个数M为：

其中，L为工艺能力系数，α为待测曲面在U、V方向的度量比，Z_1-α、Z_α分别表示标准正态分布下1-α、α分位数。

作为进一步优选的，步骤S11中，各采样点的曲率的计算方式如下：对于采样点P_i，取其相邻的两个采样点P_i-1、P_i+1，通过P_i-1、P_i、P_i+1这三点拟合得到圆i，计算圆i的半径r(i)，将该值近似为点P_i处的曲率半径，则点P_i处曲率ρ_i＝1/r(i)。

作为进一步优选的，步骤S2中，得到实际测点后，通过实际测点对叶片特征参数进行评价，判断叶片是否满足设计要求，若满足，则继续计算坐标变换关系，若不满足，则该叶片不达标，不进行后续加工。

作为进一步优选的，采用六点迭代法建立实际工件坐标系。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过对待加工叶片样件进行在机测量，并根据叶片的弯扭曲曲面结构，基于曲率差值生成叶片测点，从而实现测点的自适应分布，即在叶片曲率高的区域测点密集，低曲率区域测点分布少；进而对测点与理论叶型匹配，并将匹配结果转化为工件坐标系的偏移量，实现对叶片的准确定位加工。

2.目前常采用的离线测量一般是将零件从机床上拿下来用三坐标测量机等设备进行检测，而在机测量是利用数控机床末端直接装上测头对工件进行测量，本发明在待加工叶片装上机床后，利用在机测量的方式直接完成对于加工坐标系的优化，可避免零件重复拆装带的装夹误差。

3.本发明对测点与理论叶型匹配方法进行改进，以点到点距离的方差最小化为匹配函数，使得匹配更加准确，配合自适应分布的测点，使得匹配完成之后，在优化的工件坐标系下，实现了加工余量的均匀分配，满足叶片的加工需求。

附图说明

图1为本发明实施例建立的实际工件坐标系示意图；

图2为本发明实施例叶片待测曲面示意图；

图3为本发明实施例所生成的叶片截面测点均布图；

图4为本发明实施例所构建的曲率差值法原理图；

图5为本发明实施例基于曲率差值生成的自适应叶片截面测点分布图；

图6为本发明实施例测点到设计模型最近点的点-点距离示意图；

图7为本发明实施例基于在机测量的航空叶片加工定位方法流程图。

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。

本发明实施例提供的一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法，如图7所示，包括如下步骤：

S1、采用六点迭代法建立实际工件坐标系，如图1所示，具体将待加工叶片安装到机床上，采用接触式或非接触式测头在叶片上获取所需六点。

S2、利用待测叶片的设计模型，沿着叶身方向均匀分布若干截面，针对每个截面生成自适应分布的叶片测点，作为理论测点；具体包括如下步骤：

S21、在截面上获取多个采样点：

如图2所示，叶片的叶身为待测曲面，U为叶身截面曲线的切线方向，V为叶片叶身方向；计算待测曲面U、V方向的度量比α，即α＝U/V，然后通过以下公式确定均匀采样点数M：

式中，L为工艺能力系数，L＝T/6σ，T是给定的加工公差范围，6σ是实际加工过程中出现的误差；Z_1-α、Z_α分别表示标准正态分布下1-α、α分位数；

利用设定的均匀采样点数M，对指定截面进行均匀采样，单个截面均匀采样后的结果如图3所示。

S22、截面曲线上均布M个点，如图4所示，对于采样点P_i，取其相邻的两个采样点P_i-1、P_i+1，通过P_i-1、P_i、P_i+1这三点拟合得到圆i，计算该圆的半径r(i)，将该值近似为点P_i处的曲率半径，则点P_i处曲率为ρ_i＝1/r(i)，按上述方法求得第i+1点的曲率ρ_i+1＝1/r(i+1)；

S23、分别计算所有采样点P_i与其相邻点P_i+1曲率差的绝对值Δ＝|ρ_i+1-ρ_i|，进而找到绝对值中的最小值w₁和最大值w₂，设置初始曲率阈值为

S24、遍历所有采样点，判断采样点是否满足曲率条件Δ≥δ，如果满足，则保留该采样点，否则删除该采样点；

S25、经过上一轮筛选后，如果保留的采样点数目k多于设定的采样点数m，即k＞m，则调整阈值，具体的，赋值令w₂＝δ，进而根据赋值后的w₂更新阈值即缩小阈值范围，然后重复步骤S24，继续对剩余采样点进行筛选；如果保留的采样点数目k少于等于设定的采样点数m，即k≤m，则停止，则以保留的采样点作为理论测点，最终得到的理论测点如图5所示。

S3、利用规划的理论测点，完成对叶身的测量，得到实际测点坐标；在测量完成之后，通过分析实际测点对叶片的特征参数进行评价，判断叶片是否满足设计要求，针对满足设计要求的叶片进行加工坐标系的优化，对于不满足设计要求的叶片，不宜进行后续加工。

具体的，需要分析的叶片特征参数包括：前后缘半径、中弧线、最大厚度、弦长、相对扭角、截面扭角。

S4、定义方差最小化匹配目标函数，将实际测点与叶片设计模型匹配，求解得到实际工件坐标系相对于理论工件坐标系的坐标变换关系g(R,t)；

具体的，采用距离方差最小化目标函数对实际测点与设计模型进行匹配，按照如下步骤进行：

S41、如图6所示，确定各实际测点p_i在设计模型中对应的最近点q_i，实际测点p_i经过刚体变换参数g(R,t)移动到点p_i+，计算点p_i+到q_i的距离d_i；

S42、采用点-点距离为基础的方差最小化原理匹配方法，定义方差最小化匹配目标函数：

式中，d_i＝||p_i+-q_i||＝||Rp_i+t-q_i||，R为旋转矩阵，t为平移向量；表示d_i的均值，i＝1,2…,m，m为实际测点总数；

S43、假设刚体运动的广义速度V＝[ν ω]^T，则Δp_i＝p_i+-p_i＝ω×p_i+ν，对d_i进行化简：

式中，[]表示反对称矩阵，A_i＝[I₃ -[p_i]]，c_i＝p_i-q_i，w为刚体角速度，v为刚体线速度。

进而目标函数min F(R,t)可以表示为关于V＝[ν ω]^T的二次函数，然后采用最小二乘法线性计算V，得出t＝ν，R＝e^[ω]，进而得到实际工件坐标系相对于理论工件坐标系的坐标变换关系g(R,t)。

S5、将坐标变换关系中的平移向量t作为工件坐标系在X、Y、Z方向的微调值输入数控机床，实现对实际工件坐标系的调整，根据调整后的实际工件坐标系进行叶片定位。

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 (6)

1.一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将叶片安装到机床上，根据叶片的设计模型，沿叶身方向均匀截取若干个截面，获取每个截面的理论测点，具体包括：

S11、在截面上均匀获取多个采样点，并计算各采样点的曲率；

S12、分别计算所有采样点与其相邻点曲率差的绝对值，其中最小值为w₁，最大值为w₂，设置初始曲率阈值

S13、遍历所有采样点，判断采样点与其相邻点曲率差的绝对值Δ是否满足曲率条件Δ≥δ，如果满足，则保留该采样点，否则删除该采样点；

S14、如果保留的采样点数目大于预设点数，则调整阈值，具体令w₂＝δ，然后重复步骤S13；如果保留的采样点数目k不大于预设点数，则以保留的采样点作为理论测点；

S2、根据各截面的理论测点对叶身进行测量，得到实际测点；将实际测点与设计模型进行匹配，得到坐标变换关系；

在步骤S2中，得到实际测点后，通过实际测点对叶片特征参数进行评价，判断叶片是否满足设计要求，若满足，则继续计算坐标变换关系，若不满足，则该叶片不达标，不进行后续加工；

S3、根据坐标变换关系对实际工件坐标系进行调整，进而机床根据调整后的实际工件坐标系进行叶片定位加工。

2.如权利要求1所述的基于在机测量的航空叶片加工定位方法，其特征在于，采用距离方差最小化目标函数对实际测点与设计模型进行匹配。

3.如权利要求2所述的基于在机测量的航空叶片加工定位方法，其特征在于，将实际测点与设计模型进行匹配，包括如下步骤：

确定各实际测点p_i在设计模型中对应的最近点q_i，实际测点p_i经过刚体变换参数g(R,t)移动到点p_i+；通过最小二乘法对方差最小化匹配目标函数求解，得到刚体变换参数g(R,t)，即坐标变换关系；

方差最小化匹配目标函数具体为：

其中，d_i＝||p_i+-q_i||＝||Rp_i+t-q_i||，R为旋转矩阵，t为平移矩阵；d为d_i的均值，i＝1,2…,m，m为实际测点总数。

4.如权利要求1所述的基于在机测量的航空叶片加工定位方法，其特征在于，步骤S11中，在截面上均匀获取采样点的个数M为：

其中，L为工艺能力系数，α为待测曲面在U、V方向的度量比，Z_1-α、Z_α分别表示标准正态分布下1-α、α分位数。

5.如权利要求1所述的基于在机测量的航空叶片加工定位方法，其特征在于，步骤S11中，各采样点的曲率的计算方式如下：对于采样点P_i，取其相邻的两个采样点P_i-1、P_i+1，通过P_i-1、P_i、P_i+1这三点拟合得到圆i，计算圆i的半径r(i)，将该值近似为点P_i处的曲率半径，则点P_i处曲率ρ_i＝1/r(i)。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于在机测量的航空叶片加工定位方法，其特征在于，采用六点迭代法建立实际工件坐标系。