大尺寸重型燃機葉片三坐標測量方法

張瓊元，楊功顯，趙代銀，鄧涼虹

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽，618000）

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大尺寸重型燃機葉片三坐標測量方法

張瓊元，楊功顯，趙代銀，鄧涼虹

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽，618000）

由于重燃葉片尺寸大，且目前沒有明確的測量基準，文章在一般的6點找正方法的基礎上進行改進，增加了精建坐標系的過程。對兩種找正方法進行對比，結果表明，精建坐標系更接近葉片的理論坐標系，在精建坐標系下進行尺寸檢測，其測量的結果具有更高的可信度和可重復性。

重型燃機葉片，三坐標測量機，粗建坐標系，精建坐標系

0　引言

重型燃機由于其效率高、排放低等優點，已成為最具市場應用前景的第三代動力機械。渦輪葉片作為重型燃機的關鍵核心部件，其幾何形狀復雜，而且工作環境惡劣、轉速快，對精度要求極高。重燃葉片采用無余量整體精密鑄造的方法，在壓蠟、組模、澆注等工序中都存在一定的變形、收縮，為了有效地控制葉片制造的精度，生產出合格的產品，葉片的測量工作顯得十分重要。

葉片尺寸的檢測一直是葉片制造過程中面臨的難點之一。對于尚處于自主研發階段的重型燃機葉片，工藝不同，其變形和收縮量也不同，難以找到相對穩定的點、線、面作為測量基準，且由于其尺寸較大，綜合變形也較大，使得其測量工作難度更大。目前，國內常用的葉片測量方法有標準樣板法、白光三維掃描法、三坐標測量、工業CT［1］以及激光測量［2］等。其中，標準樣板法操作簡單，效率高，適用于批量生產現場，但是該方法主要依靠人工操作，測量誤差較大，而且只能定性判斷，不能定量地表示變形大小。白光三維掃描儀受光學及投影裝置的限制，只適用于測量尺寸較小、精度要求一般的板件。工業CT成本較高，對操作人員要求較高，難以在工廠廣泛使用。激光測量速度快，操作方便，但其掃描精度稍差，而且由于蠟模表面非常光滑，在掃描前通常需要在蠟模表面噴灑一層顯像劑，以便探測到蠟模表面，且在掃描結束后再將顯像劑用清水去除，在這一過程中，會引起蠟模新的變形。

三坐標測量具有精度高、測量方便、自動化程度高等優點，適合葉片等復雜自由曲面零件的精密測量。隨著計算機技術的發展，三坐標測量機的功能也越來越豐富，可以根據用戶的需要集成相應的專用測量軟件，針對不同的葉片編寫不同的測量程序，在測量時調用相應的程序即可，使得測量更加方便、快捷。近年來，國內外已普遍采用三坐標測量機對葉片進行檢測［3-5］。但對于大尺寸精鑄葉片的三坐標測量，目前國內還沒有有效、可靠的測量方法，為了保證自主研發的重燃葉片的尺寸精度，有必要對其測量方法進行研究、探索。

1　找正

找正是三坐標測量中最為重要的一步，所建立測量基準的準確性直接影響到測量結果的可靠性。由于重燃葉片正處于研發階段，其精鑄工藝在不斷調整、變化，為了研究精鑄過程從蠟模到鑄件的變形規律，在找正的過程中應考慮到精鑄工藝的影響，即找正的方法應保證測量的可重復性、可比較性。

某級重燃葉片的形狀如圖1所示，其總長約550 mm。對于葉根，在設計蠟模模具時已經考慮了加工余量的問題，而且由于不同的精鑄工藝，其平面度和表面精度不同，所以葉根大面不能作為找正的基準元素。對于葉頂，由于其尺寸很小，變形較大，而且精鑄工藝可能會造成葉頂出現夾砂、澆不足等現象，因此，葉頂也不能作為找正的基準元素。

圖1　某級重燃葉片示意圖

綜上，只能采用葉身和緣板作為找正的測量元素。但由于葉身和緣板都是自由曲面，且本身也存在一定的變形，為了提高測量基準坐標系的精度，需要進行2次找正：粗建坐標系和精建坐標系，具體步驟如下：

（1）在葉身進汽邊、出汽邊確定5點，在緣板上確定1點，根據這6點采用RPS迭代的方法粗建坐標系；

（2）在第一步建立好的坐標系下，在三維模型上選取2個截面型線，分別靠近葉頂和葉根，并在實物上進行測量；

（3）對測量的兩檔截面型線的實測值和理論值進行最佳擬合。根據最佳擬合時旋轉、偏移的方向和大小，對粗建的坐標系進行修正，精建坐標系。

由于正處于研發之中的重燃葉片目前還沒有明確的基準，在找正過程中，葉身和緣板上6個基準點的確定是一個難題。如果這6個基準點選取不當，會造成迭代過程出現不收斂的情況，導致粗建坐標系失敗。一般而言，在確定6點時需遵循一定的原則，即：1）3點確定坐標系的一個面，且3點的法向方向（即三坐標測針的回退方向）應盡可能與所確定的坐標系的面的法向方向一致；2）2點確定坐標系的一個軸，且2點的法向方向應盡可能與該軸的方向一致；3）最后1點確定原點位置，且該點的法向方向應盡可能與第三軸的方向一致。

2　測量

在精建坐標系之后，需要先提取待測截面型線的理論值，再利用葉片專用軟件進行測量，以便測量結束后對實測值和理論值進行分析、對比。試驗采用2種找正方法進行測量并對比，為了保證2次測量的可重復性、可對比性，在測量之前，先在待測葉片葉身上標記三檔截面型線，以使每次測量的截面相同。測量方法如下：

（1）采用一般的PRS 6點找正方法，不進行“精建坐標系”。找正后，將測針移動至待測的截面型線標記處，在測量軟件中觀察此時測球的三維坐標值，并根據此坐標值在葉片三維理論模型中提取該截面型線的理論值。然后進入葉片測量專用軟件，調出事先編寫的測量程序，開始葉片截面的測量。

（2）采用本文找正方法精建工件坐標系，之后測量過程同（1）。

在測量前固定葉片時，應盡量保證葉片三維模型的坐標軸方向與機器的坐標軸方向相同或者經過旋轉90°、180°后方向相同，這樣可以減少測量時的系統誤差。

3　分析

3.1不同找正方法對比

用2種方法分別測量后，由于在三坐標測量軟件中不能將2次的測量結果直接進行對比，需要保存測量數據并導入到三維軟件UG中進行分析。以靠近葉頂處的截面Z=420 mm為例，2種方法測量結果如圖2所示。

由于在測量前已經在相應的截面處做了標記，這樣可以保證使用不同的測量方法時所測量的截面相同。從圖2可以看到，對于2種不同的找正方法，提取得到的理論型線幾乎完全重合，這表明2種找正方法所建立的坐標系在葉身高度方向上的定位是一致的。相比于理論型線，2種方法的實測型線都順時針扭轉了一定的角度，說明葉片沿著Z向（高度方向）發生了一定的扭轉。對于進汽邊，2種方法的實測型線扭角基本相同；對于出汽邊，精建坐標系下的實測型線扭角較小，這主要是由于精建坐標系時對工件坐標系進行了修正，更貼合理論坐標系。其他2個截面的實測結果與截面1具有相同的變化規律。

圖2　不同找正方法下截面1理論值與實測值的對比

3.2精建坐標系方法的可重復性

采用精建坐標系的方法找正、測量某一截面，重復2次，對比2次測量結果。為了便于分析，將截面型線離散為150個點，并計算2次測量數據對應點的差值（距離），其結果如圖3所示。

圖3　2次測量數據點的差值

從圖3可以看到，葉盆、葉背離散點之間的差值很小，均在0～0.04 mm誤差范圍之內，而測量值與理論值之間的誤差一般在1 mm左右，重復測量誤差相比于測量值與理論值之間的誤差非常小，不超過4%。進汽邊、出汽邊處差值之所以較大，主要是由于葉盆、葉背區分不夠合理，導致測量時測頭脫離工件表面，測桿和工件接觸，使得測量得到的點并不是工件表面上的點。

3.3組模后蠟模的變形

葉片蠟模從模具中取出之后，先豎直放置一段時間，待其完全冷卻后，開始組模。在冷卻、組模的過程中，由于不均勻收縮、壓蠟時的應力釋放、組模工的操作等原因，都會使得蠟模產生一定的變形。本文采用精建坐標系的方法，測量了組模后蠟模葉身的一組截面，以截面Z=330 mm和Z=450 mm為例，其實測值與理論值的對比如圖4所示。

圖4　組模后蠟模葉身截面型線實測值與理論值的對比

圖4中，紅色表示增厚，綠色表示減薄。從圖中可以看到，2個截面均沿著Z向發生了一定程度的扭轉，即進汽邊向葉盆側扭轉，出汽邊向葉背側扭轉。由于蠟模冷卻時發生了收縮，所以葉背的扭轉量與葉盆的扭轉量并不相同。對于截面Z=330 mm，其扭角約為0.89°，最大正負偏差分別為1.499 mm、-1.331 mm；截面Z=450 mm的扭角約為0.37°，最大正負偏差分別為1.032 mm、-1.873 mm。由于組模后蠟模產生的變形，將會通過后續工序傳遞至葉片鑄件，所以在組模前后，一定要特別注意對蠟模尺寸及其變形的控制。

4　結論

（1）本文針對精鑄重燃葉片的特點，在尚沒有測量基準的條件下，對一般的RPS 6點找正方法進行改進，對比發現，采用本文找正方法能夠建立較為準確的工件坐標系，測量結果可靠性較高。

（2）采用本文找正方法，重復測量誤差小，可重復性好，該方法可以用于重燃葉片研發過程中葉片尺寸變形的測量。

（3）通過對蠟模葉身型線的測量，發現其橫截面一方面由于冷卻產生了收縮，另一方面沿著Z向發生了一定程度的扭轉，不同截面的扭轉量不同。

［1］程云勇，張定華，毛海鵬，等.一種基于工業CT的航空發動機渦輪葉片生產檢測系統關鍵技術研究［J］.制造技術與機床，2004，（1）：27-30.

［2］徐驊，張秋菊.針對葉片型面檢測的激光測量系統的規劃及相關研究［J］.汽輪機技術，2006，48（1）：76-80.

［3］藺小軍，單晨偉，王增強，等.航空發動機葉片型面三坐標測量機測量技術［J］.計算機集成制造系統，2012，18（1）：125-131.

［4］印玉明，李明，卓軍，等.基于三坐標測量機對渦輪葉片測量的研究與實踐［J］.現代機械，2004，（1）：63-64，71.

［5］Eun-Yong Heo，Dong-Won Kim，Jong-Yeong Lee，et.al. Computer-aided measurement plan for an impeller on a coordinate measurement machine with a rotating and tilting probe［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2008，6（24）：788-795.

Measurement of Large Heavy-duty Gas Turbine Blade by Using Coordinate Measuring Machine

Zhang Qiongyuan，Yang Gongxian，Zhao Daiyin，Deng Lianghong
（State Key Laboratory of Long-Life High Temperature Materials，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Since the size of the heavy-duty gas turbine blade is large and at present there is no specific measurement basis，a new measurement using CMM was proposed.The ordinary coordinate system using the method of six points is improved.Two methods are compared and it indicates that the refined coordinate system is much more close to the theory coordinate system.The measurement result with the refined coordinate system has higher credibility and repeatability.

heavy-duty gas turbine blade，CMM，rough coordinate，refined coordinate

TB92

A

1674-9987（2016）03-0046-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.011

張瓊元（1987-），男，碩士，畢業于清華大學材料科學與工程專業，現主要從事燃機葉片研發工作。