来源:Frontiers of Mechanical Engineering 发布时间:2022/7/13 13:57:34
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FME | 梅雪松教授 基于先进可重构激光加工系统的航空发动机叶片陶瓷型芯分区分层修型方法

论文标题:A zone-layered trimming method for ceramic core of aero-engine blade based on an advanced reconfigurable laser processing system(梅雪松教授 基于先进可重构激光加工系统的航空发动机叶片陶瓷型芯分区分层修型方法)

期刊: Frontiers of Mechanical Engineering

作者:Xiaodong WANG(王晓东), Dongxiang HOU(侯东祥), Bin LIU(刘斌), Xuesong MEI(梅雪松), Xintian WANG(王新田), Renhan LIAN(连仁涵)

发表时间:10 Jun 2022

DOI:10.1007/s11465-022-0675-5

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基于先进可重构激光加工系统的航空发动机叶片陶瓷型芯分区分层修型方法

A zone-layered trimming method for ceramic core of aero-engine blade based on an advanced reconfigurable laser processing system

作者列表

Xiaodong WANG(王晓东), Dongxiang HOU(侯东祥), Bin LIU(刘斌), Xuesong MEI(梅雪松), Xintian WANG(王新田), Renhan LIAN(连仁涵)

关键词

ceramic parts trimming, computer-aided laser manufacturing, 3D vision, reconfigurable laser processing system

陶瓷零件修型,计算机辅助激光制造,3D视觉,可配置激光加工系统

原文链接

https://journal.hep.com.cn/fme/EN/10.1007/s11465-022-0675-5

文章简介

陶瓷型芯是一种熔模铸造中制备中空铸件的转接件,被广泛地应用于航空发动机单晶涡轮空心叶片和导向叶片的无余量精密铸造,是形成叶片空心型腔从而提高其冷却效率、增强其承温性能的关键部件。热压铸成型是目前应用最为广泛的陶瓷型芯生产工艺之一,然而压铸成型后的陶瓷型芯存在毛刺、飞边等缺陷。由于型芯易碎、且型芯冷却过程会有收缩变形,因而难以实现自动化修型,目前只能通过人工修型的方式去除毛刺、飞边,导致型芯的生产效率和合格率无法满足叶片大规模铸造应用的需求。

针对上述问题,本文研发了一套陶瓷型芯五轴超快激光修型装备,采用视觉引导修型的方式,实现了陶瓷型芯的在线测量、定位、修型一体化操作,其中重点研究了视觉引导路径生成、曲面轮廓簇分区分层处理、光机电协同控制等关键技术。基于ICP整体+区域配准的策略,实现了模板路径与变形型芯边缘的对齐;基于k-means聚类算法并以聚类中心构建局部坐标系,实现对曲面轮廓簇的分区及分层处理,进而生成了五轴运动平台与振镜位置指令;基于Winform框架、TCP/IP通信技术、串口通信技术等开发了光机电协同控制软件OEMCC,实现了陶瓷型芯修型过程各模组的协同控制。

文章亮点

针对陶瓷型芯易碎、无定位基准且存在热收缩变形导致型芯难以自动化修型的难题,本文提出了一套完整的陶瓷型芯五轴超快激光修型装备光机电协同控制框架及修型方法,引入了ICP整体+区域配准策略,实现了模板路径与变形陶瓷边缘的配准,提出了曲面三维轮廓簇分区、分层处理方法,实现了五轴运动平台与振镜位置指令的生成,并基于开发的光机电协同控制软件OEMCC实现了陶瓷型芯的视觉引导修型。

文章作者简介

梅雪松 西安交通大学/教授、博士生导师

教育部创新团队带头人,“智能制造和机器人”国家科技创新2030重大项目专家组成员,“网络化协同制造和智能工厂”国家重点研发计划专家组成员

主要研究方向:

智能制造与机器人控制

超快激光金属加工机理与应用

承担项目:

主要承担国家重点研发计划、863、04专项、国防预研、国家自然科学基金(重点)等一系列国家级项目,研究成果成功应用于西航、中国商发、中电38所、沈飞、东汽、广东正业等激光制造企业。

科研教学成果:

发表论文300余篇,其中SCI/EI收录270余篇,获发明专利授权50余项

研究成果获2021年国家科学技术进步二等奖;2021陕西省技术发明一等奖;2018年陕西省高等学校科学技术一等奖;2017年中国机械工业科学技术一等奖;2014年教育部科技进步一等奖;2011年国家科学技术进步二等奖

主要著作发表:

机床主轴高速动平衡技术,科学出版社,2015年,梅雪松,章云

数控技术与应用,机械工业出版社,2014年,梅雪松,许睦询

摘要

Ceramic structural parts are one of the most widely utilized structural parts in the industry. However, they usually contain defects following the pressing process, such as burrs. Therefore, additional trimming is usually required, despite the deformation challenges and difficulty in positioning. This paper proposes an ultrafast laser processing system for trimming complex ceramic structural parts. Opto-electromechanical cooperative control software is developed to control the laser processing system. The trimming problem of the ceramic cores used in aero engines is studied. The regional registration method is introduced based on the iterative closest point algorithm to register the path extracted from the computer-aided design model with the deformed ceramic core. A zonal and layering processing method for three-dimensional contours on complex surfaces is proposed to generate the working data of high-speed scanning galvanometer and the computer numerical control machine tool, respectively. The results show that the laser system and the method proposed in this paper are suitable for trimming complex non-datum parts such as ceramic cores. Compared with the results of manual trimming, the method proposed in this paper has higher accuracy, efficiency, and yield. The method mentioned above has been used in practical application with satisfactory results.

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