CN104625876B - 基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法 - Google Patents

基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法，包括：步骤a、对触发式测头进行标定；步骤b、依据叶片三维理论模型，设置m个测量工位坐标系，规划测量路径；步骤c、根据测量路径产生测量程序，并安装在数控***中；步骤d、对叶片先进行粗加工，然后把触发式测头安装在数控机床主轴上；步骤e、运行测量程序，驱动触发式测头运动，存储测点坐标值；步骤f、将叶片测点坐标值传输给计算机；计算机对其进行多工位数据对齐，然后与叶片三维理论模型进行比较计算，得到叶片加工变形量和变形规律；步骤g、计算叶片精加工反向补偿余量，然后按照反向补偿余量进行叶片精加工。本发明免去了热处理工序，解决了离线测量拆卸修复再定位的难题。

Description

基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法
技术领域
本发明涉及一种增压器叶轮叶片加工方法。
背景技术
叶轮作为增压器的关键部件，其制造水平直接影响增压器的工作性能。目前叶轮叶片的形状多为复杂自由曲面，扭曲严重，厚度较薄，有些叶片边缘处厚度甚至小于1mm，在数控加工过程中，受切削力、切削热、残余应力等多种因素影响，极易发生加工变形，从而达不到叶片尺寸精度要求。
有些厚度较薄的小型叶轮在叶片粗加工后，加工变形过大，造成叶片精加工欠切。在这种情况下，需要在叶片粗加工后将叶轮从加工机床上拆卸下来进行调质热处理，再返回加工机床进行叶片半精加工和精加工。这种叶轮加工工艺增加了热处理工序，延长了生产时间，也增加了生产成本。
目前对增压器叶轮叶片的自动测量一般是采用三坐标测量机的离线测量方法，通过高精度三坐标测量机对叶片轮廓度和厚度、叶尖和内流道轮廓度、前缘轮廓度等进行离线终检检测。这种离线测量方法如需要对所测的加工变形进行补偿控制，则要将叶轮返回机床进行修复再加工，但此时加工基准将很难再准确定位，从而无法对加工变形进行准确修复再加工。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法，其能够在叶片粗加工后，无需拆卸叶轮，直接在加工机床上精确测量叶片加工变形量，由此得到加工变形规律，然后进行反向补偿精加工，从而免去了热处理工序，同时也解决了离线测量拆卸修复再定位的难题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法，包括以下步骤：
步骤a、对触发式测头进行标定，得到触发式测头的探针的有效半径R，将R值存储在数控***中用于探针针头半径补偿；
步骤b、依据叶片的三维理论模型，设置m个测量工位坐标系，并规划测量路径，m≥2；
步骤c、根据所述的测量路径产生测量程序，在数控***中安装测量程序；
步骤d、对叶片先进行粗加工，在叶片粗加工后，将数控机床主轴上的加工刀具卸下，再把触发式测头安装在数控机床主轴上；
步骤e、控制数控***运行测量程序，驱动触发式测头按照测量程序规定的路径运动，将测点坐标值存储在数控***中；
步骤f、将叶片测点坐标值传输给计算机；计算机对测点坐标值进行多工位数据对齐，将对齐后的测点坐标值与叶片三维理论模型进行比较计算，得到叶片加工变形量和变形规律；
步骤g、依据叶片加工变形量和变形规律，计算叶片精加工反向补偿余量，然后按照反向补偿余量进行叶片精加工。
采用上述技术方案后，本发明具有以下优点：
1、形成“粗加工—在机测量—补偿精加工”补偿加工工艺流程，在加工机床上直接对叶片进行精确测量，无需拆卸再定位叶轮，提高叶轮一次装夹加工合格率和加工效率，解决了离线测量拆卸修复再定位难题；
2、通过对加工变形进行补偿加工，无需热处理工序，缩短了叶轮生产时间，也节约了生产成本；
3、依据加工变形量和变形规律进行反向补偿精加工，有利于提高叶片加工精度，满足叶片面轮廓度公差要求。
附图说明
图1示出了用于实现本发明在机测量的硬件***的示意图。
图2为标准球上的25个测点的布置示意图。
图3为步长细分算法的流程图。
图4为增压器叶轮叶片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
图1示出了用于实现本发明在机测量的硬件***，包括数控机床1、数控***2、触发式测头以及计算机6。触发式测头包括测头本体3、探针4和接收器5。测头本体3的一端与探针4相连接，另一端安装在数控机床主轴11上。在对叶轮9的叶片进行测量时，测头本体通过探针4与叶片上的测点相接触获得测点坐标值，并将测得的测点坐标值通过无线电传输给接收器5；接收器5与数控***2相连接，并将接收到的测点坐标值转换传送给数控***2。计算机6用于生成测量程序，并通过RS232通信接口传输给数控***2，由数控***2驱动测头本体3及探针4运动。计算机6还对数控***2传送的测点坐标数据进行分析处理，输出测量结果。
根据本发明一实施例的一种基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、对触发式测头进行标定，得到触发式测头的探针的有效半径R，将R值存储在数控***中用于探针针头半径补偿；
步骤b、依据叶片的三维理论模型，设置m个测量工位坐标系，并规划测量路径，m≥2；上述的测量路径包括测点位置、接近距离、搜索距离、退出距离、安全距离和路径走向；
步骤c、根据所述的测量路径产生测量程序，在数控***中安装所述的测量程序；
步骤d、对叶片先进行粗加工，在叶片粗加工后，将数控机床主轴上的加工刀具卸下，再把触发式测头安装在数控机床主轴上；其中，选用的触发式测头测量精度高于叶片尺寸精度；
步骤e、控制数控***运行测量程序，驱动触发式测头按照测量程序规定的路径运动，将测点坐标值存储在数控***中；
步骤f、将叶片测点坐标值传输给计算机；计算机对测点坐标值进行多工位数据对齐，将对齐后的测点坐标值与叶片三维理论模型进行比较计算，得到叶片加工变形量和变形规律；
步骤g、依据叶片加工变形量和变形规律，计算叶片精加工反向补偿余量，然后按照反向补偿余量进行叶片精加工。
上述步骤a中，触发式测头标定采用标准球25点标定法，以提高标定精度，上述标准球25点标定法具体如下：
步骤a-1、触发式测头的探针依次碰撞标准球上25个测点，得到25个测点的坐标值；
步骤a-2、运用最小二乘法对25个测点的坐标值进行拟合计算，得到过25个探针的球心的最小二乘拟合球的半径r；
步骤a-3、计算探针的有效半径R，R＝r-D/2，其中，D为标准球的直径。
标准球上的25个测点的设置方式如图2所示。取标准球球面上的任意一点作为顶点T，在顶点T下方22.5°的第一圆截面C1的外圆周上等间距设置4个第一测点N1，在顶点T下方45°的第二圆截面C2的外圆周上等间距设置8个第二测点N2，在顶点T下方67.5°的第三圆截面C3的外圆周上等间距设置4个第三测点N3，每一第三测点N3位于相邻的两个第二测点N2的连线的垂直平分线上，在顶点T下方90°的第四圆截面C4的外圆周上等间距设置8个第四测点N4，该8个第四测点N4一一对应地分别与8个第三测点N3处于同一半径上。
上述的步骤b中，叶片测点位置的确定采用曲面参数取点法，以合理分布测点位置，准确反映叶片加工变形规律，上述曲面参数取点法具体如下：
在叶片NURBS曲面上，设U、V为参数变量(U、V取值范围均为[0，1])，把U从0开始以固定步长p递增，V从0开始以固定步长q递增,则可分别得到U向、V向参数线，两参数线全部交点即为测点。
上述步骤e中，探针跳步采用了步长细分算法，以实现探针的准确跳步功能。结合图3所示，上述步长细分算法具体如下：
1)首先执行读取机床***数据指令，读取在当前测量坐标系中的当前X轴、Y轴和Z轴位置坐标值，计算当前测点与目标测点的X轴、Y轴、Z轴距离差值Δx、Δy、Δz和移动步数n；
2)根据移动步数n，定义运动区间端点a＝i/n和b＝(i+1)/n，a为起点，b为终点，计算步长Δx*a、Δy*a和Δz*a，执行步长直线运动指令；继续执行探针碰触判断指令，将返回值赋予参数d，并通过参数d的值，来判断探针是否发生碰触：如d＝0，说明未发生碰触，则自增i，返回执行下一次循环；如d＝1，说明发生碰触，则终止循环，执行下一步骤；
3)运用二分法计算运动区间(a，b)的中间点c＝(a+b)/2，细分运动区间，得到细分步长Δx*c、Δy*c和Δz*c；将计算得到的步长精度值赋予参数e＝b-a，判断是否满足预先设定的步长精度S要求：如e<S，说明满足精度要求，则将当前X轴、Y轴和Z轴位置坐标值存储在数控***中，算法结束；如e≥S，说明不满足精度要求，则执行细分步长直线运动指令；
4)继续执行探针碰触判断指令，将返回值赋予参数d，通过参数d的值，来判断探针是否发生碰触：如d＝0，说明测头未在(a，c)之间发生碰触，则执行b＝c，返回计算区间(a，c)之间的中间点，细分运动区间和步长直至满足步长精度S要求；如d＝1，说明探针在区间(c，b)之间发生碰触，则执行a＝c，返回计算区间(c，b)之间的中间点，细分运动区间和步长直至满足步长精度S要求。
上述的步骤f中，多工位数据对齐采用齐次坐标变换法，将m个测量工位坐标系下的叶片测点坐标值对齐统一到数控机床的测量坐标系W下，采用上述齐次坐标变换法将m个测量工位坐标系中的任意一个测量工位坐标系M对齐到数控机床的测量坐标系W下的步骤如下：
将工作坐标系W平移[xw，yw，zw]T，再按右手法则绕X轴旋转角度α，绕Y轴旋转角度β，绕Z轴旋转角度γ所得到测量工位坐标系M，记从工作坐标系W到测量工位坐标系M的齐次坐标变换矩阵为H，则
把测量工位坐标系M下的测点坐标(xk j，yk j，zk j)(k＝1,2,……,m)对齐到工位坐标系W下为(xk′ j，yk′ j，zk′ j)，则由
可得:
以下以图4所示的增压器叶轮主叶片(面轮廓度公差为0.1mm)为例，更详细地描述根据本发明一实施例的基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法的实施步骤：
步骤a、利用直径为25.4mm±0.001的已校准的标准球，对触发式测头(探针针头直径D＝6mm)进行标定；运行测头标定程序，触发式测头探针依次碰撞标准球上25个测点，拟合计算得到探针的有效半径R为2.9857mm，将R＝2.9857mm存储在数控***2中用于探针针头半径补偿；
步骤b、依据主叶片三维理论CAD模型，在压力面9a和吸力面9b上均设置2个测量工位坐标系，保证探针既不与主叶片91发生干涉碰撞，也能测量整个主叶片的全部区域；按照参数取点法，U向固定步长p取为0.08,V向固定步长q取为0.1，得到主叶片压力面和吸力面上各152个测点位置；规划接近距离为3mm、搜索距离为2mm、退出距离为3mm、安全距离为2mm和测点之间的连接路径走向为V向双向走向；
步骤c、对主叶片测量路径进行后置处理，得到测量程序，将测量程序通过RS232通信接口传输给数控***；
步骤d、对主叶片进行粗加工，单面留0.3mm加工余量；主叶片粗加工后，将加工刀具卸下，再把触发式测头安装在数控机床主轴11上,选用的触发式测头测量精度高于主叶片尺寸精度；
步骤e、启动触发式测头，运行测量程序，驱动触发式测头按照测量程序规定的测量路径运动；测量程序调用采用步长细分算法编制的跳步宏程序，其中步长精度S为0.005mm；记录探针4碰触的测点的坐标值，将测点坐标值存储在数控***2中；
步骤f、将主叶片测点坐标值通过RS232通信接口传输给计算机6；采用齐次坐标变换法对测点坐标值进行多工位数据对齐，将对齐后的测点坐标值与主叶片三维理论CAD模型进行比较计算，得到主叶片压力面平均加工变形量为-0.05mm，主叶片吸力面平均加工变形量为0.088mm，其变形规律为主叶片发生由压力面朝向吸力面的加工变形；
步骤g、依据上述叶片加工变形量和变形规律，计算主叶片压力面精加工反向补偿余量为0.05mm，吸力面精加工反向补偿余量为-0.088mm，然后按照反向补偿余量进行叶片精加工。

Claims (4)

1.一种基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、对触发式测头进行标定，所述触发式测头包括测头本体和探针，所述测头本体的一端与探针相连接，另一端安装在数控机床主轴上；在对增压器叶轮叶片进行测量时，测头本体通过探针与叶片上的测点相接触获得测点坐标值；
步骤b、依据叶片的三维理论模型，设置m个测量工位坐标系，并规划测量路径，m≥2；
步骤c、根据所述的测量路径产生测量程序，在数控***中安装所述的测量程序；
步骤d、对叶片先进行粗加工，在叶片粗加工后，将数控机床主轴上的加工刀具卸下，再把触发式测头安装在数控机床主轴上；
步骤e、控制数控***运行测量程序，驱动触发式测头按照测量程序规定的路径运动，将测点坐标值存储在数控***中；
步骤f、将叶片测点坐标值传输给计算机；计算机对测点坐标值进行多工位数据对齐，将对齐后的测点坐标值与叶片三维理论模型进行比较计算，得到叶片加工变形量和变形规律；
步骤g、依据叶片加工变形量和变形规律，计算叶片精加工反向补偿余量，然后按照反向补偿余量进行叶片精加工。
2.如权利要求1所述的一种基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法，其特征在于，在所述的步骤a中，是利用标准球25点标定法对触发式探头进行标定，具体包括以下步骤：
步骤a-1、触发式测头的探针依次碰撞标准球上25个测点，得到25个测点的坐标值；
步骤a-2、运用最小二乘法对25个测点的坐标值进行拟合计算，得到过25个探针的球心的最小二乘拟合球的半径r；
步骤a-3、计算探针的有效半径R，R＝r-D/2，其中，D为标准球的直径。
3.如权利要求2所述的一种基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法，其特征在于，标准球上的25个测点按照以下方式设置：
取标准球球面上的任意一点作为顶点，在顶点下方22.5°的第一圆截面的外圆周上等间距设置4个第一测点，在顶点下方45°的第二圆截面的外圆周上等间距设置8个第二测点，在顶点下方67.5°的第三圆截面的外圆周上等间距设置4个第三测点，每一第三测点位于相邻的两个第二测点的连线的垂直平分线上，在顶点下方90°的第四圆截面的外圆周上等间距设置8个第四测点，该8个第四测点一一对应地分别与8个第三测点处于同一半径上。
4.如权利要求1所述的一种基于在机测量的增压器叶轮叶片加工方法，其特征在于，所述步骤f中的工位数据对齐采用了齐次坐标变换法。
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