CN115903664A - 一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工新技术应用于航空发动机技术领域，具体涉及一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法。该方法包括确定五轴坐标设备偏摆轴结构形式、计算气膜孔矢量在叶片坐标系Z平面的投影与偏摆方向所在平面的夹角并定义C轴旋转角度C、计算叶片坐标系X或Y平面内气膜孔适量方向角并定义偏摆轴加工角度、以C轴旋转角度C和偏摆轴加工角度A或B双角度驱动计算气膜孔位置X、Y、Z分量；该方法可以根据打孔设备不同快速定制后置处理模块，实现自适应定位获得的气膜孔位置坐标快速表达为指定打孔设备的五坐标加工程序点，以拓展自适应定位系统对不同加工设备的适用性。

Description

一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法

技术领域

本发明属于激光加工新技术应用于航空发动机技术领域，具体涉及一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法。

背景技术

航空发动机涡轮工作叶片工况极其恶劣，燃烧室喷出的高温燃气直接冲击涡轮叶片，同时其还承受由于高速旋转产生的强大离心力。气膜冷却是主要的冷却手段，其冷却效果能够提高叶片承温能力的50～60％。试验表明，气膜孔的位置度对于气膜冷却效果和叶片承温能力具有重要影响。

设计部门对涡轮叶片气膜孔的几何尺寸如位置度、孔径、矢量方向等都提出了更高的要求。在自适应定位系统研制过程中，需要将打孔设备后置处理模块集成到系统中，以实现打孔工艺过程全程无人干预、自动执行。

发动机研制过程中，涡轮叶片型面自由曲率更大，气膜孔位置度要求更高，气膜孔制备工艺过程自动化、智能化研究是技术发展方向，为此需要研究自由曲面特征的精确定位方法及五轴打孔设备加工程序快速生成方法。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法，可以根据打孔设备不同快速定制后置处理模块，实现自适应定位获得的气膜孔位置坐标快速表达为指定打孔设备的五坐标加工程序点，以拓展自适应定位系统对不同加工设备的适用性。

本发明的技术方案是：

一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法，包括以下步骤：

步骤1)五轴坐标设备采用三个直线轴、一个回转轴和一个偏转轴来实现零件三维空间运动与定位；偏摆轴有两种结构形式，一种绕着X轴旋转的A轴，一种绕着Y轴旋转的B轴，先确定五轴坐标设备偏摆轴结构形式是A轴还是B轴，并确定叶片打气膜孔时在偏转轴的正角度范围还是负角度范围；

步骤2)计算气膜孔矢量在叶片坐标系Z平面的投影与偏摆方向所在平面的夹角α1，用α1定义C轴旋转角度C；

步骤3)计算叶片坐标系X或Y平面内气膜孔适量方向角β1，用β1定义偏摆轴加工角度A或B，A或B＝β1；

步骤4)以C轴旋转角度C和偏摆轴加工角度A或B双角度驱动计算气膜孔位置X、Y、Z分量；

具体计算公式为：

α1＝arctan(j/i)，

当i＞0时，C＝α1；当i＜0时，C＝180°-α1；

α2＝arctan(y/x)；

α3＝α2-C；

x1＝(x ²+y²)^1/2＊cos(α3)；

y1＝(x²+y²)^1/2＊sin(α3)；

i1＝(i²+k²)^1/2；

β1＝arctan(i1/k)；

β2＝arctan(z/x1)；

x2＝(x1²+z²)^1/2＊cos(β2-β1)；

z1＝(x1²+z²)^1/2＊sin(β2-β1)；

其中，i、j、k是气膜孔矢量方向分量

α2是气膜孔坐标点在坐标系Z平面的方位角，

α3是气膜孔孔位旋转角度；

β2是气膜孔坐标点在坐标系X或Y平面的方位角；

x、y、z是气膜孔孔位点坐标分量；

x1、y1是气膜孔孔位点旋转后坐标分量；

i1是气膜孔旋转后气膜孔矢量方向分量；

x2、z1是气膜孔孔位点再次旋转后坐标分量；

最终获得气膜孔在五轴坐标设备的五轴坐标值X＝x2；Y＝y1；Z＝z1；C；A或B。

进一步的上述的一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法，当C轴逆时针旋转时，C轴旋转角度为-C。

本发明的优点及有益效果：

1、利用本发明的方法，帮助技术人员快速准确定制不同结构五轴坐标设备后置处理模块，数据处理精度可以精确到千分位，定制一种设备需要4小时左右；

2、本发明解决了叶片研制批产过程中的自适应定位系统针对不同加工设备的适应性问题，拓宽了气膜孔制备自适应定位系统针对不同设备，包括电火花设备、超短脉冲激光设备、水导激光设备的适应性，助推航空产品技术升级和换代的步伐，该技术对燃气轮机和相关民用产品类似件的加工也具有良好的借鉴作用。同时对于新引进的设备，本方法可以帮助技术人员快速实现新设备的五轴后置处理快速定，缩短了工艺调整时间。

附图说明

图1为实施例中五轴坐标设备示意图；

图2为实施例中Z平面坐标系；

图3为实施例中Y平面坐标系；

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。

如图1所示，为本实施例五轴坐标设备的示意图，该设备具有X、Y、Z、B、C五个轴，俯视C轴顺时针旋转为正，顺着Y轴正向看，B轴逆时针旋转为正，查询B轴运动范围，以确定后面计算获得的B轴角度是否超出行程。

如下表是对于某个涡轮工作叶片上某一个气膜孔，如孔1，孔位坐标点和矢量方向如下表。其在Z平面坐标系和Y平面坐标系的示意图如如2、图3所示：

1)计算C轴旋转角度

α1＝arctan(j/i)＝69.707°；

∵i＜0时，∴C＝180°-α1＝180-69.707＝110.293°；

∵气膜孔矢量方向朝向X轴正方形，C轴逆时针旋转，∴C＝-110.293°；

2)计算偏摆轴B轴加工角度

α2＝arctan(y/x)＝arctan(6.068/10.89)＝29.12°；

α3＝α2-C＝29.12°+110.293°＝139.413°

x1＝(x ²+y²)^1/2＊cos(α3)＝(10.892+6.0682)^1/2＊cos139.413°＝-9.47；

y1＝(x²+y²)^1/2＊sin(α3)10.892+6.0682)^1/2＊sin139.413°＝8.11；

i1＝((i²+k²)^1/2＝((-0.24265)²+(-0.65621)²)^1/2＝0.699；

β1＝arctan(i1/k)＝arctan(0.699/(-0.7145))＝-44.3717°；

固B轴加工角度B＝-44.3717°；

3)计算X、Y、Z分量

β2＝arctan(z/x1)＝arctan((-9.47)/59.4596)＝-9.045°；

x2＝(x1²+z²)^1/2＊cos(β2-β1)＝((-9.47)²+(59.4596)²)^1/2＊cos(-9.045+44.3717)

＝49.122；

z1＝(x1²+z²)^1/2＊sin(β2-β1)＝((-9.47)²+(59.4596)²)^1/2＊sin(-9.045+44.3717)

＝34.815；

固X＝x2＝49.122；Y＝y1＝8.11；Z＝z1＝34.815

即孔1在该五轴坐标设备上的五轴坐标值为：X 49.122；Y 8.11；Z 34.815；B-44.3717°；C-110.293°。

Claims (2)

1.一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)确定五轴坐标设备偏摆轴结构形式是A轴还是B轴，并确定叶片打气膜孔时在偏转轴的正角度范围还是负角度范围；

步骤2)计算气膜孔矢量在叶片坐标系Z平面的投影与偏摆方向所在平面的夹角α1，用α1定义C轴旋转角度C；

步骤3)计算叶片坐标系X或Y平面内气膜孔适量方向角β1，用β1定义偏摆轴加工角度A或B，A或B＝β1；

步骤4)以C轴旋转角度C和偏摆轴加工角度A或B双角度驱动计算气膜孔位置X、Y、Z分量；

具体计算公式为：

α1＝arctan(j/i)，

当i＞0时，C＝α1；当i＜0时，C＝180°-α1；

α2＝arctan(y/x)；

α3＝α2-C；

x1＝(x²+y²)^1/2＊cos(α3)；

y1＝(x²+y²)^1/2＊sin(α3)；

i1＝(i²+k²)^1/2；

β1＝arctan(i1/k)；

β2＝arctan(z/x1)；

x2＝(x1²+z²)^1/2＊cos(β2-β1)；

z1＝(x1²+z²)^1/2＊sin(β2-β1)；

其中，i、j、k是气膜孔矢量方向分量

α2是气膜孔坐标点在坐标系Z平面的方位角，

α3是气膜孔孔位旋转角度；

β2是气膜孔坐标点在坐标系X或Y平面的方位角；

x、y、z是气膜孔孔位点坐标分量；

x1、y1是气膜孔孔位点旋转后坐标分量；

i1是气膜孔旋转后气膜孔矢量方向分量；

x2、z1是气膜孔孔位点再次旋转后坐标分量；

最终获得五轴坐标设备的五轴坐标值X＝x2；Y＝y1；Z＝z1；C；A或B。

2.根据权利要求1所述的一种五轴坐标设备快速定制后处理模块的方法，其特征在于，当C轴逆时针旋转时，C轴旋转角度为-C。

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