WO2022242709A1 - 一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统 - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the technical field of machining and manufacturing of aero-engine blades, in particular to a design method and system for a near-net-shape blade fixture of an aero-engine.
- Blade tip and tenon require secondary processing.
- the adaptive processing technology combined with the flexible tooling fixture is currently used.
- the flexible tooling uses flexible elements to contact the blade body to protect the blade from being damaged by clamping.
- the adaptive processing technology is used for Compensate for blade position changes caused by flexible tooling.
- the blade adaptive machining process there are not only the overall deformation of the blade caused by clamping, but also the local deformation caused by improper clamping force and cutting force. The overall deformation can be compensated by the adaptive machining process, but the blade’s Local deformations will be directly related to the blade clamping scheme and layout.
- the layout optimization and design of the fixture are directly related to the stiffness of the system, so the layout optimization of the fixture in the blade adaptive machining process system is directly related to the stiffness of the process system, which affects the machining efficiency, machining accuracy and machined surface quality of the blade.
- the object of the present invention is to provide a design method and system for aero-engine near-net-shape blade fixtures, which can effectively reduce the design cost of aero-engine near-net-shape blade fixtures, shorten the design cycle, and improve fixture design and production. s efficiency.
- the present invention takes the following technical solutions:
- a first aspect of the present invention provides a method for designing a near-net-shape blade clamp for an aero-engine, which includes the following steps:
- the initial three-dimensional model of the target blade fixture is obtained, and the three-dimensional model is carried out.
- the 3D model of the adjusted target blade fixture is simulated and analyzed.
- the engineering prototype is manufactured for test verification. If it meets the processing technology requirements, it is determined as the final 3D model of the target blade fixture. in industrial production.
- the construction method of the case blade tooling database includes the following steps:
- step 1.3) Digitally sort, classify and number the three-dimensional scanning model of the case blade in step 1.1) and the optimized tooling fixture model in step 1.2), and obtain the case blade tooling database.
- the method for finding a case blade similar to the target blade from the constructed case blade tooling database includes the following steps:
- step 2.2) Compare the obtained 3D scan model and process characteristics of the target blade with the 3D scan model and process characteristics of each case blade in the case blade tooling database established in step 1), and find the corresponding similarity of the target blade according to the similarity algorithm.
- the method for obtaining the layout points of the target blade three-dimensional fixture comprises the following steps:
- affine transformation is performed on the grid of the target blade and the similar case blade to obtain the fixture layout of the target blade based on the similar case blade in the two-dimensional plane;
- step 4.3 Perform inverse transformation based on the projection vector constructed in step 4.1), and obtain the position of the fixture layout of the target blade in the 3D model of the target blade in the two-dimensional plane, as the layout point of the 3D fixture of the target blade.
- the method for obtaining the unified two-dimensional plane information of the target blade and similar case blades comprises the following steps:
- step 4.1.2 Expand the cylindrical surface obtained in step 4.1.2) containing the geometric dimensions of the target blade and similar case blades along the circumferential surface to obtain unified two-dimensional plan information including the target blade and similar case blades.
- the method for obtaining the fixture layout of the target blade based on similar case blades in a two-dimensional plane includes the following steps:
- step 4.2.3 Convert the layout of the fixture positioning points and clamping points of the similar case blades in the two-dimensional plane to the positioning points and clamping points of the target blade, and perform the inverse transformation of step 4.2.3), which will correspond to the similar case blades
- the surface of the target blade and the positioning points and clamping points on the surface are inversely transformed into the target blade surface and the positioning points and clamping points on the target blade surface, and the positioning points and clamping points of the target blade based on similar case blades in the two-dimensional plane are obtained. Tighten up the layout.
- the second aspect of the present invention is to provide a design system for aero-engine near-net-shape blade clamps, which includes:
- Database construction module used to establish the case blade tooling database
- the similar case blade determination module is used to find the case blade similar to the target blade from the constructed case blade tooling database by using a similarity matching method
- a mechanical structure three-dimensional model determination module configured to determine the three-dimensional model of the mechanical structure in the target blade fixture based on the optimal tooling fixture model corresponding to the similar case blade;
- the 3D layout point determination module is used to perform spatial projection on similar case blades and target blades, obtain the two-dimensional plan information of target blades and similar case blades, and simulate the meshes of target blades and similar case blades in the two-dimensional plane
- the layout of the positioning points and clamping points of the three-dimensional fixture of the target blade is obtained through projective transformation and inverse transformation;
- the fixture model determination module is used to obtain the initial three-dimensional model of the target blade fixture according to the three-dimensional model of the mechanical structure in the target blade fixture and the layout points of the three-dimensional fixture of the target blade, after fine-tuning the three-dimensional model, and adjusting the adjusted
- the three-dimensional model of the target blade fixture is simulated and analyzed. After the simulation analysis is qualified, the engineering prototype is manufactured for test verification. If the processing technology requirements are met, it is determined as the final three-dimensional model of the target blade fixture.
- the three-dimensional layout point determination module includes:
- the spatial projection module is used to construct projection vectors, convert the 3D scanning models of target blades and similar case blades from 3D space to 2D space, and obtain unified 2D plan information of target blades and case blades;
- the affine transformation module is used to carry out affine transformation on the grids of the target blade and the similar case blade to obtain the layout of the fixture positioning points and clamping points of the target blade based on the similar case blade in the two-dimensional plane;
- the inverse transformation module is used to perform inverse transformation based on the constructed projection vector, and obtain the position of the fixture layout of the target blade in the two-dimensional plane in the three-dimensional model of the target blade as the layout of the three-dimensional positioning points and clamping points of the target blade.
- the space projection module includes:
- a projection vector construction module configured to construct a projection vector according to the three-dimensional size of the target blade
- the projection module is used to project the 3D scan models of the target blade and the similar case blade onto the same cylindrical surface according to the same projection relationship and the same projection vector;
- the projection expansion module is used to expand the obtained cylindrical surface containing the geometric dimensions of the target blade and similar case blades along the circumferential surface to obtain unified two-dimensional plan information including the target blade and similar case blades.
- the affine transformation module includes:
- a meshing module for meshing the obtained unified two-dimensional plan that includes target blades and similar case blades
- the control point selection module is used to select the edge contour line of the target blade and the similar case blade as the control line, and select the preset points as the control points on the control line according to the equidistant method on the target blade and the similar case blade;
- the affine transformation algorithm execution module is used to take the edge profile of the target blade and the edge profile of the similar case blade as constraint points, and deform the target blade surface into a surface corresponding to the similar case blade;
- the two-dimensional fixture layout determination module is used to convert the fixture positioning layout points of similar case blades in the two-dimensional plane into the positioning points of the target blade, and obtain the positioning point and clamping point layout of the target blade based on similar case blades in the two-dimensional plane .
- the present invention has the following advantages: the present invention can realize the tooling design task for new blades, match it with existing tooling cases similar to blades through algorithms, and realize the case based on the blade grid affine transformation method
- the geometric mapping relationship between the blade and the target blade is based on the geometric relationship between the two to realize the inheritance of tooling information from the target blade to similar case blades, and the final fixture is obtained through the final fixture layout fine-tuning and fixture detailed design.
- Fig. 1 is a flow chart of the design method of the near-net-shape blade fixture of the user's aeroengine provided by the embodiment of the present invention
- Figure 2 is a schematic diagram of the three-stage stator blade tooling of an aeroengine compressor
- Fig. 3 is the blade projection process in the embodiment of the present invention.
- Fig. 4 is a two-dimensional plane affine transformation process of the blade in the embodiment of the present invention.
- the present invention provides a design method for aeroengine near-net-shape blade fixtures, through blade projection transformation, blade two-dimensional grid affine transformation, and projection inverse transformation to realize computer-programmed and automatically executable near-net shape of aeroengines Blade fixture design and analysis.
- the blade tooling information database containing blade tooling information established by the user and the geometric model of the input target blade, for an example of the design of the three-stage stator blade tooling of an aero-engine compressor, the following steps are specifically included:
- step 2.2) Compare the 3D scanning model and process characteristics of the obtained target blade with the 3D scanning model and process characteristics of each case blade in the case blade tooling database established in step 1), and find the corresponding target blade according to the similarity algorithm.
- the case of similarity is the 3D scanning model of the blade, its process characteristics and its optimal tooling fixture model information.
- the mechanical structures such as the fixture base, fixture clamping mechanism, and positioning mechanism in the optimal tooling fixture model corresponding to the case blade are directly inherited, and the inherited mechanical structure is adjusted according to the geometric size difference between the target blade and the case blade Perform geometric scaling to obtain a 3D model of the mechanical mechanism in the target blade fixture.
- step 2) Perform spatial projection on the case leaf and the target leaf in step 2), obtain the two-dimensional plan information of the target leaf and the case leaf, and perform affine transformation and inverse transformation to obtain the layout of the 3D fixture positioning points and clamping points of the target blade.
- the present invention can realize the task of tooling design for new blades, and compare it with existing tooling cases of similar blades through algorithms Matching, realize the geometric mapping relationship between the case blade and the target blade based on the blade grid affine transformation method, realize the inheritance of the tooling information of the case blade based on the geometric relationship between the two, and finally form the fixture layout information and fixture structure characteristics of the target blade .
- the following steps are included:
- step 4.3 the fixture positioning layout point P[P1, P2, P3, P4] in the two-dimensional plane of the case blade is converted into the positioning point Q[Q1, Q2, Q3, Q4] in the two-dimensional plane of the target blade , to obtain a 2D in-plane fixture layout based on the case blades.
- step 3 The inverse transformation of step 3), based on the projection vector in step 3), inverse transformation, to obtain the position of the fixture layout of the target blade in the 2D plane in the 3D model of the target blade, and determine it as the final fixture layout.
- the present embodiment provides a design system for aero-engine near-net-shape blade fixtures, which includes: a database building module, used to establish a case blade tooling database; a similar case blade determination module, used to adopt a similarity matching method, from the construction Find the case blade similar to the target blade in the case blade tooling database; the mechanical structure 3D model determination module is used to determine the 3D model of the mechanical structure in the target blade fixture based on the optimal tooling fixture model corresponding to the similar case blade; the 3D layout points The determination module is used to perform spatial projection on similar case leaves and target leaves, obtain two-dimensional plan information of target leaves and similar case leaves, and perform affine transformation and Inverse transformation to obtain the layout of the three-dimensional positioning points and clamping points of the target blade; the fixture model determination module is used to obtain the initial The 3D model of the target blade fixture. After fine-tuning and simulation analysis of the 3D model, the engineering prototype is manufactured for test verification after the simulation analysis is qualified. If it meets the processing technology requirements, it is determined as the final 3
- the three-dimensional layout point determination module includes: a space projection module, which is used to construct a projection vector, and convert the three-dimensional scanning model of the target blade and similar case blades from three-dimensional space to two-dimensional space, and obtain a unified two-dimensional image of the target blade and the case blade.
- a space projection module which is used to construct a projection vector, and convert the three-dimensional scanning model of the target blade and similar case blades from three-dimensional space to two-dimensional space, and obtain a unified two-dimensional image of the target blade and the case blade.
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Abstract
本发明涉及一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统，其包括：1)建立案例叶片工装数据库；2)从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；3)基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；4)对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维定位点和夹紧点布局；5)基于目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及目标叶片三维定位点和夹紧点布局，得到目标叶片夹具的最终三维模型。本发明可以广泛应用于航空发动机制造领域。
Description
本发明涉及航空发动机叶片加工制造技术领域，具体涉及一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统。
近净成形叶片(包括无余量精锻叶片、无余量精铸叶片等)已成为未来航空发动机叶片技术的重要发展趋势，该技术可使叶片叶身精锻成形，但叶片的进排气边、叶尖和榫头需进行二次加工。
在进行叶片榫头二次加工时，目前采用自适应加工工艺结合柔性工装夹具的方案，其中柔性工装采用柔性元件和叶片叶身接触，用来保护叶片不被装夹损坏，自适应加工工艺用来补偿因为柔性工装引起的叶片位置变动。然而，在叶片自适应加工工艺中，既有由装夹引起的叶片整体变形，也有因为不当的装夹力和切削力引起的局部变形，整体变形可以通过自适应加工工艺来补偿，但是叶片的局部变形将直接与叶片装夹方案和布局相关。同时，夹具的布局优化和设计直接关系到系统的刚度，因此在叶片自适应加工工艺系统中夹具的布局优化直接关系到工艺系统的刚度，影响叶片的加工效率、加工精度和加工表面质量。
然而，在叶片的加工中，由于叶片种类多，数量多，导致夹具的需求大，针对每一种类型的叶片设计并分析相应的夹具将是一件很艰巨的工作。现有技术无法实现面向自适应加工工艺体系的夹具设计与布局优化的计算机辅助快速设计体系与方法。
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法和系统，可以有效降低航空发动机近净成形叶片夹具的设计成本，缩短设计周期，提高夹具设计和生产的效率。
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，是提供一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其包括以下步骤：
1)建立案例叶片工装数据库；
2)采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；
3)基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；
4)对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维定位点和夹紧点的布局；
5)基于步骤3)得到的目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及步骤4)得到的目标叶片三维的定位点和夹紧点布局，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整后，并对调整后的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型，用于工业生产中。
进一步，所述步骤1)中，案例叶片工装数据库的构建方法，包括以下步骤：
1.1)在CAD软件中导入待加工航空发动机近净成形案例叶片的三维扫描模型；
1.2)根据企业生产经验，将对应步骤1.1)中案例叶片结构的最优化工装夹具模型导入对应案例叶片的三维扫描模型中；
1.3)将步骤1.1)中的案例叶片的三维扫描模型和步骤1.2)中的最优化工装夹具模型进行数字化排序、分类整理与编号，得到案例叶片工装数据库。
进一步，所述步骤2)中，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片的方法，包括以下步骤：
2.1)获取待设计工装夹具的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性；
2.2)将获取的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性与步骤1)中建立的案例叶片工装数据库中各案例叶片的三维扫描模型和工艺特性进行对比，并根据相似性算法找到目标叶片对应的相似案例叶片的三维扫描模型、工艺特性及其最优化工装夹具模型信息。
进一步，所述步骤4)中，得到目标叶片三维夹具的布局点的方法，包括以下步骤：
4.1)构建投影矢量，将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息；
4.2)二维平面内，对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具布局；
4.3)基于步骤4.1)构建的投影矢量进行逆变换，获得二维平面内目标叶片的夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，作为目标叶片三维夹具的布局点。
进一步，所述步骤4.1)中，得到目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息的方法，包括以下步骤：
4.1.1)根据目标叶片的三维尺寸，构建投影矢量；
4.1.2)依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上；
4.1.3)将步骤4.1.2)中得到的包含目标叶片和相似案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，得到包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息。
进一步，所述步骤4.2)中，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具布局的方法，包括以下步骤：
4.2.1)将得到的包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图进行网格化；
4.2.2)选择目标叶片和相似案例叶片边缘轮廓线为控制线，在控制线上按照等距离方法在目标叶片和相似案例叶片上各选取预设点数作为控制点；
4.2.3)应用二维面网格仿射变形方法，以目标叶片的边缘轮廓和相似案例叶片的边缘轮廓为约束点，把目标叶片面变换为与相似案例叶片相对应的面；
4.2.4)将二维平面内相似案例叶片的夹具定位点和夹紧点布局转换为目标叶片的定位点和夹紧点，执行步骤4.2.3)的逆变换，将与相似案例叶片相对应的面以及面上的定位点和夹紧点一起进行逆变换为目标叶片面以及目标叶片面上的定位点和夹紧点，获得二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点布局。
本发明的第二个方面，是提供一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计系统，其包括：
数据库构建模块，用于建立案例叶片工装数据库；
相似案例叶片确定模块，用于采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；
机械结构三维模型确定模块，用于基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；
三维布局点确定模块，用于对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维夹具的定位点和夹紧点的布局；
夹具模型确定模块，用于根据目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及目标叶片三维夹具的布局点，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整后，并对调整后的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型。
进一步，所述三维布局点确定模块包括：
空间投影模块，用于构建投影矢量，将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和案例叶片的统一的二维平面图信息；
仿射变换模块，用于对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具定位点和夹紧点的布局；
逆变换模块，用于基于构建的投影矢量进行逆变换，获得二维平面内目标叶片的夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，作为目标叶片三维定位点和夹紧点的布局。
进一步，所述空间投影模块包括：
投影矢量构建模块，用于根据目标叶片的三维尺寸，构建投影矢量；
投影模块，用于依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上；
投影展开模块，用于将得到的包含目标叶片和相似案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，得到包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息。
进一步，所述仿射变换模块包括：
网格化模块，用于将得到的包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图进行网格化；
控制点选择模块，用于选择目标叶片和相似案例叶片边缘轮廓线为控制线，在控制线上按照等距离方法在目标叶片和相似案例叶片上各选取预设点数作为控制点；
仿射变换算法执行模块，用于以目标叶片的边缘轮廓和相似案例叶片的边缘轮廓为约束点，把目标叶片面变形为与相似案例叶片相对应的面；
二维夹具布局确定模块，用于将二维平面内相似案例叶片的夹具定位布局点转换为目标叶片的定位点，获得二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点布局。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明能够实现针对新叶片的工装设计任务，通过算法将其与已有近似叶片的工装案例进行匹配，基于叶片网格仿射变换方法实现案例叶片和目标叶片之间几何映射关系，基于两者之间的几何关系实现目标叶片对相似案例叶片工装信息的继承，通过最终夹具布局微调整和夹具详细设计获得最终夹具。为航空发动机近净成形叶片榫头加工提供一种高效、准确、低成本的技术。
图1是本发明实施例提供的用户航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法流程图；
图2是某航空发动压气机三级定子叶片工装示意图；
图3是本发明实施例中叶片投影过程；
图4是本发明实施例中叶片二维平面仿射变换过程。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，通过叶片投影变换、叶片二维网格仿射变换、投影逆变换实现计算机程序化、可自动化执行的航空发动机近净成形叶片夹具设计与分析。根据用户建立的包含叶片工装信息的叶片工装信息库和输入的目标叶片的几何模型，针对某航空发动机压气机三级静子叶片工装设计实例，具体包括以下步骤：
1)建立案例叶片工装数据库。
具体地，包括以下步骤：
1.1)在CAD软件中导入待加工航空发动机近净成形案例叶片的三维扫描模型；
1.2)根据企业生产经验，将对应步骤1.1)中案例叶片结构的现有经验下最优化工装夹具模型导入对应案例叶片的三维扫描模型中；
1.3)将步骤1.1)中的案例叶片的三维扫描模型和步骤1.2)中的最优化工装夹具模型分类，并进行数字化排序、分类整理与编号。其中，进行叶片模型分类、数字化排序分类整理与编号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)采用相似性匹配方法，从预先构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片。
具体地，包括以下步骤：
2.1)获取待设计工装夹具的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性，该工艺特性包括包括叶片加工部位、加工方法以及加工工艺参数等；
2.2)将获取的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性与步骤1)中建立的案例叶片工装数据库中各案例叶片的三维扫描模型和工艺特性进行对比，并根据相似性算法找到目标叶片对应的具有相似性的案例叶片的三维扫描模型、工艺特性及其最优化工装夹具模型信息。
3)基于步骤2)中确定的与目标叶片相似的案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型。
根据相似性匹配结果，将案例叶片对应的最优化工装夹具模型中的夹具底座、夹具夹紧机构、定位机构等机械结构直接继承，并根据目标叶片和案例叶片的几何尺寸差异对继承的机械结构进行几何尺寸缩放，得到目标叶片夹具中机械机构的三维模型。
4)对步骤2)中的案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维夹具定位点和夹紧点的布局。
具体的，包括以下步骤：
4.1)空间投影：构建投影矢量，将目标叶片(不包含夹具布局信息)和案例叶片(包含夹具布局信息)的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和案例叶片的统一的二维平面图信息。
具体地，包括以下步骤：
4.1.1)根据目标叶片的三维尺寸，构建投影矢量；
4.1.2)依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将目标叶片和案例叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上；
4.1.3)将步骤4.1.2)中得到的包含目标叶片和案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，得到包含目标叶片和案例叶片的统一的二维平面图信息。
4.2)仿射变换：二维平面内，对目标叶片和案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维 平面内基于案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点布局。
具体地，包括以下步骤：
4.2.1)将得到的包含目标叶片和案例叶片的统一的二维平面图进行网格化；
4.2.2)选择目标叶片和案例叶片边缘轮廓线为控制线，在控制线上按照等距离方法在目标叶片和案例叶片上各选取400点(点数可以根据实际需要进行调整)作为控制点；
4.2.3)应用二维面网格仿射变形方法，以目标叶片(Sb2)的边缘轮廓和案例叶片(Db2)的边缘轮廓为约束点，把目标叶片(Sb2)面变换为与案例叶片(Db2)相对应的面(Sb2-D)；
4.2.4)将二维平面内案例叶片的夹具定位点和夹紧点布局P[P1,P2,P3,P4]转换为目标叶片的定位点和夹紧点Q[Q1,Q2,Q3,Q4]，执行步骤4.2.3)的逆变换，将与相似案例叶片相对应的面以及面上的定位点和夹紧点一起进行逆变换为目标叶片面以及目标叶片面上的定位点和夹紧点，获得二维平面内基于案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点布局。
4.3)逆变换：基于步骤4.1)构建的投影矢量进行逆变换，获得二维平面内目标叶片的夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，作为目标叶片三维的定位点和夹紧点布局。
5)基于步骤3)得到的目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及步骤4)得到的目标叶片三维的定位点和夹紧点布局，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整和详细设计，并对得到的完整的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析和合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型，用于工业生产中。
实施例1
参照图1，本实施例中体现为一个基于MATLAB语言开发的功能模块，其主要功能描述如下：本发明能够实现针对新叶片的工装设计任务，通过算法将其与已有近似叶片的工装案例进行匹配，基于叶片网格仿射变换方法实现案例叶片和目标叶片之间几何映射关系，基于两者之间的几何关系实现案例叶片工装信息的继承，最后形成目标叶片的夹具布局信息与夹具结构特性。具体的，包括以下步骤：
1)参照图2，建立案例叶片工装数据库。
1.1)在CAD软件中导入航空发动机近净成形叶片的扫描模型；
1.2)根据企业生产经验，将现有经验下最优化工装信息导入对应叶片模型中；
1.3)将以上叶片模型和夹具模型分类，将叶片底座、夹紧机构、定位机构等分类编号，这些机构可以在根据目标叶片空间调整情况下直接继承。将于叶片接触部分的定位布局点特殊标记，用于后续的布局优化。
2)相似性匹配目标叶片与案例叶片
2.1)导入要设计夹具的目标叶片，提取目标叶片的三维模型；
2.2)根据目标叶片三维模型和工艺特性与步骤一中建立的夹具数据库中案例叶片三维模型和工艺特征对比，根据相似性算法找到目标叶片对应的具有相似性的案例叶片三维模型、夹具信息与工艺特性；
3)参照图3，将目标叶片与案例叶片由三维空间转换为二维空间
3.1)根据叶片三维尺寸，构建投影矢量；
3.2)依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将案例叶片和目标叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上，其中圆柱的面积要大于叶片的轮廓面，并记录投影矢量；
3.3)将步骤3.2)中得到的包含目标叶片和案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，转换为二维模型。基于此等得到包含目标叶片和案例叶片信息的统一的二维图信息，其中案例叶片包含有叶片的夹具布局信息，案例叶片二维图中只包含叶片特征信息。
4)参考图4，在二维平面内，目标叶片和案例叶片的网格仿射变换。
4.1)将得到的二维平面内目标叶片和案例叶片网格化；
4.2)选择目标叶片和案例叶片边缘轮廓线为控制线，在边缘轮廓线按照等距离方法在目标叶片和案例叶片各选取400点作为控制点；
4.3)应用二维面网格仿射变形方法，以目标叶片(Sb2)轮廓和案例叶片(Db2)轮廓为约束点把目标叶片面(Sb2)变形为与案例叶片(Db2)相对应的面Sb2-D；
4.4)基于步骤4.3)，将案例叶片二维平面内的夹具定位布局点P[P1,P2,P3,P4]转换为目标叶片二维平面内的定位点Q[Q1,Q2,Q3,Q4]，获得基于案例叶片的二维平面内夹具布局。
5)步骤3)的逆变换，基于步骤3)的投影矢量，逆变换，获得二维平面内目标叶片夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，确定为最终的夹具布局。
6)叶片夹具布局微调整，夹具体结构详细设计，试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为最终的夹具布局，用于工业生产中。
实施例2
本实施例提供一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计系统，其包括：数据库构建模块，用于建立案例叶片工装数据库；相似案例叶片确定模块，用于采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；机械结构三维模型确定模块，用于基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；三维布局点确定模块，用于对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维的定位点和夹紧点的布局；夹具模型确定模块，用于根据目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及目标叶片三维的定位点和夹紧点布局，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整和仿真分析后，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型。
进一步，三维布局点确定模块包括：空间投影模块，用于构建投影矢量，将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和案例叶片的统一的二维平面图信息；仿射变换模块，用于对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点布局；逆变换模块，用于基于构建的投影矢量进行逆变换，获得二维平面内目标叶片的夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，作为目标叶片三维的定位点和夹紧点布局。
进一步，空间投影模块包括：投影矢量构建模块，用于根据目标叶片的三维尺寸，构建投影矢量；投影模块，用于依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上；投影展开模块，用于将得到的包含目标叶片和相似案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，得到包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息。
进一步，仿射变换模块包括：网格化模块，用于将得到的包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图进行网格化；控制点选择模块，用于选择目标叶片和相似案例叶片边缘轮廓线为控制线，在控制线上按照等距离方法在目标叶片和相似案例叶片上各选取预设点数作为控制点；仿射变形模块，用于以目标叶片的边缘轮廓和相似案例叶片的边缘轮廓为约束点，把目标叶片面变换为与相似案例叶片相对应的面；二维夹具布局确定模块，用于将二维平面内相似案例叶片的夹具定位布局点转换为目标叶片的定位点，获得二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点布局。
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 (10)
- 一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)建立案例叶片工装数据库；2)采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；3)基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；4)对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维定位点和夹紧点布局；5)基于步骤3)得到的目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及步骤4)得到的目标叶片三维定位点和夹紧点布局，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整后，并对调整后的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型，用于工业生产中。
- 如权利要求1所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤1)中，案例叶片工装数据库的构建方法，包括以下步骤：1.1)在CAD软件中导入待加工航空发动机近净成形案例叶片的三维 扫描模型；1.2)根据企业生产经验，将对应步骤1.1)中案例叶片结构的最优化工装夹具模型导入对应案例叶片的三维扫描模型中；1.3)将步骤1.1)中的案例叶片的三维扫描模型和步骤1.2)中的最优化工装夹具模型分类，并进行数字化排序、分类整理与编号，得到案例叶片工装数据库。
- 如权利要求1所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤2)中，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片的方法，包括以下步骤：2.1)获取待设计工装夹具的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性；2.2)将获取的目标叶片的三维扫描模型和工艺特性与步骤1)中建立的案例叶片工装数据库中各案例叶片的三维扫描模型和工艺特性进行对比，并根据相似性算法找到目标叶片对应的相似案例叶片的三维扫描模型、工艺特性及其最优化工装夹具模型信息。
- 如权利要求1所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤4)中，得到目标叶片三维夹具的布局点的方法，包括以下步骤：4.1)构建投影矢量，将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息；4.2)二维平面内，对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具布局；4.3)基于步骤4.1)构建的投影矢量进行逆变换，获得二维平面内目标叶片的夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，作为目标叶片三维夹具的布局点。
- 如权利要求4所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤4.1)中，得到目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息的方法，包括以下步骤：4.1.1)根据目标叶片的三维尺寸，构建投影矢量；4.1.2)依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上；4.1.3)将步骤4.1.2)中得到的包含目标叶片和相似案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，得到包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息。
- 如权利要求4所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计方法，其特征在于：所述步骤4.2)中，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具布局的方法，包括以下步骤：4.2.1)将得到的包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图进行网格化；4.2.2)选择目标叶片和相似案例叶片边缘轮廓线为控制线，在控制线上按照等距离方法在目标叶片和相似案例叶片上各选取预设点数作为控制点；4.2.3)应用二维面网格仿射变形方法，以目标叶片的边缘轮廓和相似案例叶片的边缘轮廓为约束点，把目标叶片面变换为与相似案例叶片 相对应的面；4.2.4)将二维平面内相似案例叶片的夹具定位点和夹紧点布局点转换为目标叶片的定位点和夹紧点，执行步骤4.2.3)的逆变换，将与相似案例叶片相对应的面以及面上的定位点和夹紧点一起进行逆变换为目标叶片面以及目标叶片面上的定位点和夹紧点，获得二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点布局。
- 一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计系统，其特征在于包括：数据库构建模块，用于建立案例叶片工装数据库；相似案例叶片确定模块，用于采用相似性匹配方法，从构建的案例叶片工装数据库中找到与目标叶片相似的案例叶片；机械结构三维模型确定模块，用于基于相似案例叶片所对应的最优化工装夹具模型确定目标叶片夹具中机械结构的三维模型；三维布局点确定模块，用于对相似案例叶片和目标叶片进行空间投影，得到目标叶片和相似案例叶片的二维平面图信息，并在二维平面内对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换和逆变换，得到目标叶片三维夹具的定位点和夹紧点布局；夹具模型确定模块，用于根据目标叶片夹具中机械结构的三维模型以及目标叶片三维夹具的布局点，得到初始的目标叶片夹具的三维模型，对该三维模型进行微调整后，并对调整后的目标叶片夹具的三维模型进行仿真分析，仿真分析合格后制造出工程样机进行试验验证，如若满足加工工艺需求，则确定为目标叶片夹具的最终三维模型。
- 如权利要求7所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计系统，其特征在于：所述三维布局点确定模块包括：空间投影模块，用于构建投影矢量，将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型由三维空间转换为二维空间，得到目标叶片和案例叶片的统一的二维平面图信息；仿射变换模块，用于对目标叶片和相似案例叶片的网格进行仿射变换，得到二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的夹具定位点和夹紧点的布局；逆变换模块，用于基于构建的投影矢量进行逆变换，获得二维平面内目标叶片的夹具布局在目标叶片三维模型中的位置，作为目标叶片三维定位点和夹紧点的布局。
- 如权利要求7所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计系统，其特征在于：所述空间投影模块包括：投影矢量构建模块，用于根据目标叶片的三维尺寸，构建投影矢量；投影模块，用于依照相同的投影关系，按照相同的投影矢量将目标叶片和相似案例叶片的三维扫描模型投影到同一个圆柱面上；投影展开模块，用于将得到的包含目标叶片和相似案例叶片几何尺寸的圆柱面沿着圆周面展开，得到包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二维平面图信息。
- 如权利要求7所述的一种用于航空发动机近净成形叶片夹具的设计系统，其特征在于：所述仿射变换模块包括：网格化模块，用于将得到的包含目标叶片和相似案例叶片的统一的二 维平面图进行网格化；控制点选择模块，用于选择目标叶片和相似案例叶片边缘轮廓线为控制线，在控制线上按照等距离方法在目标叶片和相似案例叶片上各选取预设点数作为控制点；仿射变形模块，用于以目标叶片的边缘轮廓和相似案例叶片的边缘轮廓为约束点，把目标叶片面变形为与相似案例叶片相对应的面；二维夹具布局确定模块，用于将二维平面内相似案例叶片的夹具定位布局点转换为目标叶片的定位点，获得二维平面内基于相似案例叶片的目标叶片的定位点和夹紧点的布局。
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