一种基于双侧超声滚压加工的航空叶片定位与姿态调节方法技术

本发明专利技术提供一种基于双侧超声滚压加工的航空叶片定位与姿态调节方法，包括步骤：S1利用超声滚压头作为测头测量叶片的双侧表面，获取叶片初始安装状态下相对于机床坐标系的一组点集构成待配准点云，S2通过采样一致性点云初始配准算法与考虑曲率特征的迭代最近点精确配准算法,将所述叶片待配准点云与根据理论模型所得目标点云进行配准，得到两组点云的旋转变换矩阵和平移变换矩阵；S3将两组变换矩阵转化为叶片旋转和平移姿态调节量；S4根据上述所得到的姿态调节量，按照先旋转量依次调节再平移量依次调节进行分步姿态调节,实现叶片的精确定位。本发明专利技术将叶片测量、姿态调节与超声滚压强化加工集成，提高航空发动机叶片表面强化加工的精度。

A Method of Aeronautical Blade Positioning and Attitude Adjustment Based on Bilateral Ultrasound Rolling Machining

【技术实现步骤摘要】
一种基于双侧超声滚压加工的航空叶片定位与姿态调节方法
本专利技术涉及航空发动机叶片，特别是一种基于双侧超声滚压加工的航空叶片的定位与姿态调节方法。
技术介绍
航空发动机叶片是典型的复杂曲面薄壁构件，由于叶片长期处于高温高压高速的工作环境，极易出现各种损伤，对叶片进行表面强化加工能够提高叶片的疲劳寿命，其中表面超声滚压强化技术就是一种有效的表面强化方法。然而，对航空发动机叶片进行超声滚压强化加工之前，叶片的精确定位至关重要，定位精度直接影响强化加工的效果。一般地，通过固定叶片榫头部位来达到定位的目的。但是叶片榫头的结构复杂，需要专用的夹具系统，并且叶片榫头型面通常存在一定的加工误差，导致叶片1装夹在机床上的实际位置3往往与理论位置2存在较大误差，如图1所示。然而，叶片强化加工的刀具轨迹是由理论模型得到的，这就导致理论刀具轨迹不能符合机床实际加工要求。通过检测叶片在机床上的定位误差，逐步调节叶片姿态，可以实现叶片的精确定位，进而保证后续叶片强化加工的精度。但是，人工调节叶片姿态要求经验高，难度大，并没有统一的调节指标。传统的零部件定位方法通常采用“3-2-1”的定位原则，即，用销钉作为定位元件，通过主基准面限制工件的3个自由度，通过第二基准面限制2个自由度，通过第三基准面限制1个自由度。但是“3-2-1”原则要求可定位表面都是平面，而且三个基准面通常相互垂直。故对于具有自由曲面的航空发动机叶片，显然不能直接应用这种传统的定位方法。近年来，针对复杂曲面的定位，大致可以分为两种：一种是以曲面型面作为定位基准，结合六点定位原则，手动建立测量坐标系，通过测量坐标系与理论模型的坐标系的变换实现零件的定位，该定位方法常用于三坐标测量机检测工件中，但是这种方法受人为因素的影响较大；另一种是基于迭代最近点算法或其改进算法的定位方法，通过对复杂曲面上的测量点与理论模型对应点进行配准，求解变换参数，这种方法虽然能够提高定位精度，但是对于具有自由曲面薄壁特征的叶片来说，由于叶身没有参考特征点，测量点的选择以及叶片姿态调节方法将直接影响定位精度和效率。
技术实现思路
因此，为了保障航空发动机叶片表面强化加工的效率和精度，本专利技术提供了一种针对航空发动机叶片在表面强化加工前，准确高效地叶片定位与姿态调节方法。本专利技术提供了一种基于双侧超声滚压加工的航空叶片定位与姿态调节方法，将所述航空叶片夹持于超声滚压装置的可调夹具系统中，超声滚压头居于叶片的两侧，所述方法包括以下步骤：S1叶片测量，利用超声滚压头作为测头测量叶片的双侧表面，获取叶片初始安装状态下相对于机床坐标系的一组点集构成待配准点云Pm＝{pi∈R3，i＝1,2,3…m}；S2点云配准，通过采样一致性点云初始配准算法与考虑曲率特征的迭代最近点精确配准算法将所述叶片待配准点云Pm＝{pi∈R3,i＝1,2,3…m}与根据理论模型所得目标点云Qn＝{qi∈R3,i＝1,2,3…n}进行配准，得到两组点云的旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T；S3确定姿态调节量，将旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T转化为叶片姿态调节量，分别是旋转调节量(θx,θy,θz)以及平移调节量(dx，dy，dz)；S4分步姿态调节，根据上述所得到的姿态调节量(θx，θy，θz，dx,dy,dz)，通过叶片可调夹具系统按照先旋转量(θx,θy,θx)依次调节再平移量(dx，dy，dz)依次调节进行分步姿态调节，实现叶片的精确定位。进一步地，所述步骤S2点云配准包括：S21初步配准，利用采样一致性初始拼接算法将叶片实际位置与理论位置进行，以及S22精确配准，利用考虑曲率特征的迭代最近点算法进行。进一步地，所述步骤S21初步配准包括：S211对于待配准点云Pm和目标点云Qn中的每个样本点pi和qi，分别计算其快速点特征直方图FPFH；S212从待配准点云Pm中选择s个采样点，且两两采样点之间的距离d满足大于最小距离阈值d0；S213在目标点云Qn中查找与所选s个采样点的FPFH特征相似的一个或多个点，并从中随机选取一个点作为待配准点云Pm在目标点云Qn中对应的点；S214计算对应点之间的刚体变换矩阵，并通过计算对应点变换后距离误差和函数判断变换矩阵的性能，其中距离误差和函数由Huber罚函数表示，其中：式中：mi为预定值，单位mm，li为第i组对应点变换后的距离差，单位mm；S215重复上述步骤S212、S213、S214，直到达到距离误差和最小，进而得到初始旋转矩阵R0和平移矩阵T0。按照本专利技术，所述步骤S22精确配准包括：S221根据初始配准得到的变换矩阵对待配准点云Pm进行坐标变换，得到待精确配准点云P′m＝R0Pm+T0；S222对待精确配准点云P′m中的每个点p′i，利用k-dtree结构在目标点云Qn中搜索距离点p′i最近的点qi，作为该点在Qn中的对应点，组成初始对应点对(p′i,q′i)；S223分别计算对应关系点对(p′i，q′i)中点p′i在P′m中的主曲率和点q′i在Qn中的主曲率引入主曲率特征阈值σk，若则认为此对应点对为错误点对，进行剔除；S224根据对应点对求解旋转矩阵R和平移矩阵T，由所求的变换矩阵更新待精确配准点云P′m为P″m，即P′m＝RP′m+T；并计算P′m与Qn对应点集之间的平均距离，平均距离计算函数为：S225判断平均距离ε(R,T)是否小于给定阈值ε0或当前迭代次数是否大于所设定的最大迭代次数，若是，则迭代结束；否则，将待精确配准点云P′m更新为P″m，返回步骤S222继续执行，直到满足收敛条件。按照本专利技术，所述步骤S3包括：根据所述配准过程所求得的旋转矩阵R，通过式R＝RzRyRx，其中计算可得航空叶片绕X、Y、Z轴的旋转角度(θx，θy,θz)，以及根据上述配准过程所得平移矩阵T＝[dx,dy,dz]T计算可得航空叶片表示旋转后的新坐标系沿X、Y、Z轴平移量(dx,dy,dz)。进一步地，所述步骤S4分步姿态调节步骤包括：S41调节旋转量(θx,θy,θz)和S42调节平移量(dx,dy,dz)。其中，步骤S41包括：调节X向的旋转量θx，调节Y向的旋转量θy和调节Z向的旋转量θz。步骤S42包括：调节Z向的平移量dz，调节X向的平移量dx和调节Y向的平移量dy。本专利技术利用叶片的叶身型面作为定位基准，通过安装在机床上的双侧超声滚压头测量叶片双侧表面，快速获取一组相对于机床坐标系的叶片双侧表面坐标，引入主曲率特征阈值，利用采样一致性初始配准算法与考虑曲率特征的迭代最近点精确配准算法将实际测量数据与理论模型数据进行配准，并计算叶片姿态调节量，通过叶片可调夹具系统调节叶片姿态实现其准确定位。从而，将叶片测量、姿态调节与超声滚压强化加工进行集成，形成叶片“测量-调节-加工”系统，提高航空发动机叶片表面强化加工的精度。附图说明图1为现有技术中叶片安装误差示意图。图2示出安装在夹具上的叶片，并示出其实际位置与理论位置间的误差；图3为叶片双侧超声滚压装置示意图。图4为图3中超声滚压头的放大示意图。图5为按照本专利技术进行调节的过程示意图，其中，图5(a)为调节θx,dz的主视图，图5(b)为调节θz,dx，dy的左视图，图5(c)为调节θy的俯视图。图6为本专利技术叶片定位与姿态调节流程图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于双侧超声滚压加工的航空叶片定位与姿态调节方法，将所述航空叶片夹持于超声滚压装置的可调夹具系统中，超声滚压头居于叶片的两侧，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1叶片测量，利用超声滚压头作为测头测量叶片的双侧表面，获取叶片初始安装状态下相对于机床坐标系的一组点集构成待配准点云Pm＝{pi∈R

【技术特征摘要】
1.基于双侧超声滚压加工的航空叶片定位与姿态调节方法，将所述航空叶片夹持于超声滚压装置的可调夹具系统中，超声滚压头居于叶片的两侧，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1叶片测量，利用超声滚压头作为测头测量叶片的双侧表面，获取叶片初始安装状态下相对于机床坐标系的一组点集构成待配准点云Pm＝{pi∈R3，i＝1,2,3…m；S2点云配准，通过采样一致性点云初始配准算法与考虑曲率特征的迭代最近点精确配准算法将所述叶片待配准点云Pm＝{pi∈R3,i＝1,2，3…m}与根据理论模型所得目标点云Qn＝{qi∈R3，i＝1,2,3…n}进行配准，得到两组点云的旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T；S3确定姿态调节量,将旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T转化为叶片姿态调节量，分别是旋转调节量(θx,θy，θz)以及平移调节量(dx,dy，dz)；S4分步姿态调节,根据上述所得到的姿态调节量(θx,θy,θz,dx,dy,dz)，通过叶片可调夹具系统按照先旋转量(θx,θy,θz)依次调节再平移量(dx，dy,dz)依次调节进行分步姿态调节,实现叶片的精确定位。2.根据权利要求1所述的基于双侧超声滚压加工的航空叶片定位与姿态调节方法，其特征在于，所述步骤S2点云配准包括：S21初步配准，利用采样一致性初始拼接算法将叶片实际位置与理论位置进行，以及S22精确配准，利用考虑曲率特征的迭代最近点算法进行。3.根据权利要求2所述的基于双侧超声滚压加工的航空叶片定位与姿态调节方法，其特征在于，所述步骤S21初步配准包括：S211对于待配准点云Pm和目标点云Qn中的每个样本点pi和qi,分别计算其快速点特征直方图FPFH；S212从待配准点云Pm中选择s个采样点，且两两采样点之间的距离d满足大于最小距离阈值d0；S213在目标点云Qn中查找与所选s个采样点的FPFH特征相似的一个或多个点，并从中随机选取一个点作为待配准点云Pm在目标点云Qn中对应的点；S214计算对应点之间的刚体变换矩阵，并通过计算对应点变换后距离误差和函数判断变换矩阵的性能，其中距离误差和函数由Huber罚函数表示，其中：式中：mi为预定值，单位mm，li为第i组对应点变换后的距离差，单位mm；S215重复上述步骤S212、S213、S214，直...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚树磊，成慧杰，张开明，刘爽，张显程，涂善东，付尧，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31