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      葉片前后緣六軸電火花包絡(luò)修整的誤差敏度分析*

      2023-01-10 03:25:28曹利新余祖元
      機電工程技術(shù) 2022年12期
      關(guān)鍵詞:前緣曲面坐標系

      李 政,曹利新,余祖元

      (大連理工大學機械工程學院,遼寧 大連 116024)

      0 引言

      葉片是航空發(fā)動機的基礎(chǔ)、核心零部件。葉片前后緣具有厚度薄、半徑輪廓小、曲率變化劇烈等特點,對發(fā)動機性能起著重要作用,其加工一直是葉片制造的難點。本文為解決銑削加手工研磨[1-2]、電解加工[3-4]、電火花拷貝加工[5-8]等方法在前后緣的加工過程中存在的效率低下、精度不達標以及無法脫模等問題,提出一種六軸電火花單參數(shù)包絡(luò)加工方法對葉片前后緣進行修整,以提高效率、解決上述問題。其基本原理為:根據(jù)共軛曲面嚙合原理,用復雜曲面電極線接觸包絡(luò)加工葉片邊緣曲面,此方法需要用6個自由度才能描述電極相對葉片的姿態(tài)。具體加工原理本文不予討論。另外,此工藝需搭建有六軸聯(lián)動功能的專用加工中心進行試驗[9-10]。

      影響此工藝加工精度的因素繁多,前期工作已對此工藝幾何原理的正確性進行了驗證,分析了刀位點密度、電極設(shè)計與建模誤差等因素對最終加工精度的影響。本文主要從幾何原理上對此工藝的誤差敏感因素進行仿真分析。因在電極制造、安裝過程中涉及多項誤差,電極模型與運動軌跡相對復雜,難以建立數(shù)學模型,所以這些源誤差對包絡(luò)誤差的影響難以直觀評估。以往公差的制訂都是根據(jù)經(jīng)驗進行,并無可靠依據(jù),為最大程度降低試驗成本,以較寬松的公差要求獲得滿足精度要求的試件,本文對UG進行二次開發(fā),以前緣加工為例,對電極工作曲面施加6個自由度方向的單項源誤差和57種組合源誤差,這些誤差既可看作電極制造誤差,又可視作安裝誤差,兩者等價。利用共軛曲面嚙合原理求出電極存在制造、安裝誤差情況下的電極運動包絡(luò)面點云數(shù)據(jù),分析了各源誤差對最終包絡(luò)加工誤差的影響。為電極制造、安裝,試驗機床的搭建等過程中所涉各項公差的制訂提供了參考。

      需說明的是,本文主要從幾何原理上進行仿真分析,并未考慮放電間隙和電極損耗的影響,這些因素的影響可在后續(xù)實驗的基礎(chǔ)上,對所設(shè)計的電極曲面和運動位姿進行修形或補償,此處不予考慮。

      1 電極、葉片模型與包絡(luò)加工過程簡述

      1.1 電極與葉片模型

      電極模型如圖1所示,曲面S為電極工作曲面,OEXYZ為電極坐標系,定義了電極相互垂直的3個定位表面,用于描述電極在工件坐標系中的位置和姿態(tài),下文用{OE}表示。

      圖1 電極模型

      圖2所示為葉片截面示意圖,虛線為中弧線,弦長b為中弧線與前后緣交點的連線,也即截面內(nèi)相距最遠兩點的連線。葉片前后緣一般定義為距弦長端點3~5 mm內(nèi)的部分,尺寸a1、a2所定義部分分別代表了葉片前緣和后緣。根據(jù)此定義,取a1=a2=3 mm,對葉片區(qū)域的劃分如圖3所示。

      圖2 葉片截面示意圖

      圖3 葉片與毛坯模型

      1.2 包絡(luò)加工過程簡述

      實際加工中,6個自由度的運動由電極和葉片共同完成。而從幾何原理上對誤差敏感因素進行仿真分析只需進行刀軌仿真。故本文中,6個自由度的運動由電極單獨完成。

      理想情況下,電極沿刀位軌跡進行六軸運動,且在每一刀位點處始終保持工作曲面與葉片邊緣曲面有一條接觸線。圖4為電極運動過程示意。其中,體1為葉片前緣;OWXYZ為工件坐標系,下文用{OW}表示;曲線a代表電極坐標系原點OE在工件坐標系{OW}中的運動軌跡,電極沿軌跡a運動過程中,電極坐標系{OE}在工件坐標系{OW}中的分量也隨之變化。為描述方便,將電極模型簡化為由電極坐標系與電極工作曲面表示,坐標系{OEi}、曲面Si描述第i個刀位點處電極相對葉片前緣的位置,Ci表示電極工作曲面Si與葉片前緣的接觸線,第j個刀位點同上。當?shù)段稽c足夠密集時,就可包絡(luò)出葉片前緣形狀。

      圖4 電極運動過程示意圖

      2 電極運動包絡(luò)面點云及其誤差的求解

      理想情況下,電極沿刀位軌跡運動后,工作曲面形成的包絡(luò)面與葉片應完全吻合。但因各種因素的影響,包絡(luò)面相對葉片前緣曲面總是存在一定的誤差。電極的設(shè)計、建模誤差、刀位點密度等因素對包絡(luò)誤差的影響已在前期工作中完成仿真分析。本章給出了理想情況下和電極制造安裝存在誤差情況下包絡(luò)面點云及其誤差的求解方法,以便對因電極制造、安裝誤差所引起的包絡(luò)加工誤差進行分析。

      2.1 理想狀態(tài)下包絡(luò)面點云的計算

      由圖4可知,理想情況下,電極工作曲面S:r(u,v)沿刀位點運動形成的單參數(shù)曲面族{St}可用矢量方程表示:

      式中:t為曲面族的參數(shù),每給t一個值,矢量方程(1)就代表一個曲面St,當t變化時,曲面St就隨之變化;u,v為St上的參數(shù)。

      設(shè)曲面族{St}的包絡(luò)面,也即電極工作曲面運動的包絡(luò)面為Σ,則Σ的每一點都屬于{St}中的唯一一個曲面St,且和St在該點相切。由圖4知,Σ可由每時刻電極工作曲面與葉片前緣接觸線Ct的總和表示:

      式中:t為刀位點序列;t0、tm為起始和結(jié)束點位。

      設(shè)點P0為接觸線Ct0上一點,則其應滿足經(jīng)典嚙合條件:

      式中:VP0為點P0相對于包絡(luò)面的相對運動速度;nP0為曲面St0上點P0處的法向單位矢量;刀位點足夠密集時,VP0可根據(jù)St0與St1由差分代替微分求出,nP0可調(diào)用UG函數(shù)求得。

      綜上,可在St0上生成n條與接觸線Ct0垂直的參數(shù)線,根據(jù)St0與St1信息,在每條參數(shù)線上用二分法搜索滿足式(3)的點,這些點即為接觸線Ct0上的點。同理,由曲面族{St}可求出所有刀位點處的電極曲面與葉片前緣的接觸線Cti,其中0≤i≤m-1。

      刀位點個數(shù)m=60,參數(shù)線條數(shù)n=10時,求得的電極工作曲面運動包絡(luò)面點云如圖5所示。

      圖5 包絡(luò)面點云

      2.2 存在源誤差情況下包絡(luò)面點云的計算

      參考工業(yè)機器人的坐標系描述方法[13],在電極存在制造、安裝誤差情況下,電極工作曲面沿刀位軌跡運動形成的曲面族{Sδt}在工件坐標系{OW}中可表示為:

      當引入的源誤差值確定時,根據(jù)式(4)可在UG平臺上得到曲面族{Sδt}的模型。同2.1節(jié)所述,利用曲面Sδt0與Sδt1可得到Sδt0與包絡(luò)面Σδ的切線上的離散點,同理,刀位點足夠密集時,可由{Sδt}求出存在誤差時電極工作曲面Sδ運動包絡(luò)面Σδ的點云。得到電極工作曲面運動包絡(luò)面的點云數(shù)據(jù)后,調(diào)用UG函數(shù),即可求得點云中各點距葉片前緣的最短距離,此距離即為各點處的誤差值。

      3 電極制造誤差對葉片邊緣包絡(luò)加工精度的影響

      由前期工作知:當?shù)段稽c個數(shù)m達到60時,包絡(luò)面上的最大誤差降低到極限。故本章以刀位點個數(shù)m=60為例,對電極進行1:1建模,電極塊尺寸為20 mm×15 mm×44 mm,根據(jù)6級公差等級[11-12]對電極工作曲面施加尺寸與轉(zhuǎn)角源誤差,各項源誤差值如表1所示。表中,δx為電極工作曲面整體沿電極坐標系XOE軸負方向偏移的源誤差值;δy、δz分別為電極工作曲面整體沿電極坐標系YOE、ZOE軸正方向偏移的源誤差值;δA、δB、δC分別為電極工作曲面繞XOE、YOE、ZOE軸順時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角源誤差。

      表1 源誤差值

      源誤差對包絡(luò)誤差的影響程度用誤差擴大倍數(shù)K來表示:

      式中:εu為存在u類誤差時包絡(luò)面上的最大誤差值;ε0為無源誤差時包絡(luò)面上的最大誤差值。

      3.1 單項源誤差仿真分析

      為得到單項源誤差對包絡(luò)誤差的影響規(guī)律,對電極模型分別施加6個自由度的單項源誤差,求出電極工作曲面運動的包絡(luò)誤差,與無源誤差時的包絡(luò)誤差形成對比。誤差對比如圖6所示。

      圖6 單項源誤差的包絡(luò)誤差對比

      包絡(luò)面最大誤差εu(m)與誤差擴大倍數(shù)Ku(m)如表2所示。分析圖6與表2可知,除δz、δC對包絡(luò)誤差的影響較小外,其余4種單項源誤差對包絡(luò)誤差的影響均較大。

      表2 包絡(luò)面最大誤差εu與誤差擴大倍數(shù)Ku

      3.2 組合源誤差仿真分析

      為最大程度降低成本,本節(jié)對6個自由度方向的源誤 差進行共種不同的組合,以期發(fā)現(xiàn)對包絡(luò)加工精度影響最大的源誤差組合。再對影響較大的源誤差組合進行方向上的變化,判斷組合源誤差之間是否存在可以相互抵消的情況,從而盡可能地制訂寬松的公差要求。因篇幅限制,相同項數(shù)的組合只列出了影響最大的6種情況。表3中,δxy表示對電極工作曲面同時施加δx和δy源誤差,其他變量的含義依此類推。分析表2、表3知:δxB、δyA的存在對包絡(luò)加工誤差的影響較大;δz、δC的存在可抵消部分δxB、δyA對包絡(luò)誤差的影響。

      表3 同項數(shù)組合中影響最大的6種情況

      為探究XOE方向尺寸誤差與繞YOE的轉(zhuǎn)角誤差、YOE方向的尺寸誤差與繞XOE的轉(zhuǎn)角誤差是否可以實現(xiàn)部分抵消,對電極曲面施加δx(-B)、δy(-A)、δxy(-A)(-B)源誤差進行誤差仿真分析,-A、-B表示電極工作曲面分別繞XOE、YOE軸逆時針旋轉(zhuǎn),結(jié)果如表4所示。由表3、表4可知,δy與δ(-A)同時存在可抵消部分各自對包絡(luò)加工誤差的影響;δx與δ(-B)同時存在可抵消部分各自對包絡(luò)加工誤差的影響。

      表4 反向后的組合項

      4 結(jié)束語

      本文對UG進行二次開發(fā),在不考慮放電間隙與電極損耗情況下,從幾何原理入手,分析了電極制造誤差對葉片邊緣包絡(luò)加工精度的影響,電極安裝誤差對精度的影響與電極制造誤差等價。得到以下結(jié)論。

      (1)單項源誤差中,δz、δC對包絡(luò)誤差影響較小,可制訂適當寬松的公差約束。

      (2)57種組合源誤差中,δxB、δyA的誤差擴大倍數(shù)分別為10.46、8.53,對包絡(luò)誤差影響很大,在公差制訂中應嚴格控制,避免出現(xiàn)此類組合的源誤差。

      (3)δx(-B)、δy(-A)的誤差擴大倍數(shù)分別為3.91、3.46,即δx與δ(-B)、δy與δ(-A)可相互抵消一部分各自對包絡(luò)誤差的影響。應盡量按照此類組合進行公差的制訂。

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