CN114669775A - 叶片气膜孔加工自适应定位方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

叶片气膜孔加工自适应定位方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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CN114669775A CN202210344527.0A CN202210344527A CN114669775A CN 114669775 A CN114669775 A CN 114669775A CN 202210344527 A CN202210344527 A CN 202210344527A CN 114669775 A CN114669775 A CN 114669775A
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Abstract

本发明提供了一种叶片气膜孔加工自适应定位方法、系统、设备及存储介质，解决现有克服变形叶片与理论叶片之间几何信息差异的方法，无法匹配二者实际对应关系，需人工干预影响气膜孔自动化加工的问题。该方法通过分析叶片装夹后实际外形与理论模型间的相对位置，结合叶片变形映射关系，获取实际叶片气膜孔相对夹具的位置，并利用在机测量获取夹具装夹在机床上的实际装夹状态，实现对实际叶片气膜孔的自适应定位，因此，该方法实现了实际气膜孔的精确定位与解析，简化了叶片与夹具的装夹定位过程，降低了对操作人员的专业技能需求，并支撑了气膜孔智能加工产线的自动化运行。

Description

叶片气膜孔加工自适应定位方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮叶片气膜孔的自适应加工技术领域，具体涉及一种考虑变形的叶片气膜孔加工自适应定位方法、定位系统、控制设备及计算机可读存储介质。
背景技术
涡轮叶片服役环境恶劣，工作温度极高，已超过自身材料所能承受的极限，容易产生高温蠕变，对航空发动机的动力性能与使用寿命造成重大不利影响。气膜冷却是目前较为广泛应用的涡轮叶片冷却技术，可以有效的隔绝高温气体，提升相关部件的抗高温蠕变能力。
气膜孔的制造精度包括几何形状、位置分布与姿态方向，对冷却效果起着决定性作用。其中，几何形状的制造精度通过飞秒激光、电火花等特种加工可以得到保障；受工艺的限制，铸造后涡轮叶片与理论模型存在一定的差异，即使在满足制造公差要求的情况下，铸造后的变形也会改变涡轮叶片几何模型的局部空间分布，使得气膜孔的理论位姿与涡轮叶片的实际形状无法完全匹配，仍然按照气膜孔的理论信息进行加工将无法满足冷却性能的要求。
现有的解决变形叶片与理论叶片之间几何信息差异的技术主要分两个方面。其一是重建变形后叶片的几何模型。通过一定的测量手段获取变形叶片几何外形的点云数据或者三角网格数据，利用叶片几何特征等相关逆向工程方法，重构并扫掠叶片截面线，获取实际叶片的三维几何模型，并将理论气膜孔投影于实际叶片。但是，投影过程未考虑气膜孔位姿设计意图与理论叶片模型的内在联系，仍然无法匹配二者的实际对应关系。其二是叶片的配准定位法。以六点定位为代表，利用理论模型上的六个关键点与测量模型进行配准，并通过不断迭代调整理论叶片的整体位姿，进而实现气膜孔位姿的变换。该方法只能对叶片进行整体的刚性变换，并在一定约束下达到与测量叶片的最佳匹配位置，并没有解决叶片变形后的气膜孔分布问题。除此之外，铸造工艺的一致性无法得到保证，不同批次的涡轮叶片误差分布存在差异，需要通过人工干预的方法逐个调整孔位数据，严重影响了气膜孔的自动化加工进程，需要应用自适应定位技术，提供个性化的变形定位解决方法。目前关于气膜孔自适应定位的研究较少，已有技术对叶片几何特征了解不足，也没有建立定位结果与加工系统之间的数据传输系统，进而缺少涡轮叶片气膜孔自适应定位的有效实施方案。
发明内容
为了解决现有克服变形叶片与理论叶片之间几何信息差异的方法，或存在投影过程未考虑气膜孔位姿设计意图与理论叶片模型内在联系，而无法匹配二者实际对应关系，或需通过人工干预，严重影响气膜孔自动化加工进程的技术问题，本发明提供了一种叶片气膜孔加工自适应定位方法、系统、设备及存储介质。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种叶片气膜孔加工自适应定位方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、扫描叶片安装到夹具上的整体外形，得到扫描模型Mscan；
步骤2、利用三维ICP配准算法将理论夹具模型Mjig与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tjig,scan；
步骤3、利用三维IMLS-ICP配准算法将理论叶片模型Mpart上的设计点{Ppart}与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tpart,scan；
步骤4、在理论夹具模型Mjig上创建理论加工坐标系MCSidea，获得理论夹具模型Mjig到理论加工坐标系MCSidea的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000021
步骤5、将扫描模型Mscan变换到叶片设计坐标系WCSpart下，得到设计坐标系下的扫描模型
Figure BDA0003575892340000022
利用涡轮叶片设计截面组与扫描模型
Figure BDA0003575892340000023
求交，得到叶身截面曲线组{Ci,section}；
步骤6、利用叶身截面线特征分割算法，将叶身截面曲线组{Ci,section}的每个叶身截面曲线Ci,section分割为叶盆曲线Ci,basin、叶背曲线Ci,convex及前缘曲线Ci,lead，则叶身截面曲线组{Ci,section}分割为叶盆曲线组{Ci,basin}、叶背曲线组{Ci,convex}及前缘曲线组{Ci,lead}；
步骤7、通过在叶盆曲线组{Ci,basin}、叶背曲线组{Ci,convex}和前缘曲线组{Ci,lead}上分别放样，得到叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex和前缘曲面Slead；
步骤8、利用涡轮叶片铸造变形误差计算方法建立铸造叶片变形位移场{F(Pj,Tj)}，按照叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex、前缘曲面Slead的空间位置，将叶片变形位移场{F(Pj,Tj)}分割为叶盆对应位移场{Fj,basin}、叶背对应位移场{Fj,convex}和前缘对应位移场{Fj,lead}；
步骤9、将理论叶片模型Mpart上的气膜孔组{H(pk,lk)}按照叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex、前缘曲面Slead的空间位置，分割为叶盆气膜孔组{Hk,basin}、叶背气膜孔组{Hk,convex}和前缘气膜孔组{Hk,lead}；
步骤10、在叶盆曲面Sbasin上，分别以曲面参数(u,v)做X轴、Y轴，叶片变形位移场F中的变换矩阵T作Z轴，建立坐标系RCSbasin；然后将叶盆对应位移场{Fj,basin}变换到该坐标系下，计算叶盆气膜孔组{Hk,basin}的每个叶盆气膜孔Hk,basin的位置坐标pk,basin在叶盆曲面Sbasin上的参数(uk,basin,vk,basin)，则通过在坐标系RCSbasin中插值可确定每个叶盆气膜孔Hk,basin对应的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000031
获得叶盆气膜孔组{Hk,basin}的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000032
步骤11、采用与步骤10相同的方法，分别获得叶背气膜孔组{Hk,convex}的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000033
和前缘气膜孔组{Hk,lead}的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000034
然后通过坐标变换得到理论气膜孔Hk到扫描模型Mscan的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000035
Figure BDA0003575892340000036
步骤12、采用在机测量方式，获取带叶片夹具安装到机床上的三个基准平面Π1、Π2、Π3上的测量数据集
Figure BDA0003575892340000037
并分别进行平面拟合，获取对应的平面参数
Figure BDA0003575892340000038
步骤13、按照基准平面可信度优先级，并根据步骤12获得的平面参数计算Z轴、Y轴和X轴矢量，然后根据Z轴、Y轴和X轴矢量建立机床上实际加工坐标系MCSreal，获得实际加工坐标系MCSreal与理论加工坐标系MCSidea间的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000039
步骤14、结合步骤2、步骤4、步骤11和步骤13，获得理论气膜孔Hk到机床上实际加工坐标系MCSreal的变换矩阵
Figure BDA00035758923400000310
Figure BDA0003575892340000041
步骤15、根据步骤14的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000042
获得机床上当前装夹姿态下的实际叶片气膜孔位置坐标
Figure BDA0003575892340000043
和轴向矢量
Figure BDA0003575892340000044
Figure BDA0003575892340000045
其中，
Figure BDA0003575892340000046
为旋转变换矩阵，通过
Figure BDA0003575892340000047
Figure BDA0003575892340000048
获得，
Figure BDA0003575892340000049
为平移变换矩阵。
进一步地，步骤5中，扫描模型
Figure BDA00035758923400000410
进一步地，步骤14中，利用笛卡尔坐标变换原理结合步骤2、步骤4、步骤11和步骤13。
进一步地，步骤13中，按照基准平面可信度优先级，并根据步骤12的平面参数计算Z轴、Y轴和X轴矢量具体为：
令三个基准平面Π1、Π2、Π3的可信度优先级为Π1＞Π2＞Π3，且分别为Z轴、Y轴和X轴平面，则
Figure BDA00035758923400000411
为Z轴矢量，
Figure BDA00035758923400000412
Figure BDA00035758923400000413
为X轴矢量，
Figure BDA00035758923400000414
Figure BDA00035758923400000415
为Y轴矢量。
进一步地，步骤8和步骤9之间还包括步骤A判断：分别计算叶片的弯曲、扭转和涨缩变形，并分别与设计要求进行对比，若弯曲、扭转和涨缩变形均满足设计要求，则执行步骤9，若否，则结束。
第二方面，本发明提供一种叶片气膜孔加工自适应定位系统，其特殊之处在于：包括扫描控制分系统、定位计算分系统、装夹找正分系统和轨迹生成分系统；
所述扫描控制分系统用于对叶片安装到夹具上的整体外形数据采集，获取对应扫描模型Mscan；
所述装夹找正分系统用于获取带叶片夹具安装到机床上的三个基准平面Π1、Π2、Π3上的测量数据集
Figure BDA00035758923400000416
并分别进行平面拟合，获取对应的平面参数
Figure BDA00035758923400000417
从而获得实际加工坐标系MCSreal与理论加工坐标系MCSidea间的变换矩阵
Figure BDA00035758923400000418
所述定位计算分系统包括定位计算功能模块、模型预处理功能模块、变形位移场分析功能以及孔位/轴向解析功能模块；
所述模型预处理功能模块用于获取扫描模型叶身截面曲线组{Ci,section}，并分割为叶盆曲面线组{Ci,basin}、叶背曲线组{Ci,convex}及前缘曲线组{Ci,lead}，通过放样得到叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex及前缘曲面Slead；
所述变形位移场分析功能用于计算叶片铸造变形误差，建立铸造叶片变形位移场{F(Pj,Tj)}，并分割为叶盆对应位移场{Fj,basin}、叶背对应位移场{Fj,convex}及前缘对应位移场{Fj,lead}；
所述孔位/轴向解析功能模块用于计算叶盆气膜孔{Hk,basin}、叶背气膜孔{Hk,convex}和前缘气膜孔{Hk,lead}对应的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000051
及
Figure BDA0003575892340000052
从而获取理论叶片Mpart气膜孔Hk到扫描模型Mscan的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000053
所述定位计算功能模块用于将理论夹具模型Mjig与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tjig,scan，将理论叶片模型Mpart上的设计点{Ppart}与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tpart,scan，以及获得理论夹具模型Mjig到理论加工坐标系MCSidea的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000054
并根据变换矩阵Tjig,scan、变换矩阵
Figure BDA0003575892340000055
变换矩阵
Figure BDA0003575892340000056
和变换矩阵
Figure BDA0003575892340000057
获得理论气膜孔Hk到机床上实际加工坐标系MCSreal的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000058
所述轨迹生成分系统用于根据变换矩阵
Figure BDA0003575892340000059
获得机床上当前装夹姿态下的实际叶片气膜孔位置坐标
Figure BDA00035758923400000510
和轴向矢量
Figure BDA00035758923400000511
并生成相应打孔轨迹；
第三方面，本发明提供了一种控制设备，其特殊之处在于：包括处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的程序指令，当电子设备运行时，所述处理器与存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述程序指令，以执行如上述考虑变形的叶片气膜孔加工自适应定位方法的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其特殊之处在于：所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上述考虑变形的叶片气膜孔加工自适应定位方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明叶片气膜孔加工自适应定位方法通过分析叶片装夹后实际外形与理论模型间的相对位置，结合叶片变形映射关系，获取实际叶片气膜孔相对夹具的位置，并利用在机测量获取夹具装夹在机床上的实际装夹状态，实现对实际叶片气膜孔的自适应定位，因此，本发明方法实现了实际气膜孔的精确定位与解析，简化了叶片与夹具的装夹定位过程，降低了对操作人员的专业技能需求，并支撑了气膜孔智能加工产线的自动化运行。
附图说明
图1为本发明叶片气膜孔加工自适应定位系统的结构框图；
图2为本发明叶片气膜孔加工自适应定位系统实施例中五大分系统间逻辑关系示意图；
图3为本发明叶片气膜孔加工自适应定位方法实施例中涡轮叶片与夹具相对位姿变换原理示意图；
图4为本发明实施例中涡轮叶片特征分割结果示意图；
图5为本发明实施例中叶片变形位移场示意图；
图6为本发明实施例中气膜孔位置/轴向解析原理示意图；
图7为本发明实施例中夹具在机床上的安装找正原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明结合实际零件检测数据与理论实体模型，提供一种叶片气膜孔加工自适应定位方法。通过分析叶片装夹后实际外形与理论模型间的相对位置，结合叶片变形映射关系，获取实际叶片气膜孔相对夹具的位置，并利用在机测量获取夹具装夹在机床上的实际装夹状态，实现对实际叶片气膜孔的自适应定位。
本发明实施例一种叶片气膜孔加工自适应定位方法，理论叶片模型Mpart、理论夹具模型Mjig、理论气膜孔数据{H(pk,lk)}、理论叶片上设计截平面组{Ωi}及设计6点{Ppart}均由外部直接获取，理论加工坐标系MCSidea在夹具理论模型上通过手工创建并以数据形式输入，实现该定位方法的叶片气膜孔加工自适应定位系统框图如图1所示，主要由扫描控制、定位计算、装夹找正、轨迹生成和接口控制五个分系统构成，五大分系统间逻辑关系如图2所示，本实施例方法包括以下步骤：
步骤1、将叶片安装到夹具上并夹紧，以保证使用过程中夹具与叶片相对位置不会发生变化；将装夹后的叶片放置于扫描控制分系统下，通过控制蓝光扫描设备运动并采集获取整体外形的扫描模型Mscan；
步骤2、采用三维ICP配准算法将理论夹具模型Mjig与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tjig,scan，如图3所示；
步骤3、采用三维IMLS-ICP配准算法将理论叶片模型Mpart上的设计点{Ppart}(6个点，由涡轮叶片设计方提供)与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tpart,scan，如图3所示；
步骤4、在理论夹具模型Mjig上创建理论加工坐标系MCSidea，获得理论夹具模型Mjig到理论加工坐标系MCSidea的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000071
如图3所示；
步骤5、将扫描模型Mscan变换到叶片设计坐标系WCSpart下，得到设计坐标系下的扫描模型
Figure BDA0003575892340000072
利用涡轮叶片设计截面组{Ωi}与扫描模型
Figure BDA0003575892340000073
求交，得到叶身截面曲线组{Ci,section}，如图4所示；
其中，i＝1,2,…,n，n为组内曲线的数量；
步骤6、利用叶身截面线特征分割算法，将叶身截面曲线组{Ci,section}的每个叶身截面曲线Ci,section分割为叶盆曲线Ci,basin、叶背曲线Ci,convex及前缘曲线Ci,lead，如图4所示，则叶身截面曲线组{Ci,section}分割为叶盆曲面线组{Ci,basin}、叶背曲线组{Ci,convex}及前缘曲线组{Ci,lead}；
步骤7、通过在叶盆曲线组{Ci,basin}上放样，得到叶盆曲面Sbasin；以及通过在叶背曲线组{Ci,convex}上放样，得到叶背曲面Sconvex；通过在前缘曲线组{Ci,lead}上放样，得到前缘曲面Slead，如图4所示；
步骤8、利用涡轮叶片铸造变形误差计算方法，建立铸造叶片变形位移场{F(Pj,Tj)}(其中Pj为理论叶片模型指定位置处的坐标，Tj为Pj到其对应实际模型上点的变换矩阵，j＝1,2,…,m，m为计算叶片变形位移场的点数)，按照叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex、前缘曲面Slead的空间位置，将叶片变形位移场{F(Pj,Tj)}分割为叶盆对应位移场{Fj,basin}、叶背对应位移场{Fj,convex}和前缘对应位移场{Fj,lead}，如图5所示；
步骤9、分别计算叶片的弯曲、扭转和涨缩变形，通过与设计要求对比，判定当前叶片毛坯是否合格，若计算的弯曲、扭转和涨缩变形均符合设计要求，则当前叶片毛坯合格，则执行步骤10，若不合格，给出预警并终止后续流程；
步骤10、将理论叶片模型Mpart上的气膜孔组{H(pk,lk)}(其中pk为气膜孔在叶身上的位置坐标，lk为其轴向矢量，k＝1,2,…,s，s为气模孔的数量)按照叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex、前缘曲面Slead的空间位置，分割为叶盆气膜孔组{Hk,basin}、叶背气膜孔组{Hk,convex}和前缘气膜孔组{Hk,lead}，如图6所示；
步骤11、如图6所示，在叶盆曲面Sbasin上，分别以曲面参数(u,v)做Z轴、Y轴，叶片变形位移场F中的变换矩阵T作Z轴建立坐标系RCSbasin，将叶盆对应位移场{Fj,basin}变换到该坐标系下，计算叶盆气膜孔组{Hk,basin}的每个叶盆气膜孔Hk,basin的位置坐标pk,basin在叶盆曲面Sbasin上的参数(uk,basin,vk,basin)，则通过在坐标系RCSbasin中插值，即可确定每个叶盆气膜孔Hk,basin对应的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000081
获得叶盆气膜孔组{Hk,basin}的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000082
步骤12、对于叶背气膜孔组{Hk,convex}和前缘气膜孔组{Hk.lead}，可采用与叶盆气膜孔组{Hk,basin}同样的方法获取相应的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000083
和
Figure BDA0003575892340000084
则采用与步骤10相同的方法，可分别获得叶背气膜孔组{Hk,convex}的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000085
和前缘气膜孔组{Hk,lead}的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000086
由于上述变换矩阵均为理论叶片Mpart气膜孔Hk到设计坐标系下的扫描模型
Figure BDA0003575892340000087
的变换矩阵，故可通过坐标变换得到理论气膜孔Hk(已知)到扫描模型Mscan的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000088
Figure BDA0003575892340000089
步骤13、将装夹后的叶片放置于打孔设备上，并执行后续流程；
步骤14、利用装夹找正分系统中的对刀轨迹规划功能生成用于测量夹具基准平面Π1、Π2、Π3的对刀轨迹，利用指令生成功能将其转换为对应设备的在机测量控制指令，并通过接口控制分系统将控制指令发送到对应设备中执行在机测量任务；
步骤15、通过接口控制分系统从对应设备中抓取在机测量结果，并利用装夹找正分系统中的结果分析功能将测量结果转换为加工坐标系下基准平面Π1、Π2、Π3上的测量数据集
Figure BDA00035758923400000810
其中，z1、z2、z3分别为相应测量数据集中的点数；然后分别进行平面拟合，获取对应的平面参数
Figure BDA00035758923400000811
Figure BDA0003575892340000091
如图7所示；
步骤16、按照基准平面可信度优先级，并根据步骤11的平面参数计算Z轴、Y轴和X轴矢量，具体的假设Π1＞Π2＞Π3，且分别为Z轴、Y轴和X轴平面，则可直接令
Figure BDA0003575892340000092
为Z轴矢量，
Figure BDA0003575892340000093
Figure BDA0003575892340000094
为X轴矢量，
Figure BDA0003575892340000095
Figure BDA0003575892340000096
为Y轴矢量；
然后，根据Z轴、Y轴和X轴矢量建立机床上实际加工坐标系MCSreal，获得实际加工坐标系MCSreal与理论加工坐标系MCSidea间的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000097
如图7所示；
步骤17、利用笛卡尔坐标变换原理，结合步骤2、步骤4、步骤12和步骤14，获得理论气膜孔Hk到机床上实际加工坐标系MCSreal的变换矩阵
Figure BDA0003575892340000098
Figure BDA0003575892340000099
步骤18、结合步骤17，利用装夹找正分系统中的对刀轨迹规划功能生成用于测量叶片校验点位的对刀校验轨迹，利用指令生成功能将其转换为对应设备的在机测量控制指令，并通过接口控制分系统将控制指令发送到对应设备中执行在机测量任务；
步骤19、通过接口控制分系统从对应设备中抓取在机测量结果，并利用装夹找正分系统中的对刀校验功能将测量结果转换为加工坐标系下的叶片校验点位数据集{Pi,check}，通过计算其与理论校验点位的偏差，验证对刀结果是否可信，若可信，执行步骤20，若不可信，则给出预警并终止后续流程；
步骤20、利用轨迹生成分系统中的气膜孔坐标变换功能将变换矩阵
Figure BDA00035758923400000910
分解为平移矩阵和旋转矩阵，则令
Figure BDA00035758923400000911
Figure BDA00035758923400000912
其中
Figure BDA00035758923400000913
为平移变换矩阵，
Figure BDA00035758923400000914
为旋转变换矩阵，从而计算机床上当前装夹姿态下的实际叶片气膜孔位置坐标
Figure BDA00035758923400000915
和轴向矢量
Figure BDA00035758923400000916
Figure BDA00035758923400000917
进而，获得实际叶片气膜孔数据
Figure BDA00035758923400000918
步骤21、利用轨迹生成分系统中的打孔轨迹规划及动态工艺匹配功能生成用于叶片气膜孔加工的打孔轨迹，利用打孔指令生成功能将其转换为打孔设备上的加工指令，并通过接口控制分系统将指令发送到打孔设备中执行气膜孔加工任务；
步骤22、当叶片气膜孔加工完成后，将装夹后的叶片放置于测量设备上，依次执行步骤14～步骤20重新计算实际气膜孔数据
Figure BDA0003575892340000101
之后利用轨迹生成分系统中的测量指令生成功能获取测量设备上的测量指令，并通过接口控制分系统将指令发送到测量设备中执行气膜孔测量任务。
特别的，如果实际气膜孔加工过程中需要将气膜孔按组分为多个加工工序，且不同工序要求在不同设备上完成，或者加工和测量需要交叉执行，则可以按照实际加工工序要求循环执行步骤13～步骤22，从而满足多工序加工的要求
本发明方法不受叶片变形及装夹精度影响，能有效解决无基准或带变形叶片的定位问题，理论上可实现所有常见涡轮叶片一次装夹下的“随意装夹，自动找正”，为航空发动机涡轮叶片气膜孔的准确定位和有效加工提供手段。
本实施例叶片气膜孔加工自适应定位系统主要用于实现针对实际涡轮叶片形状的气膜孔自适应定位和面向指定设备的加工/测量轨迹自动生成，各分系统的主要构成及具体功能如下：
1)扫描控制分系统
该分系统由工业级高精度蓝光扫描设备、机械臂、工作转台、校准转台、校准球、标定板及运动控制系统等部分构成，主要用于控制定位设备中机械臂、转台和扫描设备配合运动，实现对叶片安装到夹具上的整体外形数据采集，获取对应扫描模型Mscan(上述步骤1)。除此之外，该系统还包含了用于配合扫描过程执行的其他附加功能，包括对扫描过程运动路径的示教功能，对系统精度是否满足要求的校验和校准功能，以及对系统状态的检测和可执行性的判定功能等。
2)定位计算分系统
该分系统主要用于分析实际叶片在夹具上的装夹姿态，建立理论叶片气膜孔到实际叶片的映射关系，主要包括定位计算功能模块、模型预处理功能模块、变形位移场分析功能以及孔位/轴向解析功能模块。其中包含模型预处理(步骤5～步骤7功能)、毛坯合格性校验(步骤9功能)、变形位移场分析(步骤8功能)、定位计算(步骤2～步骤4、步骤17功能)、孔位/轴向解析(步骤10～步骤12功能)和异常预警等6大功能模块，能够实现从扫描模型特征分割、毛坯偏差校验，到变形映射关系建模、气膜孔信息映射的整个定位计算过程。
3)装夹找正分系统
该分系统由安装在机床上的接触式(如在机测头等)或非接触式(如测距传感器等)测量设备构成，主要通过测量带叶片夹具安装到机床上的位置，建立夹具与设备间的相对位置状态，从而将气膜孔相对于夹具的位姿信息传递到设备上(步骤14～步骤16功能)。其中包含对刀轨迹规划(步骤18功能)、指令生成、结果分析和校验等4大功能，能够实现从设备对刀指令生成、对刀结果解析计算，到解析结果校验的整个过程，最终确保实际加工过程定位结果的可靠性。
4)轨迹生成分系统
该分系统主要结合夹具在打孔/测量设备上的装夹找正结果，确定气膜孔相对于设备的位置信息，并基于此生成相应的打孔或测量轨迹，同时在规划轨迹过程中会根据工艺需求，动态匹配对应孔加工下的工艺参数，生成用于驱动设备执行的指令。其中主要包含气膜孔坐标变换(步骤20功能)、打孔轨迹规划、动态工艺匹配、打孔指令生成(步骤21功能)和测量指令生成(步骤19功能)等5大功能，能够根据定位结果自动匹配工艺要求，快速生成用于指定设备打孔/测量的指令，实现整个定位加工过程的自动化。
5)接口控制分系统
该分系统主要用于实现定位系统与打孔设备、测量设备及产线管控系统的通信，发送或接收相应的指令及执行结果，为定位分析过程提供必要的数据支撑。其中主要包含与打孔设备、与测量设备和与产线管控系统的3大接口功能。
优选的，本发明还提供了一种控制设备，包括处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的程序指令，当电子设备运行时，所述处理器与存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述程序指令，以执行上述实施例方法的步骤。
优选的，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上述实施例方法的步骤。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (8)

1.一种叶片气膜孔加工自适应定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、扫描叶片安装到夹具上的整体外形，得到扫描模型Mscan；
步骤2、利用三维ICP配准算法将理论夹具模型Mjig与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tjig，scan；
步骤3、利用三维IMLS-ICP配准算法将理论叶片模型Mpart上的设计点{Ppart}与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tpart，scan；
步骤4、在理论夹具模型Mjig上创建理论加工坐标系MCSidea，获得理论夹具模型Mjig到理论加工坐标系MCSidea的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000011
步骤5、将扫描模型Mscan变换到叶片设计坐标系WCSpart下，得到设计坐标系下的扫描模型
Figure FDA0003575892330000012
利用涡轮叶片设计截面组与扫描模型
Figure FDA0003575892330000013
求交，得到叶身截面曲线组{Ci，section}；
步骤6、利用叶身截面线特征分割算法，将叶身截面曲线组{Ci，section}的每个叶身截面曲线Ci，section分割为叶盆曲线Ci，basin、叶背曲线Ci，convex及前缘曲线Ci，lead，则叶身截面曲线组{Ci，section}分割为叶盆曲线组{Ci，basin}、叶背曲线组{Ci，convex}及前缘曲线组{Ci，lead}；
步骤7、通过在叶盆曲线组{Ci，basin}、叶背曲线组{Ci，convex}和前缘曲线组{Ci，lead}上分别放样，得到叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex和前缘曲面Slead；
步骤8、利用涡轮叶片铸造变形误差计算方法建立铸造叶片变形位移场{F(Pj，Tj)}，按照叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex、前缘曲面Slead的空间位置，将叶片变形位移场{F(Pj，Tj)}分割为叶盆对应位移场{Tj，basin}、叶背对应位移场{Fj，convex}和前缘对应位移场{Fj，lead}；
步骤9、将理论叶片模型Mpart上的气膜孔组{H(pk，lk)}按照叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex、前缘曲面Slead的空间位置，分割为叶盆气膜孔组{Hk，basin}、叶背气膜孔组{Hk，convex}和前缘气膜孔组{Hk，lead}；
步骤10、在叶盆曲面Sbasin上，分别以曲面参数(u，v)作X轴、Y轴，叶片变形位移场F中的变换矩阵T作Z轴，建立坐标系RCSbasin；然后将叶盆对应位移场{Fj，basin}变换到该坐标系下，计算叶盆气膜孔组{Hk，basin}的每个叶盆气膜孔Hk，basin的位置坐标pk，basin在叶盆曲面Sbasin上的参数(uk，basin，vk，basin)，则通过在坐标系RCSbasin中插值可确定每个叶盆气膜孔Hk，basin对应的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000021
获得叶盆气膜孔组{Hk，basin}的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000022
步骤11、采用与步骤10相同的方法，分别获得叶背气膜孔组{Hk，convex}的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000023
和前缘气膜孔组{Hk，lead}的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000024
然后通过坐标变换得到理论气膜孔Hk到扫描模型Mscan的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000025
Figure FDA0003575892330000026
步骤12、采用在机测量方式，获取带叶片夹具安装到机床上的三个基准平面Π1、Π2、Π3上的测量数据集
Figure FDA0003575892330000027
并分别进行平面拟合，获取对应的平面参数
Figure FDA0003575892330000028
步骤13、按照基准平面可信度优先级，并根据步骤12获得的平面参数计算Z轴、Y轴和X轴矢量，然后根据Z轴、Y轴和X轴矢量建立机床上实际加工坐标系MCSreal，获得实际加工坐标系MCSreal与理论加工坐标系MCSidea间的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000029
步骤14、结合步骤2、步骤4、步骤11和步骤13，获得理论气膜孔Hk到机床上实际加工坐标系MCSreal的变换矩阵
Figure FDA00035758923300000210
Figure FDA00035758923300000211
步骤15、根据步骤14的变换矩阵
Figure FDA00035758923300000212
获得机床上当前装夹姿态下的实际叶片气膜孔位置坐标
Figure FDA00035758923300000213
和轴向矢量
Figure FDA00035758923300000214
Figure FDA00035758923300000215
其中，
Figure FDA00035758923300000216
为旋转变换矩阵，通过
Figure FDA00035758923300000217
Figure FDA00035758923300000218
获得，
Figure FDA00035758923300000219
为平移变换矩阵。
2.根据权利要求1所述叶片气膜孔加工自适应定位方法，其特征在于：步骤5中，扫描模型
Figure FDA00035758923300000220
3.根据权利要求1所述叶片气膜孔加工自适应定位方法，其特征在于：步骤14中，利用笛卡尔坐标变换原理结合步骤2、步骤4、步骤11和步骤13。
4.根据权利要求1至3任一所述叶片气膜孔加工自适应定位方法，其特征在于：步骤13中，按照基准平面可信度优先级，并根据步骤12的平面参数计算Z轴、Y轴和X轴矢量具体为：
令三个基准平面Π1、Π2、Π3的可信度优先级为Π1＞Π2＞Π3，且分别为Z轴、Y轴和X轴平面，则
Figure FDA0003575892330000031
为Z轴矢量，
Figure FDA0003575892330000032
Figure FDA0003575892330000033
为X轴矢量，
Figure FDA0003575892330000034
Figure FDA0003575892330000035
为Y轴矢量。
5.根据权利要求4所述叶片气膜孔加工自适应定位方法，其特征在于：步骤8和步骤9之间还包括步骤A判断：分别计算叶片的弯曲、扭转和涨缩变形，并分别与设计要求进行对比，若弯曲、扭转和涨缩变形均满足设计要求，则执行步骤9，若否，则结束。
6.一种叶片气膜孔加工自适应定位系统，其特征在于：包括扫描控制分系统、定位计算分系统、装夹找正分系统和轨迹生成分系统；
所述扫描控制分系统用于对叶片安装到夹具上的整体外形数据采集，获取对应扫描模型Mscan；
所述装夹找正分系统用于获取带叶片夹具安装到机床上的三个基准平面Π1、Π2、Π3上的测量数据集
Figure FDA0003575892330000036
并分别进行平面拟合，获取对应的平面参数
Figure FDA0003575892330000037
从而获得实际加工坐标系MCSreal与理论加工坐标系MCSidea间的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000038
所述定位计算分系统包括定位计算功能模块、模型预处理功能模块、变形位移场分析功能以及孔位/轴向解析功能模块；
所述模型预处理功能模块用于获取扫描模型叶身截面曲线组{Ci，section}，并分割为叶盆曲线组{Ci，basin}、叶背曲线组{Ci，convex}及前缘曲线组{Ci，lead}，通过放样得到叶盆曲面Sbasin、叶背曲面Sconvex及前缘曲面Slead；
所述变形位移场分析功能用于计算叶片铸造变形误差，建立铸造叶片变形位移场{F(Pj，Tj)}，并分割为叶盆对应位移场{Fj，basin}、叶背对应位移场{Fj，convex}及前缘对应位移场{Fj，lead}；
所述孔位/轴向解析功能模块用于计算叶盆气膜孔{Hk，basin}、叶背气膜孔{Hk，convex}和前缘气膜孔{Hk，lead}对应的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000039
及
Figure FDA00035758923300000310
从而获取理论叶片Mpart气膜孔Hk到扫描模型Mscan的变换矩阵
Figure FDA00035758923300000311
所述定位计算功能模块用于将理论夹具模型Mjig与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tjig，scan，将理论叶片模型Mpart上的设计点{Ppart}与扫描模型Mscan进行定位计算，得到变换矩阵Tpart，scan，以及获得理论夹具模型Mjig到理论加工坐标系MCSidea的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000041
并根据变换矩阵Tjig，scan、变换矩阵
Figure FDA0003575892330000042
变换矩阵
Figure FDA0003575892330000043
和变换矩阵
Figure FDA0003575892330000044
获得理论气膜孔Hk到机床上实际加工坐标系MCSreal的变换矩阵
Figure FDA0003575892330000045
所述轨迹生成分系统用于根据变换矩阵
Figure FDA0003575892330000046
获得机床上当前装夹姿态下的实际叶片气膜孔位置坐标
Figure FDA0003575892330000047
和轴向矢量
Figure FDA0003575892330000048
并生成相应打孔轨迹。
7.一种控制设备，其特征在于：包括处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的程序指令，当电子设备运行时，所述处理器与存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述程序指令，以执行如权利要求1至5任一所述叶片气膜孔加工自适应定位方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至5任一所述叶片气膜孔加工自适应定位方法的步骤。
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