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M

步骤2、利用三维ICP配准算法将理论夹具模型M

步骤3、利用三维IMLS-ICP配准算法将理论叶片模型M

步骤4、在理论夹具模型M

步骤5、将扫描模型M

步骤6、利用叶身截面线特征分割算法，将叶身截面曲线组{C

步骤7、通过在叶盆曲线组{C

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(P

步骤9、将理论叶片模型M

步骤10、在叶盆曲面S

步骤11、采用与步骤10相同的方法，分别获得叶背气膜孔组{H

然后通过坐标变换得到理论气膜孔H

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Π

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MCS

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H

步骤15、根据步骤14的变换矩阵

其中，

进一步地，步骤5中，扫描模型

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Π

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M

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Π

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{C

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(P

所述孔位/轴向解析功能模块用于计算叶盆气膜孔{H

所述定位计算功能模块用于将理论夹具模型M

所述轨迹生成分系统用于根据变换矩阵

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M

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M

步骤2、采用三维ICP配准算法将理论夹具模型M

步骤3、采用三维IMLS-ICP配准算法将理论叶片模型M

步骤4、在理论夹具模型M

步骤5、将扫描模型M

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{C

步骤7、通过在叶盆曲线组{C

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(P

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M

步骤11、如图6所示，在叶盆曲面S

步骤12、对于叶背气膜孔组{H

由于上述变换矩阵均为理论叶片M

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Π

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Π

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Π

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MCS

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H

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{P

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

进而，获得实际叶片气膜孔数据

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

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M

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。