【摘 要】
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航空发动机叶片作为飞机发动机的关键精密零件,其表面完整性和型面精度对发动机的气流动力学性能、使用寿命、可靠性等方面有至关重要的影响。叶片属于典型薄壁件,具有易变形、弯扭度大的特征,剧烈的表面曲率变化使叶片在打磨过程中难以保证其表面质量,所以研究叶片高效高精度自动化打磨技术,对提升叶片生产效率和制造水平具有重要意义。目前,机器人打磨叶片逐渐代替人工打磨成为主流打磨技术。在机器人打磨叶片过程中,良好的
【基金项目】
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山西省自然科学基金（201901D111092）； 山西省科研设备专项（2018-5）； 山西省研究生教育创新项目（2020SY493）；
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航空发动机叶片作为飞机发动机的关键精密零件,其表面完整性和型面精度对发动机的气流动力学性能、使用寿命、可靠性等方面有至关重要的影响。叶片属于典型薄壁件,具有易变形、弯扭度大的特征,剧烈的表面曲率变化使叶片在打磨过程中难以保证其表面质量,所以研究叶片高效高精度自动化打磨技术,对提升叶片生产效率和制造水平具有重要意义。目前,机器人打磨叶片逐渐代替人工打磨成为主流打磨技术。在机器人打磨叶片过程中,良好的打磨轨迹能有效地提高叶片的表面质量与加工效率。利用虚拟调试技术可以按照用户设计的技术参数要求对工业实际机器人打磨叶片进行仿真模拟,从而有效降低实物打磨的风险。本论文着重研究机器人打磨叶片系统的叶片模型重构、轨迹规划与联合虚拟调试技术,通过软硬件结合的方式,对系统进行联合调试与优化,对机械设计、工艺仿真、轨迹规划、电气调试进行整合,不仅提高了调试效率,还可以在安装设备之前发现并解决问题,降低实物调试风险与成本。本论文主要研究内容如下:（1）对航发叶片点云处理与模型重构。首先采用华朗三维扫描仪采集实体叶片的点云数据;然后对初始叶片点云数据进行去除噪声点,以及基于K-means算法对叶片点云数据进行精简处理;其次基于NURBS曲面实现了叶片曲面重构,并对重构后的叶片曲面进行误差分析,得出重构后的叶片曲面偏差的最大值、平均值、标准偏差均在0.05mm之内,符合精度要求;最后在NX中实现航发叶片三维模型的重构。（2）研究了一种面向叶片的机器人打磨轨迹生成方法。以Visual Studio 2017为开发平台,结合NX二次开发工具NX/OPEN API实现了基于等残留高度的打磨轨迹开发。首先通过对叶片曲面微分几何的分析,建立了百页轮打磨工具与叶片曲面之间的数学模型,然后采用Douglas-Peucker算法计算变打磨步长,并将叶片曲面状况分为平面、凸曲面和凹曲面三种状况,分别计算对应的打磨行距,最终在三维叶片模型表面自动生成符合叶片表面形貌的打磨轨迹和轨迹点数据,并进行仿真验证生成的打磨轨迹是否可行。（3）建立机器人打磨叶片运动学模型。首先通过D-H参数法建立了川崎RS20N关节型机器人的运动学模型,并推导了川崎机器人运动学正解和逆解的求解过程。然后对机器人在关节空间与笛卡尔空间的轨迹规划进行了理论研究,并进行了轨迹运动仿真,验证了机器人运动学模型的正确性,保证了理论的可行性。最后基于蒙特卡罗法对机器人工作空间进行求解,绘制了机器人工作空间的点云图。（4）设计了一种基于NX MCD与TIA Portal的机器人打磨叶片联合虚拟调试系统。首先基于NX MCD仿真平台设计并建立机器人打磨叶片数字化工作站;然后采用TIA Portal软件进行PLC程序设计和HMI组态并下载到硬件设备;其次通过OPC UA通讯协议实现机器人打磨叶片系统软硬件联合虚拟调试。最后给出适用于实际叶片打磨的工艺参数,并通过实际叶片打磨实验证明参数合理可行。调试结果表明:该系统有效验证和优化了机器人打磨轨迹,同时可以缩短现场调试周期,降低设计阶段电气硬件的调试风险和成本投入。
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