一种钎身喉部线激光扫描测量-铣削一体化加工方法

本发明属于高精度机械加工技术领域，特别涉及钎身喉部线激光扫描测量-铣削一体化加工方法。

背景技术：

钎身喉部是液体火箭发动机的主要部件，其高质高效加工是保证火箭发动机性能的关键。钎身喉部由中段喷管和尾段喷管组成。中段喷管由喷管外壁和喷管内壁钎焊形成数百条流道槽；尾段喷管由喷管外壁和喷管内壁钎焊形成数百条流道槽；两侧流道槽对齐后将中段喷管和尾段喷管钎焊形成钎身喉部毛坯件；采用铣削工艺将封闭流道槽铣通，实现火箭液体燃料的流通。然而，喷管内外壁均为低刚度、复杂母线回转体，钎焊工艺后毛坯件壁厚分布不均匀，焊接过程导致误差较大；找正操作易导致连接处流道错位，影响燃料流动特性；加工过程中，毛坯件钎焊形成的应力释放，造成零件变形大，导致流道槽筋宽、槽深和剩余壁厚等尺寸保证难度大。目前，针对钎身喉部加工，国内大多按照原始设计尺寸进行常规普通铣削加工、人工反复修配的方式，尺寸精度以难保证。

测量加工一体化技术为实现钎身喉部的高质高效加工提供了有效手段。利用测量传感器对钎焊连接后的中段喷管和尾段喷管流道槽实际廓形进行扫描测量，对测量数据进行处理并生成加工轨迹，然后进行数字化加工。线激光传感器将一维激光线投射到物体表面，根据激光三角法得到激光线宽度和高度方向上的轮廓信息，具有数据量大、测量精度高等优点。然而，流道槽筋顶、槽底等边沿特征易导致线激光测量数据处理困难。另外，筋顶、槽底边沿处的加工毛刺，易导致测量数据出现噪点、尖峰等，影响加工质量。

2008年，cn200810229225.9中公开了一种液体火箭发动机喷管冷却通道加工方法，将火箭喷管立式安装，通过点激光传感器在机测量喷管外轮廓几何数据，根据采样数据集逐条重构喷管母线，压缩数据集后插值实际母线并计算铣削刀位，实现喷管数字化铣削加工，但是该发明中点激光传感器测量效率较低，且没有对边沿特征的数据处理能力。2017年，cn201711081397.1中公开了一种大型薄壁零件复杂曲面镜像加工方法，该发明利用线激光传感器在机测量薄壁零件轮廓，但是该薄壁零件表面光顺，没有流道槽筋顶、槽底等复杂边沿特征。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对钎身喉部加工过程易产生较大变形问题，发明了一种钎身喉部线激光扫描测量-铣削一体化加工方法。本发明提出的钎身喉部加工方法，可以实现在加工前对工件廓形进行扫描测量，为加工轨迹规划提供数据支持；对测量数据进行精简、去噪、边沿特征检测，获得流道槽筋顶、槽底等实际廓形；根据扫描测量结果对工件进行曲面重构，自动规划刀具轨迹进行数字化加工。

本发明的技术方案：

一种钎身喉部线激光扫描测量-铣削一体化加工方法，该方法首先将零件卧式安装，采用线激光传感器扫描零件流道槽轮廓，获取零件实际几何廓形；对线激光点云数据进行精简，并对流道槽筋顶、槽底等边缘特征进行识别；对钎身喉部几何特征进行重构，计算铣削刀位，采用立铣刀对零件进行铣削加工。钎身喉部线激光扫描测量-铣削一体化加工方法的具体步骤如下：

(1)零件卧式安装

首先将钎身喉部3安装到专用夹具2上。尾喷管底部d与定位盘c接触，旋转螺帽f使撑环e外撑，实现胀紧安装；专用夹具拉杆g通过三爪卡盘10加紧方式，连接到回转工作台11；专用夹具堵头b与顶针1连接，实现支撑；顶针1和回转工作台11通过底部螺纹连接与机床工作台面9固定；旋转摇杆a顶紧堵头b，完成钎身喉部3卧式安装。

(2)线激光扫描测量

通过四个螺钉将一级转接板7与机床z向主轴连接，旋紧螺钉固定一级转接板位置；将两自由度旋转台6安装到一级转接板7上，通过底部四个安装孔的螺纹连接实现固定；将二级转接板5安装到两自由度旋转台6上，通过四个螺钉拧紧；将线激光传感器安装到二级转接板上，通过三个螺栓连接实现固定；

传感器装夹完成后，将专用标定件12安装到机床工作台9上，底部通过螺纹连接固定；移动机床x向主轴、y向主轴及z向主轴，使刀具8触碰三个标定平面，测量标定平面在机床坐标系下的位置为：

aix+biy+ciz+di＝0(i＝1,2,3)(1)

线激光传感器4测量坐标(xs,ys,zs)与机床坐标(xm,ym,zm)之间关系为：

通过主轴带动线激光传感器4在最少两个位置对平面上的点进行测量，记录主轴平移量(x机床,y机床,z机床)和对应返回的测量值(xsi,0,zsi)。由于测量点位于式(1)所述平面上，结合式(2)可以整理得到：

(ar11+br21+cr31)xsi+(ar13+br23+cr33)zsi+(atx+bty+ctz)＝-(ax机床+by机床+cz机床+d)(3)

表示为拟合方程式形式：

yi＝k0+k1xsi+k2zsi(4)

其中，

采用三组平面，平面方程系数(a1,b1,c1)、(a2,b2,c2)和(a3,b3,c3)线性无关时，得到9个参数(r11,r21,r31,r13,r23,r33,tx,ty,tz)；

根据旋转矩阵的正交性：

令r1＝(r11,r12,r13)^t，r2＝(r21,r22,r23)^t，r3＝(r31,r32,r33)^t，对三组向量进行施密特正交化得到：

再进行单位化得到：

至此求解出所有的12个未知参数，线激光传感器测量坐标系相对于机床坐标系的三个偏角通过以下等式进行计算：

其中，atan2(x,y)为反正切函数。

通过两自由度旋转台6调整偏角，保证线激光传感器4垂直工件表面测量。调整机床主轴，使线激光传感器4对准钎身喉部3。数控系统驱动旋转工作台电机11旋转，驱动回转工作台10旋转对工件廓形进行扫描测量。

(3)测量数据预处理

将工件廓形扫描测量数据进行预处理，主要包括高频滤波、尖峰去噪和精简处理等。

①采用高斯滤波抑制高频波动。由于测量数据是离散数据，对一维零均值高斯权函数做离散化处理：

其中λc表示截止波长。λc越大，高斯滤波处理的频带越宽，处理后数据的平滑程度越好。a与线激光扫描数据在截止波长处的输出通过率有关，根据测量需求进行设置。

对线激光扫描测量数据进行高斯滤波，即将扫描测量数据与一维离散零均值高斯权函数进行卷积处理：

其中z'i表示高斯滤波后某测量点的数据，z(i+j)表示测量点原始数据sj为高斯权函数的离散表示，m为高斯权函数的宽度，δx为数据间隔，i＝{(m+1)/2,(m+1)/2+1,…,n-(m+1)/2}，n为数据个数。

②采用中值滤波抑制尖峰噪声。中值滤波表示为：

g(x)＝med{f(x-k)},k＝0,1,2(12)

其中f(x)为原始测量数据，g(x)为滤波后的数据，w为中值滤波区间的大小，一般取3。

③采用弦高差精简法对点云数据进行精简处理。

精简处理流程步骤如下：

1)读取扫描线数据，设定一个角度误差限δα和一个弦高误差限δd；其中δα根据反求精度选取，反求精度越高，取值越小。δd根据扫描线上相邻点间距离正态分布的均值μ值确定：

其中，δd为弦高误差限，δα为角度误差限，μ为扫描线相邻点距离正态分布的均值，na为精简前扫描线点云数量，nb为精简后扫描线点云数量；

2)在扫描线数据前三点构成的三角形p0p1p2内，计算线段p0p1与p0p2的夹角α和点p1到线段p0p2的弦高d；

3)比较夹角和弦高与角度误差限和弦高误差限的大小，若α＜δα且d＜δd，则去除p1点，且令p1＝p2，p2＝p3；否则保留p1，且令p0＝p1，p1＝p2，p2＝p3；

4)逐点处理直至点p3为空，完成所有数据点精简处理。

(4)边缘特征检测

利用步骤(3)中预处理得到的测量数据计算流道槽槽宽、槽深和筋宽。边缘特征检测步骤如下：

①给出待判断点p(x,y,z)和最小包围盒的半径r，计算待判断点与其周围点的距离：

对比ri和r，得到待判断点的k邻域点。

②根据最小二乘原理，对得到的邻域点集进行平面拟合，其拟合方程可以表示为矩阵形式mx＝0，其中：

采用特征向量估值法求解该矩阵方程，矩阵m^tm的最小特征值对应的特征向量即为方程的最小二乘解，从而可以得出拟合平面方程；

③将k邻域内的点投影到拟合平面，以待判断点的投影点为起始点，以邻域内其他点的投影点为终点，得到由k个向量组成的向量集合；

④取逆时针方向为正，计算相邻向量之间的夹角；根据传感器参数和流道槽形状确定合适的阈值，比较向量夹角与阈值的相对大小，当夹角大于阈值时，待判断点即为边缘点；

根据提取得到的流道槽上下两边缘点计算流道槽几何参数；通过最小二乘法拟合槽顶边缘点的直线方程，计算槽底边缘点到拟合直线的距离，取平均值即可得到单个槽的平均槽深；采用同样方法选取单个槽两顶端边缘点求取槽宽；选取筋顶两边缘点求取筋宽。

(5)目标曲面建模

目标曲面建模步骤如下：

①描述几何约束下加工目标曲面的空间位姿关系，定义可参考面s¹、再设计基准面s²及加工目标面s³；定义与机床或零件固联的惯性标架与s¹固联的参考标架与s²固联的再设计基准标架与s³固联的再设计目标曲面标架

利用活动标架理论和相伴曲面基本公式可推导出目标曲面s³在惯性标架下的矩阵形式：

其中，为参考标架矩阵，t1²＝(ai)1×3为再设计基准标架原点相对于参考标架的平移矩阵，为加工基准标架相对于参考标架的回转矩阵，为加工目标曲面标架相对于加工基准标架的平移矩阵；第1个标架的第i个标架轴，ai和bi分别表示沿标架轴和方向的平移分量，为的第j个标架轴在的第i个标架轴上的旋转分量。

对式(16)微分得到目标曲面s³的广义微分运动表达式：

其中，s为参考标架的无穷小平移矩阵，ω为参考标架的无穷小旋转矩阵；

②根据实测参考面、加工基准面与加工目标曲面的空间位姿关系，完成精加工目标曲面的再设计，加工目标曲面生成算法主要步骤描述如下：

1)用双三次b样条曲面重建零件的可参考表面s¹，并建立与该表面固联的参考标架族

其中p为控制点矩阵，p＝(pst)(n+1)×(m+1)(s＝0,...,n,t＝0,...,m)；n3(u¹)和n3(u²)分别为u¹和u²方向b样条基函数矩阵，由deboor-cox公式递推得到n3(u¹)＝(ni,3)1×(n+1)，n3(u²)＝(nj,3)1×(m+1)；u¹和u²分别为u¹和u²方向节点向量，利用规范向心参数化方法进行参数化处理，

2)设{eq}q＝1,2,3为空间任意标架，为静标架；由静标架经空间姿态变换得到为动标架；令动态标架矩阵静态标架矩阵；两个标架之间的姿态关系为：

其中r表示标架姿态关系矩阵。cφ和sφ分别表示cosφ和sinφ，cψ，sψ和依次类推。φ，ψ，分别为绕标架轴e1，e2和e3的rpy(roll-pitch-yaw)转角；根据单位正交矩阵e和e^*求解姿态矩阵r：

r＝e^*·e^t(20)

再设计基准面s²是参考面s¹的法向映射面，法向映射函数为目标曲面s³是基准面s²的法向映射面，法向映射函数为平移矩阵可表示为：

假设精加工目标曲面的面形随机误差相对于零件基本尺寸非常小，因此面形随机误差对相伴曲面上对应标架姿态关系的影响可被近似为高阶小量，使用曲面设计模型的标架姿态关系矩阵和估计实际曲面的标架姿态关系矩阵和根据可测参考面对应设计模型与加工基准面对应设计模型的空间姿态求解出位置的估计姿态矩阵并令同理，利用基准面与目标面对应设计模型的空间姿态求解出位置的估计姿态并令为在设计模型中的矩阵表示。

将预估带入式(15)计算得到加工目标曲面上的离散点集

(6)加工轨迹规划与数字化加工

根据加工目标曲面上的离散点集运用几何学原理，将测量数据转换到机床坐标系下。在机床坐标系下，基于测量数据，自动生成加工轨迹。整体基本加工路径共包括四个阶段：趋模、铣槽、离模以及返回参考点。根据加工轨迹驱动机床各轴移动，带动立铣刀8完成单条母线方向流道槽铣削，每次铣削结束通过回转工作台11驱动钎身喉部3分度到下一流道槽位置，转动角度2π/n，n为周向流道槽数量。回转工作台11旋转角度为360°时，实现整个钎身喉部的铣削加工。

本发明的有益效果是：钎身喉部采用卧式装夹，定位和夹紧快速准确可靠，操作简单、效率高，为钎身喉部廓形测量和流道槽铣削加工提供基础；线激光传感器扫描测量钎身喉部实际几何轮廓，测量稳定准确，测量效率高；使用标准标定块对线激光传感器进行标定，保证线激光传感器垂直工件表面测量，提高测量精度；结合高斯滤波、中值滤波技术对线激光传感器测量数据去噪，利用弦高差法对点云数据进行精简，提高数据处理效率；结合点云k邻域，拟合邻域平面方程并投影邻域点，基于方向向量分辨点云边缘点，实现高精度边缘检测，为流道槽加工提供数据支持；根据实际几何廓形自动实现曲面重构与刀具路径规划，算法简单，数据计算量小，加工效率高；本发明实现了测量加工一体化，不需要多次装夹，在一次装夹下完成零件外轮廓测量与流道槽铣削，可以满足多种尺寸钎身喉部的加工需求，加工适应性强，实现钎身喉部高精度铣削加工。

附图说明

图1是钎身喉部加工机构整体示意图。

图2是钎身喉部卧式装夹示意图。

图3是专用夹具示意图。

图4是线激光传感器安装示意图。

图5是标定件示意图。

图6是刀具轨迹规划示意图。

图中：1-顶针，2-专用夹具，3-钎身喉部，4-线激光传感器，5-二级转接板，6-两自由度旋转台，7-一级转接板，8-立铣刀，9-机床工作台，10-三爪卡盘，11-回转工作台，a-顶针摇杆，b-堵头，c-定位盘，d-尾喷管底部，e-撑环，f-螺帽，g-拉杆；h面、j面和k面法向量线性无关，线激光传感器标定过程测量点均在h面、j面以及k面上；a’→b’为趋模；b’→c’为铣槽；c’→d’为离模；d’→a’为返回参考点。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。加工某型号钎身喉部的表面流道槽：

(1)零件卧式安装。首先保证立铣刀8和线激光传感器4处于安全位置，防止在安装过程中与其发生干涉碰撞；如图1所示，将回转工作台11安装到机床工作台9上，保证回转轴与机床x轴平行；旋转专用夹具7上的螺帽f，使撑环e处于松弛状态，将钎身喉部3沿夹具轴向安装，使零件尾喷管底部d与定位盘c贴合，旋紧螺帽f使撑环e外撑，实现胀紧安装；采用百分表测量工装外圆回转基面的径向跳动，不断微调直至外圆回转基面的径向跳动≤0.1mm；将夹具拉杆g一侧通过三爪卡盘10连接到回转工作台11，将顶针1安装至机床工作台9上，安装保证顶针前端与夹具堵头b表面距离4-5mm，通过旋转顶针摇杆a使顶针前端与堵头b表面凹槽紧贴，完成钎身喉部3卧式装夹。

(2)线激光扫描测。将一级转接板7安装到主轴箱上，调整高度位置使转接板底部到主轴箱底部距离大约200mm，旋紧螺钉固定一级转接板7；将两自由度旋转台6安装到一级转接板7上，底部四个安装孔与转接板表面螺纹孔对齐，使用螺栓螺母拧紧安装；将二级转接板5安装到两自由度旋转台6上，通过螺钉将转接固定到旋转台面上；最后线激光传感器4通过侧面三个安装孔安装到二级转接板5上，调整两自由度旋转台6使线激光传感器激光平面与机床xoz平面大致平行.

将标定件12安装到机床工作台9上，通过移动机床主轴使用立铣刀8测量标定件h面、j面及k面在机床坐标系下的位置，将测量结果通过信号传输到上位机中为线激光传感器标定做准备；移动机床主轴带动线激光传感器4测量标定件h面并返回测量点云数据，再次移动机床主轴使激光线仍然在h面上并返回测量点云数据，记录两次测量时对应机床坐标；采用同样的操作，对标定件j面和k面进行测量，并记录对应机床坐标；测量过程结束之后，上位机对点云数据以及机床坐标进行处理，将线激光测量点云坐标转换到机床坐标系下并带入已知平面方程，通过最小二乘法拟合得到测量坐标系与机床坐标系之间的坐标变换矩阵，使用反三角函数计算线激光传感器4的安装偏角，最后调整两自由度旋转台11使线激光传感器4垂直工件表面测量，完成线激光传感器安装与标定。

(3)测量数据预处理。在上位机中对线激光传感器4的点云数据进行去噪与精简处理；以某一条激光线坐标数据为例说明本发明的数据处理过程。

①首先采用高斯滤波去除测量数据中的高频均匀波动；对一维零均值高斯权函数做离散化处理，为了保证数据平滑度取截止波长λc＝0.8mm，同时取参数a＝(ln2/π)^1/2＝0.4697，使线激光扫描数据在截止波长处的输出通过率达到将近50％；离散化处理之后将扫描测量数据与一维离散零均值高斯权函数进行卷积，完成高斯滤波；

②对高斯滤波后的测量数据进行中值滤波，抑制尖峰噪声；在扫描线数据中任取一点x，在以x为中心，滤波区间大小为2k+1的数据段中(区间为[x-k，x+k])，提取该数据段的中值，将中值赋予点x，完成中值滤波；

③采用弦高差精简法对点云数据进行精简处理；结合测量精度设置角度误差界δα＝25⁰，扫描线相邻点距离正态分布的均值μ＝0.0125mm，每条扫描线坐标点数量nb＝3200，预期简化后坐标点数量na＝850，计算得到弦高误差界δd＝0.0199mm；从扫描线上前三点开始计算角度α与弦高d，若α＜δα且d＜δd，则去除第二个数据点并将后续坐标点前移一位；若α≥δα或d≥δd，则所有数据点前移一位，重复计算角度与弦高直至第四个点为空点，完成所有坐标点的精简；

(4)边缘特征检测。在上位机中取坐标点，考虑测量点间距为0.0125mm，设置最小包围盒半径r＝0.05mm，将在包围区域内的点即k邻域点进行平面拟合，通过特征向量估值法求解平面方程系数；将k邻域内的点投影到拟合平面，以待判断点的投影点为起始点，以邻域内其他点的投影点为终点，得到由k个向量组成的向量集合；取逆时针方向为正，计算相邻向量之间的夹角；根据传感器参数和流道槽形状确定合适的阈值，比较向量夹角与阈值的相对大小，当夹角大于阈值时，待判断点即为边缘点；

通过最小二乘法拟合提取得到的流道槽顶边缘点的直线方程，计算槽低边缘点到拟合直线的距离，取平均值即可得到单个槽的平均槽深；通过最小二乘法拟合提取得到的流道槽低端一侧边缘点的直线方程，计算槽低另一侧边缘点到拟合直线的距离，取平均值即可得到单个槽的平均槽宽；通过最小二乘法拟合提取得到的流道槽顶端一侧边缘点的直线方程，计算槽顶另一侧边缘点到拟合直线的距离，取平均值即可得到单个筋的平均筋宽；

(5)目标曲面建模。利用活动标架理论和相伴曲面理论得到目标曲面在惯性标架下的矩阵形式，处理得到目标曲面在机床空间中的广义运动表达式；利用双三次b样条曲面重建零件可测参考面，建立参考标架族使用曲面设计模型的标架姿态关系矩阵和估计实际曲面的标架姿态关系矩阵和根据可测参考面对应设计模型与加工基准面对应设计模型的空间姿态求解出位置的估计姿态矩阵并令同理，利用基准面与目标面对应设计模型的空间姿态求解出位置的估计姿态并令最后利用预估计算得到加工目标曲面上的离散点集实现曲面的再设计。

(6)加工轨迹规划与数字化加工。将离散点集转换到机床坐标系下，从而在机床坐标系下自动生成加工轨迹；整体基本加工路径共包括四个阶段：a’→b’为趋模；b’→c’为铣槽；c’→d’为离模；d’→a’为返回参考点。通过机床主轴沿x轴移动移动立铣刀8完成单条母线方向流道槽铣削，每次铣削结束通过回转工作台11驱动钎身喉部3分度到下一流道槽位置，每次转动角度θ＝5⁰；回转工作台11旋转角度累计到360°时，实现整个钎身喉部的铣削加工。

本发明实现了测量加工一体化，不需要多次装夹，在一次装夹下完成零件轮廓扫描测量与流道槽铣削，可以满足多种尺寸钎身喉部的加工需求，加工适应性强，实现钎身喉部高精度铣削加工。