劉 佳，張晶晶，楊勝強，喬志杰

百葉輪拋磨葉片微結(jié)構(gòu)區(qū)域識別及路徑拼接方法研究

劉 佳1,2，張晶晶1,2，楊勝強1,2，喬志杰1,2

(1. 太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2. 精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

葉片型面具有曲率突變特性，需進行分區(qū)域加工，其微結(jié)構(gòu)區(qū)域的精確識別和拋磨路徑拼接是提高葉片表面質(zhì)量一致性的關(guān)鍵。針對此類問題，提出一種依據(jù)截面線切向量夾角變化識別前、后緣微結(jié)構(gòu)區(qū)域，根據(jù)截面線法向量配準識別葉根過渡圓弧微結(jié)構(gòu)區(qū)域的方法，即根據(jù)百葉輪最大加工帶寬度和拋磨點匹配法分別實現(xiàn)前、后緣和葉根過渡圓弧微結(jié)構(gòu)區(qū)域與葉盆、葉背拋磨路徑的拼接。仿真及實驗結(jié)果表明，該方法相較傳統(tǒng)圓弧識別方法，能更有效保留微結(jié)構(gòu)區(qū)域輪廓信息，相比未考慮路徑拼接的拋磨方式，拋磨后葉片型面輪廓精度提高49.52%，表面粗糙度提高57.31%，加工質(zhì)量一致性提高7.15%和11.55%，證實了微結(jié)構(gòu)區(qū)域的識別及路徑拼接可有效提高葉片加工質(zhì)量的一致性。

葉片微結(jié)構(gòu)；百葉輪拋磨；前后緣；區(qū)域識別；路徑拼接

在航空發(fā)動機中，葉片是直接參與能量轉(zhuǎn)換的核心動力零件，因其具有葉身薄、葉形扭、變曲率的構(gòu)型特征，被公認為是一種加工難度極大的零件。葉片前、后緣和葉根過渡圓弧部位相較于葉身型面，曲率變化急劇且曲率半徑極小，屬于零件上的微結(jié)構(gòu)區(qū)域(半徑甚至會達到0.1 mm)。由于葉片型面加工誤差主要集中在微結(jié)構(gòu)區(qū)域，因此提高微結(jié)構(gòu)區(qū)域的拋磨精度是保證葉片表面拋磨質(zhì)量一致性的關(guān)鍵。

高精度的拋磨路徑是提高葉片拋磨精度的重點，眾多學者做了大量研究工作。石璟和張秋菊[1]分析了3種不同形狀接觸輪實現(xiàn)葉片拋磨，葉片型面不同區(qū)域之間拋磨余量分布的不均勻性僅用曲率分析對拋磨路徑進行計算是不夠的。HUAI等[2]提出了一種基于葉片參數(shù)化模型的拋磨工具頭進給方式，由于葉片型面法向量方向連續(xù)變化，容易引起拋磨間距計算誤差偏大。YANG等[3]提出了一種基于誤差區(qū)域的路徑規(guī)劃方法，但其未針對提高葉片微結(jié)構(gòu)區(qū)域的拋磨精度。LIN等[4]提出了一種模型重建自適應(yīng)加工方法，解決葉片前、后緣拋磨問題，但是葉根過渡圓弧的拋磨問題仍未完全解決。WANG和YUN[5]提出了一種曲線長度間距優(yōu)化的磨削路徑生成方法，為磨削的平滑性、路徑精確性提供了理論支持，該方法未考慮不同區(qū)域之間拋磨路徑的拼接問題。郝煒等[6]對截面線進行加工誤差補償拋磨，未解決前、后緣處加工誤差最大的問題。張明德等[7]通過加工余量計算實現(xiàn)前、后緣加工，由于加工余量分布不均勻難以實現(xiàn)穩(wěn)定高效拋磨。藍仁浩等[8]通過檢測-加工的方法實現(xiàn)葉片型面的適應(yīng)性加工，針對前、后緣拋磨仍然認為是圓角形狀。張軍鋒等[9]在認為前、后緣是半圓形的基礎(chǔ)上進行拋磨，對多種類前、后緣形狀缺乏適應(yīng)性。HUANG等[10]提出了一種基于加工精度控制的軌跡規(guī)劃方法，趙歡等[11]建立了面族與復(fù)雜曲面高階接觸的隨形拋磨路徑規(guī)劃方法，由于葉片加工誤差主要集中在微結(jié)構(gòu)區(qū)域，依據(jù)微結(jié)構(gòu)區(qū)域型面參數(shù)規(guī)劃拋磨路徑難以保證加工余量的有效去除及加工質(zhì)量的一致性。

本文在精確識別微結(jié)構(gòu)區(qū)域的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)區(qū)域與葉盆、葉背拋磨路徑的拼接。對葉片截面線測量點進行B樣條曲線擬合，依據(jù)截面線切向量角識別前、后緣微結(jié)構(gòu)，根據(jù)截面線法向量配準識別葉根過渡圓弧微結(jié)構(gòu)。根據(jù)最大加工帶寬度和拋磨點匹配實現(xiàn)前、后緣和葉根過渡圓弧區(qū)域與葉盆、葉背拋磨路徑拼接。

1 微結(jié)構(gòu)區(qū)域識別

1.1 前、后緣區(qū)域識別

葉片型面微結(jié)構(gòu)區(qū)域如圖1所示，利用三維激光掃描儀測量葉片待加工模型，截取其中一條葉片截面線得到截面線數(shù)據(jù)點z(=1,2,···,)，對該截面線進行三次B樣條曲線擬合得到

其中，Bi為控制頂點；Ni,k為標準B樣條基函數(shù)；k為B樣條次數(shù)。

根據(jù)式(1)求取葉片截面線切向量及法向量

所求切向量和法向量如圖2所示。

依據(jù)式(2)得到葉片截面線上各點的切線方程

如圖3所示，根據(jù)葉片截面線數(shù)據(jù)點坐標值分布范圍=[min,max]，利用二分法將葉片劃分為準前、后緣區(qū)域，即X=[min,mid]，X=[mid,max]。

圖3 前、后緣區(qū)域識別示意圖

根據(jù)坐標極限值，調(diào)整準前、后緣區(qū)域截面線上葉盆、葉背部分數(shù)據(jù)點個數(shù)到相等。以mid為基準，分別向準前、后緣區(qū)域搜索，判別葉盆、葉背截面線上對應(yīng)數(shù)據(jù)點的切線是否相交，若交點滿足int≤min，int≥max，則所有數(shù)據(jù)點分別構(gòu)成初始前、后緣區(qū)域。以最后一個交點為基準，當相鄰交點之間的距離增幅超過設(shè)定誤差值時，停止搜索，此時數(shù)據(jù)點所構(gòu)成的區(qū)域為最終前、后緣區(qū)域。

1.2 葉根過渡圓弧區(qū)域識別

如圖4所示，沿垂直于葉片截面線方向，提取一條葉片交線，葉根段交線的斜率為K，葉身段交線上各點的法向量為K(=1,2,3,···,)，以K為基準，計算｜K-K｜(=1,2,3,···,)，提取滿足|K-K|≥|mean|的數(shù)據(jù)點，構(gòu)成葉根過渡圓弧數(shù)據(jù)點集。

圖4 葉根過渡圓弧區(qū)域識別示意圖

當葉片交線遍歷整個葉片型面時，提取葉根過渡圓弧數(shù)據(jù)點集中位于葉身型面上的邊界數(shù)據(jù)點(X,Z),(=1,2,3,···,;=1,2,3,···,)，對邊界數(shù)據(jù)點進行直線擬合，得

為葉片葉根邊界截面線。由葉片葉根邊界截面線和葉根段交線邊界點構(gòu)成葉根過渡圓弧區(qū)域。

2 微結(jié)構(gòu)區(qū)域路徑拼接

對葉片的葉盆和葉背分別進行標準雙三次B樣條曲面擬合，葉片拋磨采用橫向拋磨方式，參數(shù)和分別為截面線方向和拋磨軸方向。

2.1 前、后緣區(qū)域路徑拼接

在橫向拋磨方式下，前、后緣路徑的拼接體現(xiàn)在參數(shù)方向上。依據(jù)識別的前、后緣區(qū)域，令

判斷?()在該點是否變號，計算出前、后緣區(qū)域的拐點。根據(jù)最大加工誤差計算前、后緣區(qū)域的最大加工帶寬度，以拐點為基準，以最大加工帶寬度同時向前、后緣區(qū)域邊界擴展，調(diào)整前、后緣區(qū)域與葉盆、葉背的分界點為拋磨路徑拼接點，實現(xiàn)路徑拼接，如圖5所示。

圖5 前、后緣路徑拼接示意圖

2.2 葉根過渡圓弧區(qū)域路徑拼接

如圖6所示，葉根過渡圓弧路徑的拼接體現(xiàn)在參數(shù)方向上，將百葉輪簡化為個間距為1 mm的拋磨圓，設(shè)當前拋磨點為(eight,right)，葉根過渡圓弧區(qū)域邊界截面線參數(shù)為(,root)，依次計算所有拋磨圓圓心正下方點zz(=,1,2,3,···,)到[(right,right)],[(right,root)]區(qū)間內(nèi)點的距離d(=1,2,3,···,)，當d>時，說明該拋磨圓未參與拋磨，以此得到下一個拋磨點(right,right+1)。若此時，百葉輪與葉根不發(fā)生干涉，則保留該拋磨點，繼續(xù)計算拋磨點到[(right,right+1),(right,root)]區(qū)間內(nèi)點的距離，若百葉輪與葉根發(fā)生干涉，則原拋磨點(right,right)為最終拋磨點位置，當拋磨點遍歷整個變量時，將葉根過渡圓弧邊界截面線調(diào)整為(,right)，從而實現(xiàn)拋磨路徑拼接。

圖6 葉根過渡圓弧路徑拼接示意圖

葉根過渡圓弧區(qū)域拋磨方式為縱向拋磨，路徑規(guī)劃方法與前、后緣區(qū)域相同，由于拋磨方式的不同，需要調(diào)整葉根過渡圓弧拋磨點位置，實現(xiàn)葉根過渡圓弧與葉盆、葉背區(qū)域拋磨點匹配。如圖7所示，在百葉輪有效拋磨區(qū)間內(nèi)，提取距離拋磨點最近原始拋磨點作為葉根過渡圓弧拋磨點，實現(xiàn)拋磨點在不同拋磨方式下的路徑拼接。

圖7 葉根過渡圓弧拋磨點匹配示意圖

3 仿真及實驗分析

3.1 仿真分析

測量某葉片模型，分別截取葉片型面上3條截面線和垂直于截面線方向的3條交線來驗證本文微結(jié)構(gòu)區(qū)域識別的合理性(圖8)。交線1為所有葉盆截面線上拐點的擬合直線，3條交線以交線1為基準，利用二分法進行提取。微結(jié)構(gòu)區(qū)域識別精度對比如圖9所示。

由圖9可以看出，傳統(tǒng)圓弧識別方法無法完整地識別葉片微結(jié)構(gòu)區(qū)域，本文方法識別的前、后緣區(qū)域可有效包含傳統(tǒng)方法識別的圓弧區(qū)域，并對高階拋物線前、后緣形狀有一定的適應(yīng)性。所識別的微結(jié)構(gòu)區(qū)域與最大加工誤差分布范圍一致，表明所劃分的微結(jié)構(gòu)區(qū)域有效識別了葉片型面的表面差異性，在保留形狀信息的同時識別了上道工序的工藝信息，可為實現(xiàn)葉片加工余量的定量去除，提高加工質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

圖8 截面線及交線截取位置示意圖

圖9 微結(jié)構(gòu)區(qū)域識別對比((a)前、后緣區(qū)域識別；(b)葉根過渡圓弧區(qū)域識別)

3.2 實驗分析

依據(jù)等弦高誤差法[12]規(guī)劃葉盆、葉背拋磨路徑，最大加工帶寬度規(guī)劃微結(jié)構(gòu)區(qū)域拋磨路徑。圖10為葉片型面機器人輔助百葉輪拋磨實驗，葉片拋磨加工參數(shù)見表1。為驗證本文算法的合理性以及拋磨結(jié)果的可靠性，將拋磨實驗結(jié)果進行對比，如圖11所示。

圖11中，BP1PE(BP1R)為拋磨前截面線1輪廓度(表面粗糙度)，ICAP1PE(ICAP1R)為未考慮拋磨路徑拼接拋磨后截面線1輪廓度(表面粗糙度)，CAP1PE(CAP1R)為考慮拋磨路徑拼接拋磨后截面線1輪廓度(表面粗糙度)，其余截面線同理。MICAP1PE (MICAP1R)為未考慮拋磨路徑拼接拋磨后截面線1輪廓度誤差(表面粗糙度誤差)，MCAP1PE (MCAP1R)為考慮拋磨路徑拼接拋磨后截面線1輪廓度(表面粗糙度)，其余截面線同理。

1：六自由度機器人；2：被加工葉片；3：百葉輪；4：氣動馬達；5：四工位換輪平臺；6：ATI六維力傳感器；7：上位機；8：PLC控制器；9：示教器；10：機器人控制柜

表1 葉片拋磨加工參數(shù)

由圖11(a)和(c)可知拋磨前，3條截面線輪廓度和表面粗糙度平均值分別為0.263 mm和1.53 μm，未考慮路徑拼接拋磨時，3條截面線輪廓度和表面粗糙度平均值分別為0.063 mm和0.26 μm，考慮路徑拼接拋磨時，3條截面線輪廓度和表面粗糙度平均值分別為0.032 mm和0.10 μm。相較于拋磨前，拋磨后3條截面線輪廓度和表面粗糙度均有所提升，未考慮路徑拼接拋磨時，分別提升75.97%和83.29%，考慮路徑拼接拋磨時，分別提升87.87%和92.86%。該現(xiàn)象表明，考慮路徑拼接相比未考慮路徑拼接拋磨，葉片截面線輪廓度和表面粗糙度有更大地提升，且輪廓度提高了49.52%，表面粗糙度提高了57.31%。

由圖11(b)和(d)可知，未考慮路徑拼接拋磨時，3條截面線輪廓度和表面粗糙度提升方差值分別為0.57%和0.23%，考慮路徑拼接拋磨時，3條截面線輪廓度和表面粗糙度提升方差值分別為0.44%和0.30%。該結(jié)果說明，在基本不損失表面粗糙度提升率情況下，考慮路徑拼接相比未考慮路徑拼接拋磨，葉片截面線輪廓度提升的一致性更高，且與拋磨前相比，截面線輪廓度和表面粗糙度加工質(zhì)量一致性分別提高了7.15%和11.55%。

圖11 葉片截面線拋磨實驗結(jié)果及對比((a)葉片截面線輪廓度；(b)葉片截面線輪廓度誤差對比；(c)葉片截面線表面粗糙度；(d)葉片截面線表面粗糙度誤差對比)

綜上所述，葉片在考慮路徑拼接拋磨后，截面線輪廓度和表面粗糙度平均值分別為0.032 mm和0.10 μm，符合葉片拋磨要求，且考慮路徑拼接的拋磨質(zhì)量高于未考慮路徑拼接的拋磨質(zhì)量，輪廓度提高了49.52%，表面粗糙度提高了57.31%。相比拋磨前，考慮路徑拼接拋磨的加工質(zhì)量一致性分別提高了7.15%和11.55%。其說明本文方法能夠精確識別葉片微結(jié)構(gòu)區(qū)域，并通過拋磨路徑拼接，可有效降低微結(jié)構(gòu)區(qū)域加工誤差，提高葉片加工質(zhì)量的一致性。

4 結(jié)束語

本文方法通過截面線切向量角識別葉片前、后緣區(qū)域，對高階拋物線前、后緣形狀具有一定的適應(yīng)性，提高了前、后緣區(qū)域識別精度。根據(jù)最大加工帶寬度和拋磨點匹配將微結(jié)構(gòu)區(qū)域邊界進行修正，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)區(qū)域和葉盆、葉背區(qū)域拋磨路徑的拼接，提高了拋磨路徑的連續(xù)性。

拋磨實驗表明，微結(jié)構(gòu)區(qū)域的精確識別和拋磨路徑拼接使葉片型面輪廓精度提高49.52%，表面粗糙度提高57.31%，加工質(zhì)量一致性提高7.15%和11.55%，在滿足葉片型面加工要求的同時，提高了加工質(zhì)量一致性。

[1] 石璟, 張秋菊. 六軸聯(lián)動葉片砂帶拋磨中接觸輪姿態(tài)的確定[J]. 機械科學與技術(shù), 2010, 29(2): 196-200.

SHI J, ZHANG Q J. Determination of contact wheel position and orientation for six-axis blade CNC abrasive belt, grinding system[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2010, 29(2): 196-200 (in Chinese).

[2] HUAI W B, SHI Y Y, TANG H, et al. An adaptive flexible polishing path programming method of the blisk blade using elastic grinding tools[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2019, 33(7): 3487-3495.

[3] YANG J H, ZHANG D H, WU B H, et al. A path planning method for error region grinding of aero-engine blades with free-form surface[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 81(1-4): 717-728.

[4] LIN X J, CHEN Y, WANG Z W, et al. The research of model restructuring about leading edge and tailing edge of precision forging blade for the adaptive machining technology[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 35: 1695-1703.

[5] WANG W, YUN C. A path planning method for robotic belt surface grinding[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2011, 24(4): 520-526.

[6] 郝煒, 藺小軍, 單晨偉, 等. 薄壁葉片前后緣加工誤差補償技術(shù)研究[J]. 機械科學與技術(shù), 2011, 30(9): 1446-1450.

HAO W, LIN X J, SHAN C W, et al. Research on the machining error compensation for the leading and trailing edges of thin-walled blade[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2011, 30(9): 1446-1450 (in Chinese).

[7] 張明德, 蔡漢水, 謝樂, 等. 航發(fā)葉片前后緣數(shù)控砂帶磨削關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 機械科學與技術(shù), 2018, 37(5): 797-803.

ZHANG M D, CAI H S, XIE L, et al. Research on key technology of CNC abrasive belt grinding for aircraft engines blade edges[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2018, 37(5): 797-803 (in Chinese).

[8] 藍仁浩, 黃云, 陳貴林, 等. 航空發(fā)動機葉片精密自適應(yīng)砂帶磨削技術(shù)及試驗研究[J]. 航空制造技術(shù), 2018, 61(15): 16-24.

LAN R H, HUANG Y, CHEN G L, et al. Self-adaptive belt grinding technology and its experimental research on aero-engine blade[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2018, 61(15): 16-24 (in Chinese).

[9] 張軍鋒, 史耀耀, 藺小軍, 等. 航空發(fā)動機葉片前后緣自由式砂帶拋光技術(shù)[J]. 航空學報, 2017, 38(3): 247-255.

ZHANG J F, SHI Y Y, LI X J,,et al. Freestyle belt polishing technology for leading and trailing edges of aero-engine blade[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(3): 247-255 (in Chinese).

[10] HUANG Z, SONG R, WAN C B, et al. Trajectory planning of abrasive belt grinding for aero-engine blade profile[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 102(1-4): 605-614.

[11] 趙歡, 姜宗民, 丁漢. 航空發(fā)動機葉片葉緣隨形磨拋刀路規(guī)劃[J]. 航空學報, 2021(10): 256-266.

ZHAO H, JIANG Z M, DING H. Tool path planning for profiling grinding of aero-engine blade edge[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2021(10): 256-266 (in Chinese).

[12] 吳福忠. 點云曲面等殘留高度刀具路徑規(guī)劃[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2012, 18(5): 965-972.

WU F Z. Constant scallop-height tool path planning for point cloud surface[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2012, 18(5): 965-972 (in Chinese).

Research on microstructure region identification and path splicing method of abrasive cloth wheel polishing blade

LIU Jia1,2, ZHANG Jing-jing1,2, YANG Sheng-qiang1,2, QIAO Zhi-jie1,2

(1. School of Mechanical and Transportation Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China; 2. Key Laboratory of Precision Machining, Taiyuan Shanxi 030024, China)

The blade profile is characteristic of abrupt curvature and needs to be processed in different areas. The precise identification of the microstructure area and the splicing of the polishing path are the key to improving the consistency of the blade surface quality. To address this problem, this paper proposed to identify the front and rear edge microstructure areas based on the tangent vector angle of the section line, and to identify the root transition arc microstructure area based on the normal vector registration of the section line. According to the matching of the maximum processing belt width and the polishing point, the transition arc microstructure area of the front, the rear edge, and the blade root was spliced with the blade pot and the blade back polishing path, respectively. Simulation and experimental results show that compared with traditional arc recognition methods, the proposed method can more effectively retain the contour information of the microstructure area. Compared with the polishing method without path splicing, the accuracy of the blade profile after polishing increased by 49.52%, the surface roughness by 57.31%, and the consistency of the processing quality by 7.15% and 11.55%. These results prove that the identification of the microstructure area and the path splicing can effectively improve the consistency of the blade processing quality.

blade microstructure; abrasive cloth wheel polishing; front and rear edges; area recognition; path splicing

1 December，2021；

National Natural Science Foundation of China (5210051406); Shanxi University Science and Technology Innovation Project (RD2000003620)

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2022040715

A

2095-302X(2022)04-0715-06

2021-12-01；

2022-02-25

25 February，2022

國家自然科學基金項目(5210051406)；山西省高?？萍紕?chuàng)新項目(RD2000003620)

劉 佳(1987-)，女，講師，博士。主要研究方向為精密零件表面光整加工技術(shù)。E-mail：liujia@tyut.edu.cn

LIU Jia (1987-), lecturer, Ph.D. Her main research interest covers surface finishing technology of precision parts. E-mail：liujia@tyut.edu.cn