【摘 要】
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涡轮叶片作为航空发动机关键零部件多服役于高温高压、高速动载等复杂恶劣环境,其加工精度直接影响航空发动机服役性能。通常,涡轮叶片精密铸造成形后,原则上型面是不再进行精密加工;但受制于成形工艺与材料,易出现型面局部超差、余量不均等问题,仍需采用精密磨抛加工工艺保证叶片廓形精度与表面质量要求。数控砂带磨削技术已逐渐应用于航空发动机风扇、压气机叶片型面的精密加工,而近年来机器人磨抛技术因其高集成性和高灵活
【基金项目】
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重庆自然科学基金项目《面向形性控制的航发再制造叶片机器人自适应磨削加工方法研究》(cstc2020jcyj-msxmX0266); 国家自然科学基金面上项目《单晶高温合金叶片高效精密砂带磨削机理及表层再结晶损伤抑制方法研究》(52075059);
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涡轮叶片作为航空发动机关键零部件多服役于高温高压、高速动载等复杂恶劣环境,其加工精度直接影响航空发动机服役性能。通常,涡轮叶片精密铸造成形后,原则上型面是不再进行精密加工;但受制于成形工艺与材料,易出现型面局部超差、余量不均等问题,仍需采用精密磨抛加工工艺保证叶片廓形精度与表面质量要求。数控砂带磨削技术已逐渐应用于航空发动机风扇、压气机叶片型面的精密加工,而近年来机器人磨抛技术因其高集成性和高灵活性,逐渐应用于叶片型面加工。在机器人磨抛过程中,接触轮非线性时变接触状态和叶片型面复杂曲率变化易导致磨抛过程中接触力不稳定进而造成叶片型面轮廓精度和表面质量较低。针对这一问题,本文以涡轮叶片为研究对象,提出机器人选区力控磨抛加工方法以提高叶片廓形精度与表面质量,其主要内容如下:(1)在磨抛区域划分过程中,对整个涡轮叶片型面进行轨迹规划得到离散的刀触点并进一步计算每个刀触点所对应主曲率半径。提取刀触点所对应余量,根据弹性接触理论,刀触点主曲率半径及砂带磨粒密度计算每个刀触点所对应的理想磨抛压力。最后根据所设定的压力阈值对所有刀触点进行区域划分。搭建机器人力控磨抛系统,并提出重力补偿算法以消除工件-夹具重量对力信号的影响,并开展重力补偿实验以验证该重力补偿算法的有效性。(2)对每个磨抛区域内的磨抛压力进行自适应控制。根据叶片机器人砂带磨抛加工特征,分析磨抛过程中的接触力,确定力控制器的控制对象。根据机器人与柔性磨抛装置之间的接触特征,建立机器人末端阻抗模型;基于此模型设计自适应阻抗控制器,建立接触环境等效刚度模型并提出参数离线优化算法对自适应阻抗控制器中涉及参数进行迭代优化。在该控制器基础上提出在线神经网络算法,补偿因非线性时变接触状态所带来的控制误差,进一步提高法向磨抛压力控制精度。(3)利用所提出的轨迹规划算法在离线轨迹规划软件中对叶片进排气边,叶盆和叶背分别进行刀触点的提取,根据所提出的区域规划方法分别对叶片型面四个区域进行区域划分,利用轨迹规划所提出的刀触点坐标信息生成机器人加工程序,同时根据机器人操作指令和力控磨抛软件建立机器人力控加工程序。开展机器人磨抛实验,将本文所提出选区力控磨抛方法与另外三种磨抛加工方法进行实验结果对比,验证所提出加工方法的有效性。
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