[發明專利]一種航空發動機葉片葉尖缺失部位三維模型重建方法

無效

• 申請號: 201310054600.1
• 申請日: 2013-02-20
• 公開（公告）號: CN103093065A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 李亮玉;何俊杰;岳建鋒;王天琪
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 李濟群

技術領域

本發明涉及復雜曲面的造型及高級幾何處理技術，具體為一種航空發動機葉片葉尖缺失部位三維模型重建方法。

背景技術

葉片是航空渦輪發動機的關鍵部件，其材料昂貴、制造工藝復雜。在軍用和民用渦輪發動機的使用過程中，每年有大量渦輪葉片因葉尖磨損而需要及時更換修復。由于渦輪葉片制造工藝復雜，葉片價格昂貴，修復葉片成本遠遠低于更換葉片成本，因此，葉片接長修復的經濟效益很高。以往渦輪葉片葉尖的修復主要采用手工鎢極氬弧焊方法，修復質量受工人技術水平限制，質量難以保證。隨著渦輪葉片材料的不斷更新，特別是定向結晶鑄造合金的廣泛應用，使得材料的可焊性越來越差，手工焊接已滿足不了現代渦輪葉片葉尖的補焊接長要求。

近年來隨著激光焊接、自動控制、自動識別、機器人等高新技術的發展，國內外在渦輪葉片葉尖缺損修復方面取得了長足進步。其中激光補焊接長和全自動鎢極氬弧焊接長技術，是當前國內外領先的兩項渦輪葉片葉尖缺損修復技術。

新加坡采用模具控制的激光熔敷（CLPC）對葉片葉尖進行了修復。該技術通過使用與葉片輪廓一致的翼型模具，控制激光熔敷填充缺損葉片成型。其基本思想是為了減少甚至消除焊后的加工量，通過熔敷修復達到預期效果。但其存在如下問題：葉片邊緣地區的高度與寬度比例高，填充難度高；對于曲面復雜的葉片，不能與標準模具完全貼合，使填涂的過程不穩定；對于激光熔敷過程的熱量控制，必須控制模具與葉片不會因為熱量的傳導而固結在一起。飛機葉片為復雜曲面，制作合適的模具本身比較困難。激光補焊接長修復中由于葉片間尺寸的微小差異，使焊接護套加工比較困難，在焊接前人工調整葉片費時費力，不適合飛機渦輪發動機葉片葉尖的修補。

全自動鎢極氬弧焊接長修復技術是近年來美國Liburdi公司使用多坐標焊接機器人實現葉尖修復的自動化技術。全自動氬弧焊自動修復設備主要包括，五坐標龍門式機器人、焊接系統和焊絲進給系統。修復時葉片放在夾具中，僅露出葉尖。在焊接工位，葉片葉尖幾何參數首先被自動識別檢測，這些幾何參數被計算機處理后，傳輸給機器人，機器人根據葉尖具體幾何參數自動調整焊接電流、焊槍角度和焊絲進給速度。焊接完成后，機器人自動將下一個葉片移動到焊接工位，完成一個循環。全自動鎢極氬弧焊補焊接長修復技術，應用自適應最優控制理論，加工過程全部實現自動控制，補焊后的葉片質量較好，但整套設備需幾百萬美元，一次性投資巨大，同時相關技術對外實行封鎖。

目前國內航空發動機維修廠因為維修設備和維修技術不能滿足適航性要求，在民機發動機葉片磨損修復方面還是空白，幾乎100%的由磨損原因造成的尺寸超差的葉片送國外修理。維修成本高昂，每年帶來的經濟損失至少在5億美元以上，同時由于不能提供“一站式”維修服務，延長了飛機的停廠時間，降低了我國維修企業的市場競爭力。由此可見掌握航空發動機葉片焊接修復關鍵技術，對我國民航產業具有重要的經濟效益和社會效益。

為實現飛機葉片葉尖修復的盡凈成型，必須準確獲取飛機葉片缺損部位的三維模型。國內外對于表面形狀復雜零件缺失部位模型的建立采用模型比對方法。該方法通過數字化測量和三維重構技術獲得缺損零件表面的數字化模型，然后以此數字化模型與標準零件CAD模型進行3D配準比對，抽取出待修復模型，模型獲取直觀性較好。但由于在比對時需進行模型坐標配準，且葉片在服役期間不可避免的會有一定程度的變形，從而致使兩模型本身的形態不一致而增加了誤差來源。采用此方法建模，需要獲取缺損工件的大部分表面信息數據，測量工作量大，數據量大，計算工作量大，速度慢，且操作步驟繁多，效率較低，不適宜焊接的自動化。因此該方法不適宜航空發動機葉片葉尖缺失部位三維模型建立。

曲面延伸技術是逆向工程的關鍵技術。該技術在生物醫學、板材成形、復雜零件精確三維造型等領域得到了廣泛應用。伊朗Sharif大學的Jafari博士、美國哥倫比亞大學的Ateshian等運用該技術完成人體復雜動關節（膝關節骨、脛骨、肱骨等）精確三維曲面造型，并在生物工程上得到應用。吉林大學的彭林法等運用曲面延伸技術通過曲面構造、曲面拼接完成曲面拓展。上海理工大學的劉芳等采用雙三次NURBS方法實現了對某型號轉子的幾何造型,對造型過程中出現的曲面延伸、求交和裁剪等問題進行了研究。西華大學的張禮達等采用NURBS曲面延伸方法實現了混流式水輪機轉輪葉片的精確造型。

但經文獻檢索，未曾有報道利用曲面延伸方法進行航空發動機缺損葉片缺失部位三維模型的建立。

發明內容