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叶片复杂曲面原位测量关键技术研究

刘佳  
【摘要】:叶片作为发动机中的关键零部件已经广泛应用于航天、航海、汽车等重要领域,它的设计水平与制造质量直接影响发动机的可靠性,甚至整机的性能。叶片型面为复杂自由曲面,加工制造难度大,现有加工设备和技术存在加工环节脱节、测量与加工分离等问题,难以实现叶片的高效率和高质量制造。针对上述问题,研究叶片复杂曲面制造关键技术,研发叶片原位测量系统,对提升叶片的制造水平和生产效率具有重要的实践应用价值。依靠自主研发的叶片制造样机,搭建叶片原位测量系统,在原位测量系统的硬件设计研发、控制软件开发、测量轨迹优化、测量数据点处理等方面开展一系列创新性的研究。所搭建原位测量系统的特色在于:在不改变叶片装夹位置的前提下,完成叶片复杂曲面表面数据信息的采集,减少加工定位误差。提出新的叶片复杂曲面测量方式和特征点提取技术,提高测量效率,实现叶片加工过程中高效率和高精度的辩证统一。基于所搭建原位测量系统开展叶片快速测量的相关实验研究。分析叶片复杂曲面的传统测量方法,根据叶片截面线具有很强相似性的特点,提出截面线测量轨迹优化方法。对叶片的顶部截面线和根部截面线进行精确识别,规划叶片顶部、中部和根部截面线位置;通过分析截面线几何敏感点和最大挠度点位置,规划叶片轴流方向测量线。将Hausdorff距离作为误差评判标准,不断删除轴流方向测量线上的测量点个数,直到每条测量线上具有相同的测量点个数,由此确定出所需测量的截面线条数。对所规划的叶片截面线测量轨迹进行实验验证,对其有效性进行评估。提出两种不同的特征点提取算法—B样条曲线逼近算法和切线多边形逼近算法。B样条曲线逼近算法选取了能够体现截面线整体轮廓的基本特征点,并根据改进的Hausdorff距离计算方法实现迭代,提高算法效率。切线多边形逼近算法根据不同曲线段包含不同曲线信息的概念,选取了可变误差阈值进行特征点提取,有效的保留曲线的细节特征。通过不同算法对比分析、数值算例仿真分析和相关测量实验研究,验证算法的有效性。研究基于特征点的叶片曲面重构方法,从保留叶片原始设计信息的角度出发,遵循由线到面的重构思路,实现叶片截面线分段拟合与拼接,提出特征点配对算法实现曲面参数网格重构。利用模型对比和斑马映射分别分析重构模型的误差分布、光顺性和连续性。通过算法对比、算例分析和实验分析检验算法的有效性和实用性。理论及实验研究结果表明:所搭建的原位测量系统性能稳定,能够实现叶片的原位测量。所优化的叶片截面线测量轨迹分布合理,能够良好、快速地实现叶片整体表面扫略测量。所提出的叶片截面线特征点提取算法—B样条曲线逼近算法和切线多边形逼近算法,具有良好的适用性。切线多边形逼近算法所提取特征点能够准确表示任何加工阶段的叶片截面线轮廓,满足叶片从毛坯到成品的加工余量计算以及加工质量检测。B样条曲线逼近算法结果更适用于对叶片成品合格率的检测,较少的特征点数目能够大大提高检测效率。基于特征点的B样条曲面重构算法,最大程度的保留了叶片的设计信息,其重构结果在曲面连续性、光顺性和逼近精度上都有良好表现。所提出的原位快速测量与曲面重构方法为实现叶片的高效、精确加工提供了新的技术参考和解决办法。


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