一种精锻叶片前后缘自适应加工优化模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及一种精锻叶片前后缘自适应加工优化模型的构建方法，首先通过将叶片用于检测的截面线上叶身的露出部分划分为变形区、过渡区和前后缘区，由仿真分析可知变形区在自由状态和夹紧状态下弧长近似不变，通过优化可以得到变形后的该区域的轮廓线。然后通过前后缘区的刚体变换，在满足该区域公差和余量约束的条件系找到前后缘轮廓线的位置，并根据前后缘区与变形区之间切矢连续拟合出过渡区的轮廓线。最后将优化后的所有截面线采用放样的建模方法得到精锻叶片前后缘的加工模型。该方法避免了余量优化中的人工干预，提升了叶片大批量自适应加工的自动化程度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自适应加工优化模型的构建方法，特别是一种精锻叶片前后缘自适加工优化模型的构建方法。
技术介绍
在叶片类零件自适应加工过程中，精锻或焊接后的叶片形状受其工艺方法的限制，并不能满足精度要求，需要进行五轴数控精加工来保证最终精度。一类常见的复合工艺方法精锻制坯+精密数控加工是：叶片的叶盆叶背已经通过精锻工艺手段满足设计要求，但叶片前后缘却因为无法精锻而需要利用精密数控加工来完成。通常需要专用夹具来装夹精锻后工件，露出前后缘部分便于进行加工。由于叶片形状复杂且刚度不足，装夹状态下叶片前后缘会产生变形，因此需要根据实际测量的变形情况重构目标加工模型，进而依据目标加工模型补偿或者重新编制加工程序。文献“面向自适应加工的精锻叶片前后缘模型重构[J].航空学报,2015,36(5):1695-1703.”介绍了一种根据截面线的测量点拟合线、理论截面线以及搜索的圆弧圆心和半径来重构前后缘模型的方法。该研究方法仍是人工在CAD软件中完成叶片前后缘的重构模型，在交换数据和模型处理上会消耗大量的时间，不适于批量生产。本专利技术则将模型重构问题转化为自适应加工中的前后缘余量优化问题，通过在叶片前后缘公差区域内求解小余量、变形条件下形状复杂的前后缘加工模型，避免了余量优化中的人工干预，提升叶片大批量自适应加工的自动化程度。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是：为了解决精锻叶片前后缘数控加工中模型重构消耗大量时间，造成叶片加工效率低下的问题，本专利技术基于叶片个体的真实状态，提出了一种新的精锻叶片前后缘自适应加工优化模型，将前后缘模型重构问题转化成了在小余量和变形条件下在叶片前后缘公差范围内求解最优加工模型的问题。本专利技术的技术方案是：一种精锻叶片前后缘自适应加工优化模型的构建方法，包括以下步骤：步骤一：将叶片夹紧，选取第m组叶片截面线上叶身前缘露出部分为分析对象，对其进行区域划分，m＝1，2，…..n；其中装夹露出起始段A-A'到数控加工程序起始段B-B'之间的区域为变形区，数控加工程序起始点B-B'到曲率变化最大处点C-C'之间的区域为过渡区，曲率变化最大处点C-C'至以后的区域为前缘区，变形区不存在加工余量，过渡区和前缘区存在加工余量，其中A、B、C为叶盆上的点，A'、B'、C'为叶背上的点；步骤二：建立变形区的数学模型，确定叶盆和叶背在对应区域临界点上的位置和切矢方向，具体构建如下：叶片截面线在变形区的设计曲线s1，s2满足：s1(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)Vi,j,uAa≤ua≤uBas2(ub,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ub)Nj,3(vm)Vi,j,uAb≤ub≤uBb---(1)]]>上标a表示叶盆线，b表示叶背线；ua和ub分别为叶盆和叶背在U方向的参数值；和是叶盆线在对应点A和B对应的参数值，和是叶背线在对应点A'和B'对应的参数值；Ni,3(ua)和Nj,3(vm)为基函数；叶片曲面的次数为3；vm为第m组叶片截面线在V方向的参数值；Vi,j为截面线参数方程的控制顶点；i和j为U方向和V方向的控制顶点的个数，N、M均为控制顶点个数减1；因变形区的变形和位移很小，认为该区域在自由和夹紧状态下的弧长不变，确定变形区内最后一个测量点：D=Σk=1ndk-∫u1auBaΣj=1NΣi=1MN′i,3(ua)Nj,3(vm)Vi,jdua---(2)]]>当k＝m-1时满足D代表变形区测量点弦长之和与变形区设计曲线弧长的差值；k代表变形区的第k个测量点，可以确定为变形区内最后一个测量点；其中，表示为在装夹状态下叶盆变形区上的测量点；dk表示P1a向方向上第k个与第k+1个测量点之间的距离；由累加弦长法求得P1a向方向上测量点对应的参数为得到参数矢量变形区的数学模型如下：s1v(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)(Vi,j+ΔVi,j),u1a≤ua≤umas2v(ub,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ub)Nj,3(vm)(Vi,j+ΔVi,j),u1b≤ub≤umb---(3)]]>ΔVi,j为变形区设计曲线控制顶点的变化量；其中上标v表示由测量点拟合得到的叶盆叶背变形后的虚拟曲线；在与之间存在与设计曲线上B点等参的虚拟测量点虚拟测量点是在实际测量中没有被测到的点，就是连接点B需要通过公式4计算采用线性插值的方法求出的位置，公式如下：PBa=[(uBa-uma)/(um+1a-uma)]·(Pm+1a-Pma)+Pma---(4)]]>指的是测量点对应的参数值，该位置切向矢量方向同理，可以求出叶背虚拟曲线上与该位置切向矢量方向步骤三：构建前缘区和过渡区的数学模型，具体构建如下：(1)前缘区的数学模型建立；前缘区的初始曲线参数方程为：s5(uc,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(uc)Nj,3(vm)Vi,j,0≤uc≤1---(5)]]>s5代表叶片前缘初始曲线参数方程，c表示前缘区曲线，uc为前缘区曲线在U方向的参数值；初始设计曲线的刚性变换实际上就是其控制顶点做旋转和平移，优化后的叶片前缘曲线即前缘区的目标加工模型的参数方程为：s5t(uc,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(uc)Nj,3(vm)(R·Vi,j+T),0≤uc≤1---(6)]]>s5t代表优化后的前缘曲线参数方程，即前缘区的目标加工模型，其中R是旋转矩阵，T是平移矩阵，矩阵如下所示：R=cosθ-sinθ00sinθcosθ0000100001T=ΔxΔy00T---(7)]]>θ为叶片截面线绕叶片积叠轴方向的旋转角度，Δx为初始叶片截面线沿X方向的平移量、Δy为叶片截面线沿Y方向的平移量；前缘曲线与叶盆过渡区的连接点为切向矢量记为前缘曲线与叶背过渡区的连接点为切向矢量记为(2)过渡区的数学模型的建立，过渡区的初始设计曲线参数方程为：s3(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)Vi,j,uBa≤ua≤uCas4(ub,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ub)Nj,3(vm)Vi,j,uBb≤ub≤uCb---(8)]]>为叶盆过渡区在C处对应的参数；为叶背过渡区在C'处对应的参数；s3代表叶盆过渡区的初始设计曲线方程，s4表示叶背过渡区的初始设计曲线方程；叶盆和叶背过渡区在加紧状态下的曲线方程为：s3t(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)(Vi,j+ΔVi,j),uBa≤ua≤uCas4t(ub,vm)=Σ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精锻叶片前后缘自适应加工优化模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将叶片夹紧，选取第m组叶片截面线上叶身前缘露出部分为分析对象，对其进行区域划分，m＝1，2，.....n；其中装夹露出起始段A‑A'到数控加工程序起始段B‑B'之间的区域为变形区，数控加工程序起始点B‑B'到曲率变化最大处点C‑C'之间的区域为过渡区，曲率变化最大处点C‑C'至以后的区域为前缘区，变形区不存在加工余量，过渡区和前缘区存在加工余量，其中A、B、C为叶盆上的点，A'、B'、C'为叶背上的点；步骤二：建立变形区的数学模型，确定叶盆和叶背在对应区域临界点上的位置和切矢方向，具体构建如下：叶片截面线在变形区的设计曲线s1，s2满足：s1(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)Vi,j,uAa≤ua≤uBas2(ub,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ub)Nj,3(vm)Vi,j,uAb≤ub≤uBb---(1)]]>上标a表示叶盆线，b表示叶背线；ua和ub分别为叶盆和叶背在U方向的参数值；和是叶盆线在对应点A和B对应的参数值，和是叶背线在对应点A'和B'对应的参数值；Ni,3(ua)和Nj,3(vm)为基函数；叶片曲面的次数为3；vm为第m组叶片截面线在V方向的参数值；Vi,j为截面线参数方程的控制顶点；i和j为U方向和V方向的控制顶点的个数，N、M均为控制顶点个数减1；因变形区的变形和位移很小，认为该区域在自由和夹紧状态下的弧长不变，确定变形区内最后一个测量点：D=Σk=1ndk-∫u1auBaΣj=1NΣi=1MN′i,3(ua)Nj,3(vm)Vi,jdua---(2)]]>当k＝m‑1时满足且D≤0，D代表变形区测量点弦长之和与变形区设计曲线弧长的差值；k代表变形区的第k个测量点，可以确定为变形区内最后一个测量点；其中，表示为在装夹状态下叶盆变形区上的测量点；dk表示P1a向方向上第k个和k+1个测量点之间的距离；由累加弦长法求得P1a向方向上测量点对应的参数为得到参数矢量变形区的数学模型如下：s1v(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)(Vi,j+ΔVi,j),u1a≤ua≤umas2v(ub,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ub)Nj,3(vm)(Vi,j+ΔVi,j),u1b≤ub≤umb---(3)]]>ΔVi,j为变形区设计曲线控制顶点的变化量；其中上标v表示由测量点拟合得到的叶盆叶背变形后的虚拟曲线；在与之间存在与设计曲线上B点等参的虚拟测量点虚拟测量点是在实际测量中没有被测到的点，就是连接点B需要通过公式4计算采用线性插值的方法求出的位置，公式如下：PBa=[(uBa-uma)/(um+1a-uma)]·(Pm+1a-Pma)+Pma---(4)]]>指的是测量点对应的参数值，该位置切向矢量方向同理，可以求出叶背虚拟曲线上与该位置切向矢量方向步骤三：构建前缘区和过渡区的数学模型，具体构建如下：(1)前缘区的数学模型建立；前缘区的初始曲线参数方程为：s5(uc,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(uc)Nj,3(vm)Vi,j,0≤uc≤1---(5)]]>s5代表叶片前缘初始曲线参数方程，c表示前缘区曲线，uc为前缘区曲线在U方向的参数值；初始设计曲线的刚性变换实际上就是其控制顶点做旋转和平移，优化后的叶片前缘曲线即前缘区的目标加工模型的参数方程为：s5t(uc,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(uc)Nj,3(vm)(R·Vi,j+T),0≤uc≤1---(6)]]>s5t代表优化后的前缘曲线参数方程，即前缘区的目标加工模型，其中R是旋转矩阵，T是平移矩阵；矩阵如下所示：R=cosθ-sinθ00sinθcosθ0000100001T=ΔxΔy00T---(7)]]>θ为叶片截面线绕叶片积叠轴方向的旋转角度，Δx为初始叶片截面线沿X方向的平移量、Δy为叶片截面线沿Y方向的平移量；前缘曲线与叶盆过渡区的连接点为切向矢量记为前缘曲线与叶背过渡区的连接点为切向矢量为(2)过渡区的数学模型的建立，过渡区的初始设计曲线参数方程为：s3(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(v...

【技术特征摘要】
1.一种精锻叶片前后缘自适应加工优化模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将叶片夹紧，选取第m组叶片截面线上叶身前缘露出部分为分析对象，对其进行区域划分，m＝1，2，.....n；其中装夹露出起始段A-A'到数控加工程序起始段B-B'之间的区域为变形区，数控加工程序起始点B-B'到曲率变化最大处点C-C'之间的区域为过渡区，曲率变化最大处点C-C'至以后的区域为前缘区，变形区不存在加工余量，过渡区和前缘区存在加工余量，其中A、B、C为叶盆上的点，A'、B'、C'为叶背上的点；步骤二：建立变形区的数学模型，确定叶盆和叶背在对应区域临界点上的位置和切矢方向，具体构建如下：叶片截面线在变形区的设计曲线s1，s2满足：s1(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)Vi,j,uAa≤ua≤uBas2(ub,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ub)Nj,3(vm)Vi,j,uAb≤ub≤uBb---(1)]]>上标a表示叶盆线，b表示叶背线；ua和ub分别为叶盆和叶背在U方向的参数值；和是叶盆线在对应点A和B对应的参数值，和是叶背线在对应点A'和B'对应的参数值；Ni,3(ua)和Nj,3(vm)为基函数；叶片曲面的次数为3；vm为第m组叶片截面线在V方向的参数值；Vi,j为截面线参数方程的控制顶点；i和j为U方向和V方向的控制顶点的个数，N、M均为控制顶点个数减1；因变形区的变形和位移很小，认为该区域在自由和夹紧状态下的弧长不变，确定变形区内最后一个测量点：D=Σk=1ndk-∫u1auBaΣj=1NΣi=1MN′i,3(ua)Nj,3(vm)Vi,jdua---(2)]]>当k＝m-1时满足且D≤0，D代表变形区测量点弦长之和与变形区设计曲线弧长的差值；k代表变形区的第k个测量点，可以确定为变形区内最后一个测量点；其中，表示为在装夹状态下叶盆变形区上的测量点；dk表示P1a向方向上第k个和k+1个测量点之间的距离；由累加弦长法求得P1a向方向上测量点对应的参数为得到参数矢量变形区的数学模型如下：s1v(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)(Vi,j+ΔVi,j),u1a≤ua≤umas2v(ub,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ub)Nj,3(vm)(Vi,j+ΔVi,j),u1b≤ub≤umb---(3)]]>ΔVi,j为变形区设计曲线控制顶点的变化量；其中上标v表示由测量点拟合得到的叶盆叶背变形后的虚拟曲线；在与之间存在与设计曲线上B点等参的虚拟测量点虚拟测量点是在实际测量中没有被测到的点，就是连接点B需要通过公式4计算采用线性插值的方法求出的位置，公式如下：PBa=[(uBa-uma)/(um+1a-uma)]·(Pm+1a-Pma)+Pma---(4)]]>指的是测量点对应的参数值，该位置切向矢量方向同理，可以求出叶背虚拟曲线上与该位置切向矢量方向步骤三：构建前缘区和过渡区的数学模型，具体构建如下：(1)前缘区的数学模型建立；前缘区的初始曲线参数方程为：s5(uc,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(uc)Nj,3(vm)Vi,j,0≤uc≤1---(5)]]>s5代表叶片前缘初始曲线参数方程，c表示前缘区曲线，uc为前缘区曲线在U方向的参数值；初始设计曲线的刚性变换实际上就是其控制顶点做旋转和平移，优化后的叶片前缘曲线即前缘区的目标加工模型的参数方程为：s5t(uc,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(uc)Nj,3(vm)(R·Vi,j+T),0≤uc≤1---(6)]]>s5t代表优化后的前缘曲线参数方程，即前缘区的目标加工模型，其中R是旋转矩阵，T是平移矩阵；矩阵如下所示：R=cosθ-sinθ00sinθcosθ0000100001T=ΔxΔy00T---(7)]]>θ为叶片截面线绕叶片积叠轴方向的旋转角度，Δx为初始叶片截面线沿X方向的平移量、Δy为叶片截面线沿Y方向的平移量；前缘曲线与叶盆过渡区的连接点为切向矢量记为前缘曲线与叶背过渡区的连接点为切向矢量为(2)过渡区的数学模型的建立，过渡区的初始设计曲线参数方程为：s3(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ua)Nj,3(vm)Vi,j,uBa≤ua≤uCas4(ub,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(ub)Nj,3(vm)Vi,j,uBb≤ub≤uCb---(8)]]>为叶盆过渡区在C处对应的参数；为叶背过渡区在C'处对应的参数；s3代表叶盆过渡区的初始设计曲线方程，s4表示叶背过渡区的初始设计曲线方程；叶盆和叶背过渡区在加紧状态下的曲线方程为：s3t(ua,vm)=Σj=0NΣi=0MNi,3(...

【专利技术属性】
技术研发人员：万能，席增飞，陶礼尊，侯斐茹，杜珂，段永吉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61