一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法

本发明属于一种激光加工轨迹规划方法，具体涉及一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法。

背景技术：

1、随着激光加工技术的发展，多轴激光加工装备已逐步应用于各种复杂零件的加工中。尤其是针对涡轮叶片气膜孔，其结构复杂、尺寸小、数量多，完全符合多轴激光加工装备的应用场景。

2、在涡轮叶片气膜孔的加工过程中，通过多个机械轴联动来调整涡轮叶片的位姿，再通过振镜或旋切扫描模块等光束控制模块控制光束运动，以此实现任一位置气膜孔的激光刻蚀加工。但是，加工过程中需要在各气膜孔之间切换孔位时，以及轴向的非刻蚀段运动过程中，为了避免工件与装备中的其他部件发生碰撞干涉，各机械轴通过大幅度运动，保证工件与装备中的其他部件间具有足够多的空间距离，再进行孔位与轴向的变换。

3、目前，加工过程中缺少可以量化的数据，只能按照较为保守的空间距离进行调整，而且气膜孔之间的加工顺序也较为固化，两方面作用的结果，导致气膜孔之间的切换时间长，严重影响了涡轮叶片的整体加工效率。

技术实现思路

1、本发明为解决目前涡轮叶片气膜孔加工过程中，通过使各机械轴大幅运动避免工件与装备中的其他部件发生碰撞干涉，导致气膜孔之间的切换时间长，严重影响涡轮叶片的整体加工效率的技术问题，提供一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、s1，构建涡轮叶片模型的最小包围圆柱；

5、s2，确定相邻气膜孔间非刻蚀段轨迹

6、s2.1，在相邻两个气膜孔处，分别沿气膜孔轴向偏置，得到对应的偏置点，再分别从偏置点沿气膜孔法向偏置，得到对应的移刀点；

7、s2.2，分别判断偏置点与对应移刀点的连线所在直线是否与涡轮叶片模型相交，若相交，则执行步骤s2.3；否则，执行步骤s2.4；

8、s2.3，返回步骤s2.1，并增大步骤s2.1中的轴向偏置距离；

9、s2.4，通过直线连接两个移刀点，并判断两个移刀点的连线是否与涡轮叶片模型相交，若相交，则执行步骤s2.5；否则，执行步骤s2.6；

10、s2.5，返回步骤s2.1，并增大步骤s2.1中的法向偏置距离；

11、s2.6，分别用直线和位于最小包围圆柱上的螺旋线连接两个移刀点，并获取直线的长度l1和螺旋线的长度l2，若l1≤l2，则确定两个移刀点之间的轨迹为直线，否则，确定两个移刀点之间的轨迹为位于最小包围圆柱上的螺旋线；

12、s2.7，以第一个气膜孔、第一个气膜孔的偏置点、第一个气膜孔的移刀点、第二个气膜孔的移刀点、第二个气膜孔的偏置点、第二个气膜孔作为相邻气膜孔间非刻蚀段轨迹。

13、进一步地，还包括步骤s3，非刻蚀段轨迹整体优化：

14、根据相邻气膜孔之间的轨迹长度和/或轴向变化量作为权重函数，建立目标函数，求解目标函数的最优解，并根据所述最优解优化非刻蚀段轨迹。

15、进一步地，步骤s3中，所述目标函数具体为：

16、以相邻气膜孔之间的轨迹长度li(x)作为权重函数，建立目标函数l(x)：

17、

18、其中，k为气膜孔的总数量；

19、或者，根据相邻气膜孔之间的轨迹长度ti(x)作为权重函数，建立目标函数t(x)：

20、

21、或者，根据相邻气膜孔之间的轨迹长度和轴向变化量作为权重函数，建立目标函数f(x)：

22、

23、其中，α为优化权，l*为目标函数l(x)的最优解，t*为目标函数t(x)的最优解。

24、进一步地，所述目标函数f(x)简化为：

25、

26、进一步地，所述目标函数通过以下方法求解：

27、s3-1，将目标函数记作f(x)，随机生成初始解x，计算对应的目标函数f(x)；

28、s3-2，通过扰动产生新的解x‘，计算得到对应的目标函数f(x‘)；

29、s3-3，对f(x‘)和f(x)作差，得到差值δf＝f(x‘)-f(x)，若δf≤0，用新的解x‘代替x，用f(x‘)代替f(x)，否则，按metropolis准则接受新的解；

30、s3-4，判断是否达到预设的迭代次数，若达到预设的迭代次数，再判断是否满足预设精度，若满足预设精度，则结束求解，得到最优解，若不满足预设精度，降低模拟退火算法中的温度，重置预设的迭代次数，并返回步骤s3-2；若未达到预设的迭代次数，返回步骤s3-2。

31、进一步地，步骤s1具体为：

32、s1.1，构建涡轮叶片模型的包围盒，构建包围盒的外接圆柱；所述外接圆柱的半径rw为：

33、rw＝rmax－bmin；

34、其中，bmin为涡轮叶片模型和外接圆柱侧壁的最小距离，rmax为包围盒对角线长度的一半。

35、s1.2，将外接圆柱向外扩大，得到涡轮叶片模型的最小包围圆柱；所述最小包围圆柱的半径rh为：

36、rh＝rmax－bmin

37、其中，d为外接圆柱向外扩大的半径长度。

38、进一步地，步骤s1.1中，所述包围盒为abb包围盒。

39、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

40、1.本发明提出一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，基于包围盒算法和涡轮叶片几何模型特征，构建了零件的无干涉最小包围圆柱，在此基础上重新计算气膜孔的非刻蚀位置，即按照刻蚀位置所在叶片曲面的特征，确定相邻气膜孔间两个移刀点之间的轨迹为直线或位于最小包围圆柱上的螺旋线，在避免工件与装备中其他部件发生碰撞干涉的同时，能够最大限度减少气膜孔之间的切换时长，有效提高了涡轮叶片的整体加工效率。

41、2.本发明中还对非刻蚀段轨迹进行了整体优化，基于激光加工设备机械轴平移和/或转动情况对刻蚀点的顺序进行优化，通过该整体优化，能够与进一步提高涡轮叶片气膜孔激光加工的加工效率，得到更优的加工轨迹。

42、3.本发明中提供了一种求解目标函数的优化方法，能够高效准确的求得目标函数最优解。

技术特征：

1.一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，其特征在于：还包括步骤s3，非刻蚀段轨迹整体优化：

3.根据权利要求2所述一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，其特征在于：步骤s3中，所述目标函数具体为：

4.根据权利要求3所述一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，其特征在于：所述目标函数f(x)简化为：

5.根据权利要求3或4所述一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，其特征在于：所述目标函数通过以下方法求解：

6.根据权利要求5所述一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，其特征在于：步骤s1具体为：

7.根据权利要求6所述一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法，其特征在于：步骤s1.1中，所述包围盒为abb包围盒。

技术总结
本发明属于一种激光加工轨迹规划方法，为解决目前涡轮叶片气膜孔加工过程中，通过使各机械轴大幅运动避免工件与装备中的其他部件发生碰撞干涉，导致气膜孔之间的切换时间长，严重影响涡轮叶片的整体加工效率的技术问题，提供一种叶片气膜孔激光加工非刻蚀段轨迹规划方法。基于包围盒算法和涡轮叶片几何模型特征，构建了零件的无干涉最小包围圆柱，在此基础上重新计算气膜孔的非刻蚀位置，即按照刻蚀位置所在叶片曲面的特征，确定相邻气膜孔间两个移刀点之间的轨迹为直线或位于最小包围圆柱上的螺旋线，有效提高了涡轮叶片的整体加工效率。

技术研发人员：王晶,侯尧华,赵华龙,赵卫
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12