基于五轴加工中心的涡轮叶片在机测量准确定位方法研究

以航空发动机涡轮叶片为研究对象，针对五轴在机测量平台在叶片旋转后测量坐标系偏移问题，提出了一种基于ICP算法的配准定位方法，并基于该算法建立了配准目标函数。为了提高定位精度，针对涡轮叶片加工精度在区域分布不均问题，依据曲率划分定位区域，选取曲率较小区域用于定位。基于涡轮叶片的配准结果，给出了叶片定位中各轴向的定位误差和综合定位误差的计算公式，并提出迭代测量、二次定位的方法提高定位精度，减小定位误差。通过实际加工叶片配准定位，定位精度在15微米左右，证明该方案的有效性。

随着国内经济实力的提升和军事技术的发展，自由曲面已经在航空航天、汽车行业、船舶制造、精密设备、高档数控机床等领域有了广泛的使用，其中，涡轮叶片的制造和测量对于航空航天领域是一项技术难点。当前国内的国产机床对于涡轮叶片的加工精度大约只能在50 微米左右，因此对涡轮叶片的高效率、高精度的测量及后续的超精加工提出了前所未有的迫切需求[1]。在机测量是提高叶片加工以及测量效率的一种非常有用的解决方案，相比于离线测量，在机测量能把加工过程与检测过程高效地结合起来，在加工复杂空间曲面的产品时有明显的优势，它自由度大，避免了对工件多次装夹造成的误差，缩短制造周期，降低生产成本，同时能够对加工过程给予精确的指导，所以在气缸、叶片、整体叶轮以及螺旋桨等这类结构复杂且为空间曲面的零件加工上有重要的研究意义[1]。

目前，国内的在机测量方案主要是传统的基于三轴加工中心的测量方式，五轴加工中心很少应用于量测。传统的三轴定位方式主要还是利用加工坐标系进行偏置，将建模坐标系和测量坐标系通过对齐来实现定位。国内外许多专家学者在定位这方面也做了许多科学研究。广西工业大学方瑞、陈岳坪等[2]人利用量块、激光干涉仪通过对机床的定位精度进行补偿提高对复杂曲面的定位精度，这种方法减小了机床的静态误差，同时提高机床的量仪精度，但是没有考虑到在对曲面定位过程中，五轴机床在加工复杂曲面时带来的整体形状误差。于海祥等[3]人采用“基于多层感知器神经网络”的误差补偿方法，通过三坐标测量仪计算出铣床的误差数据， 并利用MLP 神经网络模型来对这些数据进行训练， 最后得到拟合的误差曲面，实现了对工件的定位。郭前建[4]提出“基于机床空间误差的多模型融合预测”的算法，通过对机床的三种误差(几何误差、热误差和切削力误差)建立最优化的空间误差模型， 对空间误差补偿模型进行设计，从系统层面出发，实现了对工件的定位。蔺小军[5]采用CMM 测量机对叶片进行测量，提出了基于流道线法的测量方式， 并利用L-BFGS-B 算法对叶片配准来实现对曲面加工质量的评估。

Zhang 等[6]提出了基于特征的自由曲面测量路径规划方法。

工件定位的主要目的在于选取测量坐标系，测量坐标系选取的准确与否对于之后叶片数据的采集、叶片加工误差的分析有着不可忽视的影响。由于涡轮叶片是复杂曲面的一种，其表面上各个点的法向量