百葉輪拋磨葉片微結構區域識別及路徑拼接方法研究

劉 佳，張晶晶，楊勝強，喬志杰

百葉輪拋磨葉片微結構區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，需進行分區域加工，其微結構區域的精確識別和拋磨路徑拼接是提高葉片表面質量一致性的關鍵。針對此類問題，提出一種依據截面線切向量夾角變化識別前、后緣微結構區域，根據截面線法向量配準識別葉根過渡圓弧微結構區域的方法，即根據百葉輪最大加工帶寬度和拋磨點匹配法分別實現前、后緣和葉根過渡圓弧微結構區域與葉盆、葉背拋磨路徑的拼接。仿真及實驗結果表明，該方法相較傳統圓弧識別方法，能更有效保留微結構區域輪廓信息，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%，加工質量一致性提高7.15%和11.55%，證實了微結構區域的識別及路徑拼接可有效提高葉片加工質量的一致性。

葉片微結構；百葉輪拋磨；前后緣；區域識別；路徑拼接

在航空發動機中，葉片是直接參與能量轉換的核心動力零件，因其具有葉身薄、葉形扭、變曲率的構型特征，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，屬于零件上的微結構區域(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構區域，因此提高微結構區域的拋磨精度是保證葉片表面拋磨質量一致性的關鍵。

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葉片拋磨，葉片型面不同區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域的路徑規劃方法，但其未針對提高葉片微結構區域的拋磨精度。LIN等[4]提出了一種模型重建自適應加工方法，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前、后緣加工，由于加工余量分布不均勻難以實現穩定高效拋磨。藍仁浩等[8]通過檢測-加工的方法實現葉片型面的適應性加工，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上進行拋磨，對多種類前、后緣形狀缺乏適應性。HUANG等[10]提出了一種基于加工精度控制的軌跡規劃方法，趙歡等[11]建立了面族與復雜曲面高階接觸的隨形拋磨路徑規劃方法，由于葉片加工誤差主要集中在微結構區域，依據微結構區域型面參數規劃拋磨路徑難以保證加工余量的有效去除及加工質量的一致性。

本文在精確識別微結構區域的基礎上，實現微結構區域與葉盆、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，依據截面線切向量角識別前、后緣微結構，根據截面線法向量配準識別葉根過渡圓弧微結構。根據最大加工帶寬度和拋磨點匹配實現前、后緣和葉根過渡圓弧區域與葉盆、葉背拋磨路徑拼接。

1 微結構區域識別

1.1 前、后緣區域識別

葉片型面微結構區域如圖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據點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；k為B樣條次數。

根據式(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。

依據式(2)得到葉片截面線上各點的切線方程

如圖3所示，根據葉片截面線數據點坐標值分布范圍=[min,max]，利用二分法將葉片劃分為準前、后緣區域，即X=[min,mid]，X=[mid,max]。

圖3 前、后緣區域識別示意圖

根據坐標極限值，調整準前、后緣區域截面線上葉盆、葉背部分數據點個數到相等。以mid為基準，分別向準前、后緣區域搜索，判別葉盆、葉背截面線上對應數據點的切線是否相交，若交點滿足int≤min，int≥max，則所有數據點分別構成初始前、后緣區域。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定誤差值時，停止搜索，此時數據點所構成的區域為最終前、后緣區域。

1.2 葉根過渡圓弧區域識別

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|的數據點，構成葉根過渡圓弧數據點集。

圖4 葉根過渡圓弧區域識別示意圖

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

2 微結構區域路徑拼接

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，參數和分別為截面線方向和拋磨軸方向。

2.1 前、后緣區域路徑拼接

在橫向拋磨方式下，前、后緣路徑的拼接體現在參數方向上。依據識別的前、后緣區域，令

判斷?()在該點是否變號，計算出前、后緣區域的拐點。根據最大加工誤差計算前、后緣區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、后緣區域邊界擴展，調整前、后緣區域與葉盆、葉背的分界點為拋磨路徑拼接點，實現路徑拼接，如圖5所示。

圖5 前、后緣路徑拼接示意圖

2.2 葉根過渡圓弧區域路徑拼接

如圖6所示，葉根過渡圓弧路徑的拼接體現在參數方向上，將百葉輪簡化為個間距為1 mm的拋磨圓，設當前拋磨點為(eight,right)，葉根過渡圓弧區域邊界截面線參數為(,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)]區間內點的距離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，百葉輪與葉根不發生干涉，則保留該拋磨點，繼續計算拋磨點到[(right,right+1),(right,root)]區間內點的距離，若百葉輪與葉根發生干涉，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整為(,right)，從而實現拋磨路徑拼接。

圖6 葉根過渡圓弧路徑拼接示意圖

葉根過渡圓弧區域拋磨方式為縱向拋磨，路徑規劃方法與前、后緣區域相同，由于拋磨方式的不同，需要調整葉根過渡圓弧拋磨點位置，實現葉根過渡圓弧與葉盆、葉背區域拋磨點匹配。如圖7所示，在百葉輪有效拋磨區間內，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構區域識別的合理性(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。微結構區域識別精度對比如圖9所示。

由圖9可以看出，傳統圓弧識別方法無法完整地識別葉片微結構區域，本文方法識別的前、后緣區域可有效包含傳統方法識別的圓弧區域，并對高階拋物線前、后緣形狀有一定的適應性。所識別的微結構區域與最大加工誤差分布范圍一致，表明所劃分的微結構區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，可為實現葉片加工余量的定量去除，提高加工質量提供理論基礎。

圖8 截面線及交線截取位置示意圖

圖9 微結構區域識別對比((a)前、后緣區域識別；(b)葉根過渡圓弧區域識別)

3.2 實驗分析

依據等弦高誤差法[12]規劃葉盆、葉背拋磨路徑，最大加工帶寬度規劃微結構區域拋磨路徑。圖10為葉片型面機器人輔助百葉輪拋磨實驗，葉片拋磨加工參數見表1。為驗證本文算法的合理性以及拋磨結果的可靠性，將拋磨實驗結果進行對比，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

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量高于未考慮路徑拼接的拋磨質量，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構區域，并通過拋磨路徑拼接，可有效降低微結構區域加工誤差，提高葉片加工質量的一致性。

4 結束語

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

拋磨實驗表明，微結構區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，提高了加工質量一致性。

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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)；山西省高校科技創新項目(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。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