专利名称：一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具与位姿快速调节方法
技术领域：
本发明涉及涡轮机叶片的夹具领域，特别涉及一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具与位姿快速调节方法。
背景技术：
涡轮机是一种将气体或液体燃料燃烧产生的热能转化为机械功的旋转式叶轮动力机械装置，广泛应用于能源、航空、交通、国防等领域，是适应我国能源结构调整和航空工业发展的关键重大装备。高温涡轮叶片处于燃气轮机温度最高(1400°C以上)、应力最复杂、环境最恶劣的部位，其价值占整机的近50%，是燃气轮机中的关键部件。叶片的加工精度就成为影响叶片寿命及性能重要因素之一。由于叶身曲面比较复杂，如何保证叶片机械加工中的准确定位和合理夹紧也就成为确保叶片在高温、高速旋转等恶劣环境下使用寿命的关键。 目前，在叶片榫头的加工中，生产厂家一般都采用低熔点合金包容箱型法。中国专利文件CN101417396A公开了一种基于微分几何的夹具精度理论、定位点的形封闭准则的新型复杂曲面定位与夹紧快速算法。该文件中所阐述的发明的缺点是定位销钉长度固定不可调，涡轮机叶片在夹紧后位姿无法更改，在夹紧过程中没有对叶片关键区域的位姿变化进行实时监测，夹具装置中设计的定位销钉一旦加工完成后，整个夹具可调性差、重复使用效率低下、螺杆旋转夹紧后叶片的位姿不可调。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具与位姿快速调节方法，能够现叶片位姿的快速、精准的调节以达到加工前叶片夹紧位姿的精度要求。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具，包括叶片定位装置、叶片夹紧装置和叶片榫头位姿信号监测装置，叶片定位装置、叶片夹紧装置和叶片榫头位姿信号监测装置都固定在基座平台4上；所述的叶片夹紧装置包括第一夹紧座8和第二夹紧座14，第一夹紧座8与第二夹紧座14固定在基座平台4的长轴线上，第一夹紧座8上布有竖直方向的第一螺杆9，用于加载夹紧涡轮机叶片5的尾部，第二夹紧座14上设有安装导向孔2，并布有竖直方向的第二螺杆11、第三螺杆12以及水平方向的第四螺杆I、第五螺杆13，用于加载夹紧涡轮机叶片5的头部；所述的叶片定位装置包括第一定位销钉3、第二定位销钉6、第三定位销钉7、第四定位销钉10、第五定位销钉16、第六定位销钉17，还包括第一销钉固定座15、第二销钉固定座18，其中第一定位销钉3、第二定位销钉6、第三定位销钉7、第六定位销钉17竖直固定在上述基座平台4上，在第二夹紧座14右侧的第一定位销钉3中心和第六定位销钉17中心连线与第二螺杆11中心和第三螺杆12中心连线成30°角，在第一夹紧座8的左侧的第二定位销钉6中心和第三定位销钉7中心连线与基座平台4的长轴线成30°角，第四定位销钉10、第五定位销钉16分别水平安装在第二销钉固定座18与第一销钉固定座15上，第一销钉固定座15与第二销钉固定座18平行固定在基座平台4的长轴线两侧；所述的叶片榫头位姿信号监测装置包括第一法兰座20、第二法兰座19、第一电涡流位移传感器21、第二电涡流位移传感器22、第三电涡流位移传感器23、第四电涡流位移传感器24、第五电涡流位移传感器25、第六电涡流位移传感器26，第一法兰座20与第二法兰座19固定在基座平台4上，第一法兰座20与第二夹紧座14平行且其长轴方向的中心距涡轮机叶片5的榫头端面不超过10_，第二法兰座19在涡轮机叶片5的榫齿端面外侧并间距不超过20mm，第三电涡流位移传感器23与第六电涡流位移传感器26对称固定在第一法兰座20的正X方向上，第一电涡流位移传感器21与第二电涡流位移传感器22固定在第一法兰座20的Z方向上，第五电涡流位移传感器25与第四电涡流位移传感器24固定在第二法兰座19的Y方向上。所述的定位销钉的底部设有凹孔A，凹孔A与压电陶瓷C头部的位移输出杆是相配 合的，所有的压电陶瓷C均是安装在销钉固定座或基座平台B内部的，安装孔都是通孔以方便压电陶瓷的电源线接入，并且所有的通孔都设计有限位凸台以固定压电陶瓷C的位置。一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具的位姿快速调节方法，包括以下步骤第一步，利用LABVIEW设计虚拟仪器记录榫头位姿监测装置中电涡流位移传感器所采集到涡轮机叶片5榫头位姿初始状态量Wa= (ffal, ffa2, ffa3, Wa4, Wa5, wa6)，在对涡轮机叶片5夹紧后，记录其榫头位姿的稳定状态量Wb= (ffbl, ffb2, ffb3, Wb4, Wb5, Wb6),计算得到位姿状态变化量 AW = Wa-Wb ；第二步，假定涡轮机叶片5在夹紧后的位姿要达到定位精度要求时需调节定位销钉的位移量为L= (L1, L2, L3, L4, L5, L6),采用神经网络算法建立叶片榫头位姿变化量与定位销钉理论位移调节量之间的函数关系L=f ( Aff)；第三步，设压电陶瓷C的电压调节值为U=(Ui，U2, U3, U4, U5, U6),根据压电陶瓷C的电压-位移参数数据，建立叶片榫头位姿变化量W、定位销钉理论位移调节量L与压电陶瓷电压调节量U三者之间的函数关系U=f(L，W)，并存入计算机中；第四步，在每个涡轮机叶片5进行加工夹紧时，根据采集到的涡轮机叶片5的榫头位姿变化数据直接调入计算机数据库中得到应该调节的压电陶瓷C的电压值U，并对对应的压电陶瓷C所接电压进行调节即可。本发明具有以下优点和有益效果I)采用定位销钉对涡轮机叶片的叶身曲面进行定位，相对于传统的低熔点合金箱型包容法，工艺流程更简单，耗能更少，制造成本低，有害气体排放大幅度降低。2)在对涡轮机叶片定位夹紧过程中对叶片关键区域(榫头)进行位姿变化数据的实时监测和采集，对每个叶片的实际工况进行详细的数据记录，可形成丰富的、有实际分析价值的叶片加工数据库。3)采用压电陶瓷与定位销钉相配合的装置结构，能有效控制、改变销钉与叶片的相对位置，可在叶片夹紧后可以充分的、快速的、精确的调整叶片的位姿，以满足叶片在加工前的夹紧精度要求，降低废品率。
4)本发明整体上缩短了涡轮机叶片的加工时间，提高了加工效率，增强了夹具的重复使用性和灵活性，同时在夹具使用上节约了加工成本提高了经济效益。
图I为本发明的整体装配图。图2为图I的俯视图。图3为本发明涡轮机叶片榫头位姿信号监测装置的等轴测图。图4为定位销钉与压电陶瓷的安装配合示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做详细说明。 参照图I与图2，一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具，包括叶片定位装置、叶片夹紧装置和叶片榫头位姿信号监测装置，叶片定位装置、叶片夹紧装置和叶片榫头位姿信号监测装置都固定在基座平台4上；所述的叶片夹紧装置包括第一夹紧座8和第二夹紧座14，第一夹紧座8与第二夹紧座14通过内六角螺钉固定在基座平台4的长轴线上，第一夹紧座8上布有竖直方向的第一螺杆9用于加载夹紧涡轮机叶片5的尾部，第二夹紧座14上设有安装导向孔2，并布有竖直方向的第二螺杆11、第三螺杆12以及水平方向的第四螺杆I、第五螺杆13用于加载夹紧涡轮机叶片5的头部；所述的叶片定位装置包括第一定位销钉3、第二定位销钉6、第三定位销钉7、第四定位销钉10、第五定位销钉16、第六定位销钉17，还包括第一销钉固定座15、第二销钉固定座18，其中第一定位销钉3、第二定位销钉6、第三定位销钉7、第六定位销钉17竖直固定在上述基座平台4上，在第二夹紧座14右侧的第一定位销钉3中心和第六定位销钉17中心连线与第二螺杆11中心和第三螺杆12中心连线成30°角，在第一夹紧座8的左侧的第二定位销钉6中心和第三定位销钉7中心连线与基座平台4的长轴线成30°角，第四定位销钉10、第五定位销钉16分别水平安装在第二销钉固定座18与第一销钉固定座15上，第一销钉固定座15与第二销钉固定座18通过内六角螺钉平行固定在基座平台4的长轴线两侧；参照图3，所述的涡轮机叶片榫头位姿信号监测装置包括第一法兰座20、第二法兰座19、第一电涡流位移传感器21、第二电涡流位移传感器22、第三电涡流位移传感器23、第四电涡流位移传感器24、第五电涡流位移传感器25、第六电涡流位移传感器26，第一法兰座20与第二法兰座19通过内六角螺钉固定在基座平台4上,第一法兰座20与第二夹紧座14平行且其长轴方向的中心距涡轮机叶片5的榫头端面不超过10mm，第二法兰座19在涡轮机叶片5的榫齿端面外侧并间距不超过20mm，第三电涡流位移传感器23与第六电涡流位移传感器26对称固定在第一法兰座20的正X方向上，这两个传感器探头中心离基座平台4的上表面43mm，以有效的实时监测叶片榫头在夹紧过程中X方向的位姿变化数据；第一电涡流位移传感器21与第二电涡流位移传感器22固定在第一法兰座20的正Z方向上，这两个传感器探头中心与上述X方向上的2个传感器探头中心完全处于一个平面内，用于监测叶片榫头在夹紧过程中Z方向的位姿变化数据；第四电涡流位移传感器24与五电涡流位移传感器25固定在法兰座19的正Y方向上，这两个传感器探头中心离基座平台4的上表面43mm，离叶片榫齿端面I. 5-3mm，用于监测叶片榫头在夹紧过程中Y方向的位姿变化数据。参照图4，所述的定位销钉的底部设有凹孔A，凹孔A与压电陶瓷C头部的位移输出杆是相配合的，所有的压电陶瓷C均是安装在销钉固定座或基座平台B内部的，安装孔都是通孔以方便压电陶瓷C的电源线接入，并且所有的通孔都设计有限位凸台以固定压电陶瓷C的位置。一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具的位姿快速调节方法，包括以下步骤第一步利用LABVIEW设计虚拟仪器记录榫头位姿监测装置中电涡流位移传感器所采集到涡轮机叶片5榫头位姿初始状态量Wa= (ffal, ffa2, ffa3, Wa4, Wa5, Wa6)，在对涡轮机叶片5夹紧后，记录其榫头位姿的稳定状态量Wb= (ffbl, ffb2, ffb3, Wb4, Wb5, Wb6),计算得到位姿状态变 化量 AW = Wa-Wb ；第二步假定涡轮机叶片5在夹紧后的位姿要达到定位精度要求时需调节定位销钉的位移量为L= (L1, L2, L3, L4, L5, L6),采用神经网络算法建立叶片榫头位姿变化量与定位销钉理论位移调节量之间的函数关系L=f ( Aff)；第三步设压电陶瓷C的电压调节值为U= (U1, U2, U3, U4, U5, U6)，根据压电陶瓷C的电压-位移参数数据，建立叶片榫头位姿变化量W、定位销钉理论位移调节量L与压电陶瓷电压调节量U三者之间的函数关系U=f (L，W)，并存入计算机中；第四步在每个涡轮机叶片5进行加工夹紧时，根据采集到的涡轮机叶片5的榫头位姿变化数据直接调入计算机数据库中得到应该调节的压电陶瓷C的电压值U，并对对应的压电陶瓷C所接电压进行调节即可。
权利要求
1.一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具，包括叶片定位装置、叶片夹紧装置和叶片榫头位姿信号监测装置，其特征在于叶片定位装置、叶片夹紧装置和叶片榫头位姿信号监测装置都固定在基座平台(4)上； 所述的叶片夹紧装置包括第一夹紧座(8)和第二夹紧座(14)，第一夹紧座(8)与第二夹紧座(14)固定在基座平台(4)的长轴线上，第一夹紧座(8)上布有竖直方向的第一螺杆(9)用于加载夹紧涡轮机叶片(5)的尾部，第二夹紧座(14)上设有安装导向孔(2)，并布有竖直方向的第二螺杆(11)、第三螺杆(12)以及水平方向的第四螺杆(I)、第五螺杆(13)用于加载夹紧涡轮机叶片(5)的头部； 所述的叶片定位装置包括第一定位销钉(3)、第二定位销钉(6)、第三定位销钉(7)、第四定位销钉(10)、第五定位销钉(16)、第六定位销钉(17)，还包括第一销钉固定座(15)、第二销钉固定座(18)，其中第一定位销钉(3)、第二定位销钉(6)、第三定位销钉(7)、第六定位销钉(17)竖直固定在上述基座平台(4)上，在第二夹紧座(14)右侧的第一定位销钉(3)中心和第六定位销钉(17)中心连线与第二螺杆(11)中心和第三螺杆(12)中心连线成30°角，在第一夹紧座(8)的左侧的第二定位销钉(6)中心和第三定位销钉(7)中心连线与基座平台(4)的长轴线成30°角，第四定位销钉(10)、第五定位销钉(16)分别水平安装在第二销钉固定座(18)与第一销钉固定座(15)上，第一销钉固定座(15)与第二销钉固定座(18)平行固定在基座平台(4)的长轴线两侧； 所述的叶片榫头位姿信号监测装置包括第一法兰座(20)、第二法兰座(19)、第一电涡流位移传感器(21)、第二电涡流位移传感器(22)、第三电涡流位移传感器()23、第四电涡流位移传感器(24)、第五电涡流位移传感器(25)、第六电涡流位移传感器(26)，第一法兰座(20)与第二法兰座(19)固定在基座平台(4)上，第一法兰座(20)与第二夹紧座(14)平行且其长轴方向的中心距涡轮机叶片(5)的榫头端面不超过10mm，第二法兰座(19)在涡轮机叶片(5)的榫齿端面外侧并间距不超过20mm，第三电涡流位移传感器(23)与第六电涡流位移传感器(26)对称固定在第一法兰座(20)的正X方向上,第一电润流位移传感器(21)与第二电涡流位移传感器(22)固定在第一法兰座(20)的Z方向上，第五电涡流位移传感器(25)与第四电涡流位移传感器(24)固定在第二法兰座(19)的Y方向上。
2.根据权利要求I所述的一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具，其特征在于所述的定位销钉的底部设有凹孔(A)，凹孔(A)与压电陶瓷(C)头部的位移输出杆是相配合的，所有的压电陶瓷(C)均是安装在销钉固定座或基座平台(B)内部的，安装孔都是通孔以方便压电陶瓷的电源线接入，并且所有的通孔都设计有限位凸台以固定压电陶瓷(C)的位置。
3.根据权利要求I所述的一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具，其特征在于，位姿快速调节方法包括以下步骤 第一步，利用LABVIEW设计虚拟仪器记录榫头位姿监测装置中电涡流位移传感器所采集到涡轮机叶片(5)榫头位姿初始状态量Wa= (ffal, Wa2，Wa3，Wa4，Wa5，Wa6)，在对涡轮机叶片(5)夹紧后，记录其榫头位姿的稳定状态量Wb= (ffbl, ffb2, ffb3, Wb4, Wb5, Wb6),计算得到位姿状态变化量 Λ W = Wa-Wb ； 第二步，假定涡轮机叶片(5)在夹紧后的位姿要达到定位精度要求时需调节定位销钉的位移量为L= (L1, L2, L3, L4, L5, L6),采用神经网络算法建立叶片榫头位姿变化量与定位销钉理论位移调节量之间的函数关系L=f ( Aff)；第三步，设压电陶瓷(C)的电压调节值为U= (U1, U2, U3, U4, U5, U6)，根据压电陶瓷(C)的电压-位移参数数据，建立叶片榫头位姿变化量W、定位销钉理论位移调节量L与压电陶瓷电压调节量U三者之间的函数关系U=f(L，W)，并存入计算机中； 第四步，在每个涡轮机叶片(5)进行加工夹紧时，根据采集到的涡轮机叶片(5)的榫头位姿变化数据直接调入计算机数据库中得到应该调节的压电陶瓷(C)的电压值U，并对对应的压电陶瓷(C)所接电压进行调节即可·。
全文摘要
一种基于压电陶瓷的涡轮机叶片夹具与位姿快速调节方法，夹具采用六个销钉对涡轮机叶片的叶身曲面进行定位，用螺杆对叶片两端的端平面进行夹紧，定位销钉底部与压电陶瓷的位移输出杆相配合，位姿快速调节方法利用压电陶瓷位移输出杆长度随所接电压变化而变化的特性，在叶片夹紧后，根据电涡流位移传感器采集的叶片榫头在X、Y、Z方向上位姿变化的数据，调节压电陶瓷所接电压来改变定位销钉与叶片的相对位置，达到调节叶片位姿的目的，该方法提高了涡轮机叶片夹具的灵活性与叶片的定位精度，节约了叶片装夹时间，降低了生产成本，提高了经济效益。
文档编号B23Q3/00GK102873558SQ201210355478
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者王恪典, 刘志会, 郭华, 梅雪松, 杨鹏云, 解晓龙, 邹创 申请人:西安交通大学