（航空宇航制造工程专业论文）航空复杂件精铸蜡型数控成型新工艺研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 随着经济全球化的进一步加深，科技竞争日趋激烈。国内引进关键设备的关 键易损件的国产化一逆向制造工程，已成为打破国外技术制约与封锁、提高经济 效益、巩固国家安全的重要因素之一。尤其是目前在我国的高技术产业，对已引 进设备核心易损零件的数字化建模、快捷研制，己成为一重要的技术手段。 本文以某型航空发动机的关键导向器零件的逆向研制为对象，通过数控测量 及数据处理技术构建其3 d 模型，根据其精密铸造的特点，再构建其相应的铸件毛 坯、精铸工艺和精铸蜡型模型，选择适宜的蜡型材料，制定合适的制造工艺和装 夹方法，通过机械加工及光整技术快速加工出高精度要求的导向器零件的精密铸 造用蜡型，实现此类零件的小批量快速研制。为此，本论文主要开展了如下的工 作： 1 依据测量及其数据处理技术，完成了某导向器零件样件的3 d 建模及其精铸 蜡型建模。 2 探讨了精铸蜡型材料的组成及性能，选择了既适合精铸又适宜机械加工的 蜡型材料，并摸索了其车削、n c 加工相关特性参数，设计了其精铸蜡型的装夹方 式，制定了其加工工艺方案。 3 探讨了运用u g c a m 系统进行复杂曲面数控编程的特点和方法。 4 结合普通及n c 加工方法，再经光整处理，快捷得到该导向器的精铸用蜡 型。 此类方法的研究成功，为航空及其他行业的复杂件的逆向敏捷研制提供了一 新的可行途径，具有重要的理论和实际应用价值。 关键字：航空复杂样件逆向工程精铸蜡型机械加工 a b s tr a c t b e i n ge c o n o m i cg l o b a l i z a t i o ng o i n gas t 印缸仙e r b e i n gd e 印e n e db y ，s c l e n c ea i l d t e c h n o l o 影a r ec o 1 p e t i n g ，d o m e s t i co fk e ym 粗u f a c 仰妇ge n g i n e e n n g e a s yt od 缸l a g e o fi n 仃o d u c i n gk e ye q u i p m e n tb yh eh o m e l a n d r e v e r s ee n g i n e e 血g ( r e ) ，砧r e a d y b e c o m eoneo f 也ek e yf a c t o r b r e a l ( i n g 吐屺a b r o a dt e c h n o l o g yr e 嘶c t i n g a i l ds e a l i n go 行， i n c r e a s i n ge c o n o m i ce 伍c i e n c y ，c o n s o l i d a t i n gn a t i o n 甜s e c u r i 吼e s p e c i a l l yo nl l i 曲t e c h i n d u 姗e so f 呲c o 螂a tp r e s e n t ，h 唧o f ap 砥扯a d yo fi n t r o d u c i n ge q u i p m e n t c o r ed i g i t i z a t i o nb u i l d ，r 印i dd e v e l o p ，a l r c a d yb e c o m e o n ei m p o r t a n tt e c h n o l o g yi r l e a n s t h i sp a p e ri 咖d u c e sr e v e r s ed e v e l o po fk e yg u i d i n gd e v i c eo fa e r o e n g m em 踟啊 b vn _ u m e r i c a lc o n 臼沁lm e a s l l r e m e n ta n d d a ：t ap r o c e s s i n gt e c l m i q u eb u i l d3 dm o d e l s ，b e b 2 l s e do nm ec h a r a c t e r i s t i co fi n v e s t i i l e n t c a s t i n g ，a g a j n ，s t r u c t i l r e c a s t i n gr o u g n ， i n v e s 位l e n t c a s t 堍p r o c e s sa i l di n v e s 缸n e n t - c a s t m gw a x e n m o u l d ，c h o o s ep r o p e rw a ) 【 帅em 删a l ，c o n s t j t i 】t er i 出m 删i f a c 砌n gp r o c e s s 狃di n s t a l l 。啦m e a n s ，b ym a c l l i n e 、o r ka n ds m o o mc o i n p l e t et e c l l l l 0 1 0 9 y ，s p e e d i n e s sm a c h i n i n gh i 曲一a c c u r a c yd 锄a a r 通s w a x e nm o u l do fi n v e s 缸i l e n t - c a s t i n go f 叫d i n gd e v i c e ，a c h i e v ef l e e 恤e s sd e v e l o p sa i l d s m a l lb a t c h c so f t h i sl 【i n dp a r t 。1 1 1 e r ef o r ，m c 也c s i sh a sc 枷e d o u tm a i l d ya sf o l l o w s j o b ： 1 a c c o r d i n ga sm e a s u r e m e n t a 1 1 dt h e i rd a t ap r o c e s s i n gt e c l u l i q u e ，a c c o m p l i s h e ds o m e 鲥血gd e v i c e s3 d 喊l d i n gm o d e la n db u i l d i n gm o d e lo fi n v e s 衄c n t c a s t l n gp r e s s m o u l d 2 d i s c u s s e dt 1 1 ec o m p o s i t i o na n df h l l c t i o n o fl n v e s t i i l e n t c a s t i n g 、a ) 【e nm o u l d m a t e r i a l ，c h o & e nt h ew a xt y p ew h i c hi ss u i t a b l ei n v e s t m e 胁c a s t i n ga n dm a c l l i m n g w o r k ， a 1 1 d 仃i e dt of i n do u tr c l e v a l l c ec h a r a c t e r i s t i cp r o p e r 妙p a r 锄e t e ro f 枷n ga n dn c m a c h i n i n g ，d e s i g ni n s t a l l - t 卸f 瓠l l i o no fi n v e s 缸n e n t 。c 擎t i n gw a ) 【e nm o u l d ，、o r k e do u t m es c h e m ep r o c e s s i n go fm a c l l i m n g 3 d i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e m o do fu g - c a ms y s t 锄m ec o m p l l c a t e d s u r f a c en u m e r i c a lc o n 打o lp r o g r 蝴i n g 。 4 i n t e 伊a t i n gc o n u n o na i l d n cm a c h i n i n gm e a l l s ，s m o o t l lc o n l p l e t et e c l l i l 0 1 0 9 y ， s p e e d i n e s sm a c h i n i n gh i 曲a c c u r a c yd e m a n d s w a ) ( e nm o u l do fh v e s t i l l e n t c 枷n go f i i 西北工业大学硕士学位论文 a b s 仃a c t g u i d i n gd e v i c e t h er e s e a r c ho ft h em e t h o di ss u c c e s s f u l ，c o n v e r s es m a r 恤e s sd e v e l o po fc o m p l e x i t ) ， p i e c eo fa v i a t i o ne t ci n d u s t 巧。虢ro nef e a s i b l e 印p r o a c h ，i m p o r t a n tm e o 巧a n dr e a l i t y a p p l y i n gv a l u e k 哪7 0 r d ：a e r o c o m p l e xp a r t s ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；i n v e s 缸1 1 e n t - c a s t i n gw a ) 【e nm o u l d ； m a c h i n ep r o c e s s n i 西北丁业大学硕十学竹论文 第一章绪论 1 1 研究背景和研究意义 第一章绪论 二十一世纪，随着全球化经济浪潮将以强劲的势头席卷整个世界，各国只有 有机地融入世界经济大循环圈，才有生存和发展的空间，我国也不例外。在改革 开放的二十多年里，我国的经济建设取得了举世瞩目的成就，尤其是装备制造业 增长速度全球最快，同时不断推进装备制造业的市场化改革，扩大对外开放，支 持和鼓励自主创新，产业发展活力不断增强，水平不断提高。但是许多高技术产 品还是严重依赖进口，特别是航空、航天等战略产业。引进这些高技术产品，不 仅需要花费巨额外汇，而且影响国家战略安全。例如进口的航空发动机，其的关 键复杂件如涡轮叶片、导向器、薄壁壳体等。如果一个航空复杂件出现损坏，就 需要替代品，而这些替代品进口一个，动辄上万，甚至几十万美元，形成了一个 一味给别人送钱而自己没有主动权的被动局面，总是受制于人。为了国家战略安 全考虑，这些引进的国外航空复杂件也应有国产的替代品，以备在战争时不影响 国家安全。 由于航空工业的特殊性，国外均对航空复杂件的设计参数及制造技术进行严 密封锁【l 删。我国从国外厂商接收的航空复杂件是实实在在的实物样件，而给我国 的技术资料没有c a d 的模型，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在。为了我 国航空工业发展及国防安全，如何快速复制出这些损坏的航空复杂件成为非常迫 切的理论和实际需求。 航空复杂件通常采用熔模铸造的工艺完成其制造【4 】。熔模铸造需要蜡型，通过 制壳、脱蜡获取浇铸型腔，最终浇注获得高尺寸精度和表面光洁度的铸件【删，i 艺复杂且不易控制。同时这种工艺要求蜡型本身必须具有高的尺寸精度和表面光 洁度，常常需要针对蜡型反复试制、检测、修模才能得到合格的精铸蜡型，且蜡 料性能要满足精密铸造的需要。因此航空复杂件精铸蜡型的研制成为影响航空复 杂件制造的关键因素。 对图卜1 所示的某航空复杂件导向器类样件的仿制，则首先要通过测量及数据 处理技术( 航空复杂件的逆向建模) 得到其的3 d 模型，然后方可制造出其精铸蜡 西北t 业大学硕十学位论文第章绪论 型。 图卜1 某导向器类样件 航空复杂件精铸蜡型的传统制造方法主要有压型制造技术、快速成型技术等。 但压型制造技术工艺复杂，蜡型定型周期长；无模快速成型技术得到的蜡型，基 于其分层叠加成型原理忉，其表面光洁度、尺寸公差又难以满足航空复杂件的高精 度要求。鉴于以上问题，本文选用某性能既要满足精密铸造又能满足数控加工的 要求的蜡料( 福建晋江太航蜡料有限公司的精铸蜡料蜡产品) ，采用机械加工工艺 直接得到航空复杂件的精密铸造用蜡型，满足航空复杂件快速仿制的需求。 1 2 逆向工程 逆向工程，又称反求工程，是2 0 世纪8 0 年代末期发展起来的一项先进制造 技术嘲。所谓逆向工程，是将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念 模型，在此基础上，对已有产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计。 逆向工程产品设计可以认为是一个从有到无的过程，它涉及的内容比较广泛，包 括形状( 几何) 反求、材料反求和工艺反求等方面，是一个复杂的系统工程。但目 前，大多数和逆向工程有关的研究都集中在几何形状，即产品实物的c a d 模型方 2 西北t 业大学硕十学位论文第一章绪论 面p 。1 0 】。所以，现在我们所说的逆向工程是针对一现有工件( 样品或模型，尤其适 合复杂不规则的自由曲面) ，利用三座标测量仪器准确、快速地获得产品实物信息， 然后充分利用成熟的c a d c a m 技术建立起实物数学几何模型，再由c a m 所产生的 刀具n c 加工路径送至c n c 加工机床制作产品，或者用快速成型机将样品模型制作 出来。 这里需要着重指出的是，逆向工程作为一种新的制造概念和系统，并非由实 物制造实物的简单制造过程，逆向工程是指对存在的实物模型或零件进行测量并 建立c a d 模型，进而进行分析、修改、制造和检验的整个过程“n 。目前，逆向工 程己发展为c a d c a l l 系统中的一个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测 量、图像处理、计算机视觉、几何建模和数字化制造等。 由测量数据重建物体表面模型，是逆向工程中最关键的部分。这一过程主要 在己有的三维工程设计软件系统中完成。目前，大多数的三维工程设计软件系统 都具有曲面重建及修改的功能或模块，例如美国u g s 公司的u n i g r a p h i c s ( 简称 u g ) 。u g 是当面向制造行业的c a i d c a d c a e c a m 高端软件【1 2 1 ，提供了一个 基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成， 从而优化了企业的产品设计与制造。 。 目前，u g 是我国高档c a d c a m c a e 系统的主流应用软件之一，完全基于w i n d o w s 的操作，不仅具有强大的实体建模、曲面建模、虚拟装配和产生工程图等的设计 功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真 模拟，提高设计的可靠性。其自由曲线和自由曲面都是采用的非均匀有理b 样条 ( n i 瓜b s ) 方法来描述的。 m l l b s 曲线、曲面比以前的一些表示曲线、曲面的方法具有一些优越的性质： 1 ) m 瓜b s 表示曲线、曲面的范围更广，它是b 样条和b e 赫蓝线、曲面的 推广： ， 2 ) 它能精确表示工程中常用的直线、二次曲线平面、二次曲面等； 3 ) 它具有射影不变性，这为变换思想引入到建模方法中创造了条件： 4 ) 计算稳定且速度相当的快： 5 ) 具有更大的灵活性。 西北1 = 业大学硕士学位论文 第一章绪论 对n u r b s 曲线、曲面，不但可以通过修改控制顶点和节点矢量来修改曲线、 曲面，也可以通过修改权因子来修改曲线、曲面，而且这种修改有良好的几何性 质。由于n u r b s 曲线、曲面的良好的数学性质和优秀的几何特性，利用瓜b s 建模可以方便地表示用户需要的曲线、曲面。 由于航空复杂件通常采用熔模铸造的工艺完成其制造，因此航空复杂件精铸 蜡型的研制成为影响航空复杂件制造的关键因素。 1 3 蜡型制造 航空复杂件精铸蜡型的传统制造方法主要有压型制造技术、快速成型技术等。 1 3 1 压型制造技术 压型是用于压制蜡型的工装模具。在蜡型的压型制造过程中，蜡型材料既要 保证方便地制得尺寸精确、表面光洁度高、强度好、质量小的熔模，还要为型壳 的制造和精铸工艺创造良好条件。 模料一般用蜡料、天然树脂和塑料配制。配置模料的目的是将组成模料的各 种原材料混合成均匀的一体，并使模料的状态符合压制熔模的要求。配制时，主 要用加热的方法使各种原材料熔化混合成一体，而后在冷却情况下将模料剧烈搅 拌，使模料成为糊膏状态供压制熔模用。有时也有将模料熔化为液体直接浇注熔 模的情况。生产中，大多采用压力把糊状模料压入压型的方法制造熔模。压制熔 模之前，需先在压型表面涂薄层分型剂，以便从压型中取出熔模。压制蜡基模料 时，分型剂可为机油，松节油等；压制树脂基模料时，常用麻油和酒精的混合液 或硅油作分型剂。分型剂层越薄越好，使熔模能更好地复制压型的表面，提高熔 模的表面光洁度。 由于航空复杂件精铸蜡型具有很高的尺寸精度和表面光洁度，这就要求压型 也具有很高的尺寸精度和表面光洁度。而压型的制造往往是靠机械加工的办法， 有时还需要钳工进行修整，费时耗资；而且从压型设计到加工制造是一个多环节 的复杂过程，略有失误就要全盘返工，因此压型的制造是一个工艺复杂，生产成 本高，制造周期长的过程，最终导致压型制造技术亦工艺复杂，制造周期长，但 4 西北t 业大学硕十学位论文第一章绪论 其适用于大批量产品制造。 ，3 2 快速成型技术 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g 简称r p ) 2 0 世纪8 0 年代起源于日本，是 当今世界发展很快的制造技术。快速成型技术与传统制造方法有着本质的区别， 它采用逐渐增加材料的方法( 如凝固，胶接，焊接，烧结，聚合或其他化学反应) 来形成所需的原型或零件形状，故也称为“增材制造技术”【1 3 1 。由于快速成型技 术在制造产品过程中不会产生废弃物( 如切屑，冷却液等) 造成环境污染，故它 也是一种绿色制造技术。 快速成型技术的基本工作原理是离散与堆积。在使用该技术时，首先，设计 者借助三维c a d ，或使用实体反求工程采集得到有关原型或零件的几何形状，结构 和材料的组合信息，从而获得目标原型的概念，并以此建立数字化描述模型。之 后，将这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统。之后，对其进行分层切 片，处理成一系列薄截面层，得到各层截面轮廓。根据各截面层形状的二维数据， 由快速成型机将材料逐层添加堆积，最终生成三维实体模型或零件【1 4 1 。此类技术 应用于蜡型制造又称为“无模”制造技术。 为了克服有模蜡型制造周期过长的缺点，无模的快速成型技术得到了广泛关 注，目前应用比较成熟的技术有1 5 】：立体光建模技术( s 咖ol i t h o 鲫h ya p p a 例邶， s l a ) 、薄片叠层制造技术( 1 锄l i n a 伽。巧e c tm a 肌缸：t i l r i l l g ，l o m ) 、选域激光烧 结技术( 辩l e c t i v el a s 盯s i n l 蹦n g ，s l s ) 【1 6 1 、熔融沉积成型技术( f l l s c dd e p o s m m o d c l i n g ，f d m ) 【1 1 】、喷墨印刷技术( i n l 【j e t 硼血i n g ，u p ) 等，以上快速成型技 术都是根据三维数据模型通过材料添加直接制造实物模型，其特点是成型过程不 受零件复杂程度的限制m 1 9 1 ，因而具有很大的柔性，适合于单件、小批量零件和 批量制造前的样件生产。 而无需模具的快速成型技术得到的蜡型，强度不高，与普通蜡型相比，挂砂 成壳难度较大。基于其分层叠加成型原理，其表面光洁度、尺寸公差又难以满足 航空复杂件的高精度要求。 因此，本文改变传统工艺，利用蜡料毛坯直接机械加工出零件精铸用蜡型， 西北工业大学硕士学付论文第一章绪论 避免了蜡型模具的设计和制造，提高快速成型技术无模蜡型的综合精度，从而缩 短航空复杂件的制造周期，同时也避免了蜡型匹配压型过程中造成的成品率下降， 满足航空复杂件逆向制造过程的精铸蜡型快速精确成型的需求，也适用于单件小 批量产品的敏捷研制。 1 4 论文内容和章节安排 j 4 1 论文内容 本文以某航空复杂件样件的逆向研制为对象，首先通过逆向建模获得其的3 d 模型，接着对选择的蜡料进行工艺性研究，然后探讨了u g - c 删系统的数控编程，最 后采用普通车床和n c 数控铣削加工技术对适宜蜡料进行加工，实现了航空复杂件 精铸蜡型的快速精确成型。其制造流程如图卜2 所示。 鬣一国一圜一圜 一豳二 亘佃圈 圉 鬯幽 图卜2 航空复杂件精铸蜡型制造流程 本论文主要开展了如下的工作： 1 对实物逆向建模的研究，主要是数据的测量技术和c a d 模型重建两个关键 的技术的研究，然后完成航空复杂件样件( 某导向器类零件) 的逆向3 d 建模。 2 对选型的蜡料进行工艺性研究，通过实验对其加工刀具、冷却方式和加工 夹具等的选择进行了研究，获取蜡料加工性能参数。 3 运用u g c 从系统探讨了复杂曲面数控编程的方法和特点。 6 两北t 业大学硕十学伊论文第一章绪论 4 以某导向器类零件为例，选用合适的数控工艺参数，编制加工蜡料的n c 程 序，完成了其蜡型的精确制造。 1 4 2 章节安排 论文全文共分为六章，各章节内容安排简单介绍如下： 第一章：绪论 本章介绍论文的研究背景和研究意义。介绍了论文相关研究领域，对研究现 状做出分析，指出当前研究的不足之处，并提出论文的研究内容，最后介绍了论 文的章节安排。 第二章：航空复杂件逆向建模 本章较为系统地介绍了逆向工程的数据测量方法总结了它们各自的优缺点及 使用范围。详细介绍了g l o b a ls t a t u s1 2 1 5 l o 型三座标测量机的软硬件和自由曲 面测量路径的规划。总结了曲线、曲面重构中用到的理论，结合上面的理论，完 成了某导向器零件3 d 建模。 第三章：蜡料性能及其加工工艺研究 本章探讨了航空复杂件的制造过程，选择了既适合精铸又适宜机加的蜡型材 料，并摸索了其车削、n c 加工相关特性参数，如刀具的选择，冷却方式等，设计 了其精铸蜡型的装夹方式，研究了蜡型的表面质量控制。 第四章：基于u g 的复杂曲面计算机辅助制造 本章首先介绍了u gc a m 的主要功能和特点，接着对曲面加工的方法、切削用 量、加工余量、走刀方式、进退刀方式、编程零点、加工坐标系确定和后置处理 等工艺作了阐述。 第五章：蜡型的制造 本章首先对蜡型的内外环进行了车削加工，接着利用u g - c 圳对叶片的各部分 分别进行了三座标数控编程，然后在v m c 8 5 0 机床上分别输入n c 代码，加工车削 后的蜡型，完成了航空复杂件精铸蜡型的加工，最后再通过光整工艺处理来改善 加工表面的质量，以获得满足精度要求的精密铸造用蜡型。 第六章：总结 总结论文工作的成果及需要进一步研究的内容。 7 西北t 业大学硕士学位论文第二章航空复杂什逆向建模 第二章航空复杂件逆向建模 逆向工程包括实物表面三维坐标数据的测量技术和c a d 模型重建两个关键的 技术。 数据的测量技术是指通过坐标测量机( 简称c 删) 或激光扫描器等测量装置获 取零件原型表面点三维坐标值的过程。通过测量实物表面特征点，记录下反映实 物外形的特征数据，实现实物模型的数字化离散。 c a d 模型重建是指在原型数字化所获得的测量坐标点的基础上，运用计算机辅 助几何设计的有关技术，构造原型c a d 模型的过程。一般包括数据点的预处理、 特征线的提取、曲面生成、c a d 模型生成等过程。 2 1 数据测量技术 2 1 1 数据测量方法 一般来说，数据测量方法可分为接触式数据测量和非接触式数据测量。接触 式有基于力一变形原理的触发式和连续扫描式数据测量，非接触式主要有激光扫描 测量和断层扫描测量两大类。 1 接触式数据测量 接触式测量包括点位触发式数据采集和连续式数据采集。点位触发式数据采 集，其基本原理是：采样测头的探针接触零件表面时，针尖受力变形触发采样开关， 使数据采集系统记下针尖的坐标，其采集速度较低，一般只适于零件表面形状检 测，或需要数据较少的表面数字化的场合。连续式数据采集，其采用的是模拟量 开关采样头，利用在三维弹簧系统中的探针位置偏移所产生的电感或电容的变化， 进行机电模拟量的转换，其采集速度较快，因而可采集较大规模的数据【2 0 j 。接触 式测量方法精度较高，操作容易，抗干扰好，成本低。但是由于测量时接触压力 的存在，对于某些质地柔软的零件必然产生较大的测量误差，且测头半径的三维 补偿问题依然存在。 2 非接触式数字采集方法 矗 西北- t 业大学硕十学位论文第二章航空复杂件逆向建模 对于非接触式测量，其测量头不接触待测物体的表面，数据传递需要依靠传 递介质如激光、声波、电磁场等进行，其中常见的以激光为媒介的激光扫描测量 和断层扫描测量。非接触式测量具有速度快，不划伤零件表面，没有测头半径补 偿问题，工作距离远，对环境要求低，且特别适合于质地柔软或弹塑性制作的零 件，因而近年来得到了快速发展。 1 ) 激光扫描测量 激光扫描测量是近几年发展非常迅速的一种测量技术，它的最大特点是速度 快，如激光线扫描的速度已达到1 5 0 0 点s ，测点的数据量特别大，可以充分表示 零件的表面信息。它的缺点是易受工件表面反射特性、环境光及杂质的影响，对 不连续形状的处理较困难。激光扫描的测量原理主要有三角测量法、结构光法、 数字图像处理或图像分析 2 ) 断层扫描测量 断层扫描测量是一种新兴的测量技术，可同时对零件的表面和内部结构进行 精确测量，并不受测量物体复杂程度的限制，所获得的数据密集、完整，测量结 果包括了零件的拓扑结构。典型的断层扫描测量方法有工业c t 、工业计算机断层 扫描成像m r i 和层析法等2 “。 ： 目前，由于接触式连续扫描测量方法具有高精度、较高速度，同时价格较合 适等诸多优点，其应用潜力仍相当大。本课题采用的就是g l o b a ls t a t u s1 2 1 5 1 0 型三座标测量机c 删。 2 1 2g l o b ls t a t u s1 2 1 5 1 0 型三座标测量机 g l o b a ls t a t u s1 2 1 5 l o 型三座标测量机是( 如图2 1 所示) b r o w n s h a r p e 集团 最新一代高性能活动桥式测量机。海克斯康测量技术( 青岛) 有限公司( b r o 硼 s h a r p e 前哨) 是中国唯一的世界级数控三坐标测量机专业制造厂商，是瑞典高科技 制造业集团h e ) ( a g o n 与中国航空工业第二集团公司下属青岛前哨精密机械公司共 同投资在中国组建的国际化合资公司网。其作为中国目前技术最先进、实力最强 的三坐标测量机制造企业，与享誉全球的坐标测量机制造公司：美国b r o w n s h a r p e 公司、意大利d e a 公司、德国l e i t z 公司、瑞典c ej o h a n s s a n 公司并列， 9 西北t 业大学硕十学位论文 第二章航空复杂件逆向建模 同属h e x a g o n 集团计量产业的核心成员和五大测量机制造基地之一瞄j 。 图2 一l三座标测量机 软硬件配置： g l o b a l s t a t u s1 2 1 5 1 0 型三座标测量机的技术配置如表2 1 所示。 表2 1 序号说明名称 规格型号数量 i 主机 lg l o b a l 主机s t a t u s l 2 1 5 l o l 2 控制系统 g c ll 3标准校验球2 5 岫陶瓷校验球并配1 有支撑座和装卸工具 i i计算机系统 l 计算机计算机系统( 最低配 l 置) ：算机系统( 实际 发货不低于该配置) ： 奔腾i v l 8 g h z 2 5 6 m b 内存4 0 g b 硬盘3 2 惦 显卡1 7 ”s v g a 显示器 w i n d 册s 2 0 0 0 操作系统 2 打印机 h p 彩色喷墨打印机 1 l o 西北- 业大学硕十学位论文第二章航空复杂什逆向建模 3 桌椅计算机操作桌椅 l m软件系统基本软件 p c d m i sc a d + + 数控版1 测量软件包 ( w i n d o w s 2 0 0 0 操作平 台) 测头系统 l 测座 r e n i s h a wp h l o m q 自动l 分度测座 2 测头 r e n i s h a wt p 2 0 0 型测l 头含标准测力吸盘及 p 从1 转接座各一件 3 测杆r e n i s h a w 第7 号b s q 1 探针组 1 主机 g l o b a ls t a t u s1 2 1 5 l o 型三座标测量机能够快速有效地完成通用的车间检测 需要，并大大提高了检测效率。独特的t r i c i s i o n t m 式( 精密三角梁) 横梁设计， 提供良好的刚性质量比。轻合金桥架，较传统设计刚性提高2 5 ，x 向导轨重心 降低5 0 ，从而保证了平稳、精确的运动。移动桥上轴承跨距更宽，降低了由于 桥架自转而引起的误差，保证了整机空间精度更高，降低了重复性误差，提高了 加速和减速性能，从而使得测量效率更高。获得专利的，经过精密加工的整体燕 尾型导轨，提高了机器的精度和重复性。非接触式光栅尺避免了摩擦，装配时一 端固定，另一端可随温度变化而调整，光栅热膨胀系数获得p t b 认证。 1 ) g l o b a ls 删s 性能指标： 名称性能指标 测量行程：x y z ( 衄) 1 2 0 0 1 5 0 0 l o o o 外形尺寸：l w h ( 衄)2 9 4 5 1 8 1 0 3 3 3 0 精度指标 3 7 + 4 l 1 0 0 0 | lm 被测工件最大重量 1 8 0 0l ( g 动态性能空间运动速度 5 2 0 衄s 空间运动加速度 1 7 3 2 姗s 2 2 ) 环境条件要求： 西北t 业大学硕十学伊论文 第二章航空复杂什逆向建模 测量机精度保证的环境要求 工作温度 ：2 0 一允许温度变化范围；1 8 2 2 一机器周围环境的最大温度剃度：1 小时，2 天，1 米 供气系统 一最小供气压力 一耗气量 供电系统 一电压 频率 电流 一用电设备要求接地可靠 地面震动 ：o 5 5 m p a ：7 3 5 l m i n o 4 5 m p a ：2 2 0 v a c + - 1 0 9 6 ：5 0 6 0 h z ：1 5 a ：接地电阻小于4 欧姆 频率范围 ：o 6h z 6 5 0 h z 5 0 h z 一振幅：0 0 0 7 6 mo 0 0 2 5 衄o 0 0 7 6 姗 3 ) g c l 三轴控制系统 g c l 控制器是高速、伺服测量控制系统，支持扫描测量系统，同时可支持其它 测头系统，例如触发测头和非触发式测头。具有高水平的可靠性，安全性，g c l 控 制系统包含b r 0 礴n s h a r p e 集团最新科技的高速运动控制芯片，该项技术的应用使 各轴运动形成独立的闭环系统，实现了连续运动轨迹插补技术和真正的三维矢量 功能( 飞行特性) ，通过减少停顿和拐角将各轴运动进行整合。从而确保g 1 0 b a l s t a t u s 坐标测量机各轴的高速运行，提高了测量机的检测精度。 2 计算机系统 p c 一蹦i s 软件专用计算机系统 一奔腾i v 2 o g h z 处理器，2 5 6 1 4 b 内存 4 0 g b 硬盘 一6 4 m b 显卡 一i d e 接口的1 6 速写入、1 0 速擦除、3 2 速读取光驱 一鼠标与键盘 1 2 西北t 业大学硕+ 学能论文第二章航空复杂件逆向建模 一1 7 ”彩色显示器 一预装w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统和p c d m i s 测量软件 3p c _ 蹦i sc a d + + 测量软件 来自b r o 霄n s h a r p e 集团功能强大的计量与检测软件p c d m i s 为任何计量需要 提供了完美的解决方案。从简单的箱体类工件一直到复杂的轮廓和曲面，p c 一咖i s 使测量过程始终以高速、高效率和高精度进行。 4 测头系统 1 ) r e n i s h 鲫p h l o m q 机械分度测座 r e n i s h a wp h l 0 机械分度测座m o t o r i z e di n d e x a b l eh e a dp h l 0 m q 是由 英国r e n i s h a w 公司专业设计生产的分度旋转关节，能够固定在测量机的z 轴内 部，从而使得z 轴的测量长度达到最大。 2 ) r e n i s h 钾t p 2 0 0 触发式测头 t p 2 0 0 为r e n i s h a w 最新发展出的测针更换系统，设计理念是将t p 2 0 测头设 计成可分离式测头。拥有具备标准测力、小测力、大测力三种测量力量测头、 可根据测针长度来选择、可以选配m c r 2 0 测针更换架，达到弹性化测量及缩短 更换测针时间不需更换旧有三坐标的介面，只要将t p 2 或t p 6 换成t p 2 0 及 i c r 2 0 系统，适合手动和数控测量机。 2 1 3 自由曲面测量路径的规划 曲面测量路径规划直接关系到曲面测量的效率和精度，如何以最少的测量点 最大限度地提取原曲面的形状信息是测量路径规划中的主要研究内容，测量路径 的规划也要充分考虑c a d 系统所提供的各种曲而建模功能，如u g 提供了t h o u g h p o i n t s ，f r o mp o i n t s ，f r 伽p o i n t sc 1 0 u d ，r u l e d ， t h r o u g hc u r v e s ，t h r o u g h c u r v e s 舱s h ，s w e p t 等多种建模功能，对这功能的深入了解对于测量规划具有指 导作用。以下是数据点采集过程中的基本原则【2 4 】： 1 建立统一的测量坐标系 使用c 姗进行测量时，由于零件本身的复杂性、c 删测量范围和测量角度的限 制，一次装夹往往不能获得所需的全部数据，此时需要调整零件和测量系统的相 西北t 业大学硕士学伊论文 第二章航空复杂什逆向建模 对位置。在工程应用中，鉴于多次测量过程中被测量物体表面点之问的相对位置 并未发生改变，采用建立零件坐标系的方法来保证多次测量数据坐标系的统一。 2 按照曲面特征分布进行测量区域划分 在逆向工程的测量过程中，由于c 姗测量范围和角度的限制，有时不能一次 性测量完整张曲面，需要对曲面进行分区域测量。区域划分应满足：区域数目尽 量少，以减少重复定位和重复建立测量坐标系带来的误差。避免边界线跨越特 征线( 即与特征线相交) 。测量区域内特征线的走向应尽可能一致，以防造成细 微特征数据的丢失。测量区域应有一定的重叠，以保证数据的完整性。分区测 量的边界划分取决于物体的具体形态，也取决于建模软件所提供的建模功能。分 区过大，会造成无法精确表示曲面的各个部分；分区过细，会造成更多的拼接问 题，影响重建模型的整体效果。曲面测量区域的划分是否合理将直接影响测量数 据的准确性，从而影响曲面拼接设计的质量和曲面整体品质。 3 测量曲面复杂三维边界时，测量方向与测点曲面法矢保持一致 由于用c 删对实物进行数据测量时不能完全到达实物的边界，在工程应用中， 一般采用柱形测头单点接触式测量产品边界，如果测头方向与测点曲面法矢方向 不一致，会带来测头半径误差，而对于边界处的测头半径误差是很难进行补偿的。 当测量方向与边界点曲面法矢方向一致时，测量误差最小。 4 按曲面实际情况选择采样密度 根据实际情况选择采样密度：测量机通过采样获取曲面信息，根据采样理论， 采样的时候应该尽量使测量点分布的疏密与曲面的弯曲程度一致，使测量实现起 来可行、安全、高效。目前在曲面的测量点分布中，常用的有如下3 种情形： 均匀分布；按曲率大小布置测量点；结合上面两种方法，在均匀分布点的基 础上再按曲率分布进行数据采集，它结合了两者的优点。 2 1 4 三坐标测量机测头半径的补偿 通过用三坐标测量机测得的自由曲面数据实际上是测量头中心的坐标值，在建 立曲面模型时，需要经过测头半径补偿运算后才能得到叶形曲面上的点，补偿的 办法是通过测头中心的曲面法矢修正一个测头半径。 1 4 西北t 业大学硕十学付论文 第二章航空复杂件逆向建模 利用等距面法，准确而且易于实现。现有的新型测量机本身就具有测头半径 补偿功能，并直接得到其触点坐标及曲面。 在曲面的测量建模和制造过程中，更简便、更准确的处理方法是在加工过程 中进行测头半径补偿，即可认为测量数据点就是叶形曲面上的点，按该数据进行 数据处理、曲面建模，直至计算叶形精加工刀位时给定一个负余量( 负余量值等 于测头半径) 。按这种方式处理，建模所得到的结果是测量头中心曲面，不能得到 叶片的自由曲面，但减小了很多中间数据处理误差，省略了测头补偿计算过程。 2 2c a d 模型重建 曲面建模的大致步骤：首先从点云数据中提取出“特征线”，特征线是产品的 外观流线，或者是边界线与装配约束线，换句话说，是曲面模型的“骨架”1 2 5 1 ， 应该首先建构好，然后建构出决定产品外观的基础大曲面，并将精度和光顺程度 调整到最佳状态，其次再补充基础曲面的过渡曲面，再经过适当的倒圆和裁剪后 就完成了曲面模型。即曲面模型重建基本过程是：点的处理一一曲线的创建曲面 的创建。 2 2 1 点的处理过程 由于各种客观与主观因素的存在，点云中不可避免地夹杂着许多无价值点和 各种噪声点。对于如点云数据噪声点等数据点的剔除，既要消去误差点，又要使 有效点不致损失过多口日。对于因测量机振动以及零件表面因素等原因引起的很明 显的粗大噪声点，一般较少，通过人机交互的方法一点点的剔除即可。而三坐标 测量机在自动扫描测量时，虽然有3 d 边界的限制，但受测量机自动搜索精度所限， 难免扫描到一些3 d 边界以外的数据点。这些数据点转换成“点云”数据后，点数 比较多，对曲面重构来说这些都是噪声点。因为这些噪声点太多，一点点的剔除 是困难的，要花很长的时间。 2 2 2 曲线的创建过程 从反求工程的角度来讲，曲线的构建是非常重要的。因为曲线形状构建的好 两北工业大学硕十学付论文 第二章航空复杂件逆向建模 坏，会影响后续曲面模型的重建。所以，曲线的拟合在曲面重建过程中起着重要 的作用。 曲线拟合的方法有两种：插值法和近似法，插值法与点数据的误差为零，但是 受点数据的质量影响较大，曲线的平滑性不好。近似法拟合曲线，首先必须指定 一个误差允许值，并设定控制点的数目，用最小二乘法来求出一个曲线，显然衄 线的控制点影响着曲线的拟合精度，要得到质量比较好的曲线，需要注意以下一 些要求【2 7 0 司： 相邻曲线间隔重合不大于o o l 咖。 特征曲线要光顺，饱满，同时要与建模的表达相一致。 曲线的方向性要一致，才可以保证后续的曲线构造出的曲面不会出现剧烈 的扭曲现象，这一点在曲线构面设计中尤为重要，用于构造四边域曲面的四条边 界线的参数最好要统一。 当创建用于构面的横截面曲线( c r o s s c t i 伽【s ) 时，取曲线拟合公差为所要求 面公差的1 ，4 ，因为后续对曲线进行“清洁”( c l e 锄) 和“光滑” 后缘一 叶背一 前缘) 进行构 造。v 参数方向与积叠轴一致，将截面线上的点进行离散对齐，就可以在积叠轴方 向构造出p ( 1 ，) 【3 3 4 6 ) 。截面线上点的离散对齐方式有很多种：点对齐，等参数对齐， 等弧长对齐，样条型值点对齐，等角度对齐等。但截面线整体建模法中可能出现 的参数扭曲的现象。 2 ) 缝合( s e w ) 法 叶身截面线是由叶盆，叶背，前缘和后缘曲线构成的，将这四条曲线分别作 为p ( 材) 进行建模，得到叶盆曲面，叶背曲面，前缘曲面和后缘曲面四张曲面。这 四张面的建模方法采用的是截面线整体建模法中的等参数对齐方式。将这四张面， 进行缝合，生成叶身型面，再加工下底面进行缝合可以构成叶身实体。 缝合法的叶身型面是由叶盆、叶背、前缘和后缘曲面缝合而成的，所以能较 好的避免叶身曲面在拼接处出现参数扭曲的现象。但由于缝合法的四张曲面是分 别独立生成的，所以导致了拼接处切矢不连续的问题， 3 ) 曲线网格法 曲线网格法是在缝合法基础上的改进。曲线网格法先生成前缘和后缘两张曲 西北工业大学硕士学位论文第二章航空复杂件逆向建模 面，生成的方法与缝合法一样，再在这两张曲面的基础上生成叶盆和叶背曲面。 叶盆曲面和叶背曲面的生成方式采用的是曲线网格法( c u r v em e s h ) 。曲线网格法 的原理是选取一组截面线和一组边界线来构造曲面网榭3 7 。3 9 l 。 用曲线网格法构造叶盆曲面和叶背曲面时，分别选取各截面的叶盆和叶背曲线 作为网格的截面线，选取前后缘曲面的拼接处的边界作为网格的边界线。并且构 造叶盆叶背曲面的约束条件为与邻接的前后缘曲面拼接处切矢连续。最后与缝合 法类似，将叶盆，叶背，前后缘曲面缝合为一个实体。 因为叶盆、叶背、前缘和后缘四张曲面不是独立生成的，这样就能克服缝合法 叶身型面拼接处切矢不连续的缺点；叶身型面是由四张面拼合的，这样又克服了 截面线整体放样法可能出现的参数扭曲的缺点。 本文选用曲线网格法建模方法来建构曲面。 2 曲面光顺理论 在实际生产中，由于实物外形本身的不光滑和测量误差引起数据的光顺性较 差，由此生成的曲面将是“凸凹不平”的，而我们所希望的是生成的曲面能够在 满足精度的前提下，达到尽可能的光顺，此时就需要对“凸凹不平”的曲面进行 光顺性处理。 在对曲面进行光顺调整时，从用户的实际工作习惯出发，可以使用下列三种光 顺方法【4 0 4 2 l ： 1 ) 单