航空葉片加工過程在線檢測方法研究

王 剛，陳細濤，毛金城，李文龍

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢430074）

航空葉片加工過程在線檢測方法研究

王 剛，陳細濤，毛金城，李文龍

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢430074）

航空葉片零件是航空發動機的核心零部件之一，葉片為彎扭曲自由曲面結構、材料難加工、剛性差，加工精度難以保證，如何實現航空葉片的高效、高精度檢測是制約在線檢測技術應用的難點之一。根據航空葉片自由曲面特征，提出了基于曲率的葉片曲面測點自適應分布方法，通過構造雙三次B樣條曲面計算測點處葉片曲面的法向矢量，并基于曲面法矢對在線檢測路徑進行了優化，最終通過某型號航空葉片在線檢測試驗驗證所提方法的可行性和有效性。

航空葉片；在線檢測；曲率；B樣條

葉片類零件是航空發動機的核心零部件之一，其制造精度對整機的服役性能和使用壽命有至關重要的影響。葉片零件加工和檢測難度較大，主要體現在：

（1）材料難加工，葉片為薄壁懸臂結構，剛性差，易產生切削振動和變形，加工精度難以保證；

（2）葉片為彎扭曲曲面結構，前后緣處曲率變化大，測量時曲面特征信息易丟失。

現有方法大多采用三坐標、激光掃描儀、柔性關節臂等離線測量方式，需要將工件從加工機床搬運至檢測車間，大大增加了時間成本和人力、物力成本，此外，二次裝夾會引入重定位誤差，導致檢測結果可信度降低，加大了工件報廢的可能性，解決這些問題的有效途徑之一是采用在線檢測技術。

在線檢測技術即在工件裝夾定位不發生改變的情況下通過數控機床上集成的測頭對工件進行原位檢測。目前在線檢測技術已成為先進制造領域的研究前沿之一，盧萬崎等[1]研究了航空葉片等高測量法，用于葉片截面線擬合和葉型重構，其中原位檢測技術可避免二次裝夾定位和對刀引起的重定位誤差和葉片變形，從而控制超差和產品報廢率。Mears[2]等綜述了機床集成測頭在數控加工的發展前景，著重指出原位檢測技術在產品質量快速評估、生產周期控制、自適應加工方面的應用價值。文獻[3-6]研究了復雜零件原位檢測系統的誤差分離與補償方法，力圖解決機床幾何誤差、測頭半徑誤差、工件加工變形等對加工精度的影響。Huang等[7]采用原位檢測技術研究了葉輪曲面測點與設計包絡面的輪廓誤差，用于側銑加工過程讓刀變和誤差補償，實驗中加工精度提升70%左右。Liu等[8]對大型火箭發動機噴管加工過程工件輪廓進行原位測量，并對當前加工狀態下的曲面模型進行再設計，用于后續余量修正與補償加工，可將加工精度控制在±0.1 mm范圍內。

本文根據航空葉片零件特征，提出了基于曲率的葉片曲面測點自適應分布方法，通過構造雙三次B樣條曲面重構設計模型，計算測點處葉片曲面的法向矢量，并基于曲面法矢對在線檢測路徑進行了優化，最終通過某型號航空葉片在線檢測試驗進行驗證。

1 基于曲率的測點自適應分布方法

葉片為自由曲面零件，曲率不斷變化，特別是前后緣區域與葉盆、葉背區域曲率相差很大，曲率變化大的區域需要更多測點來進行描述，因此為保證測量時曲面特征信息獲取的完整性，一般高曲率變化區域需分布較多測點，低曲率變化區域則需要分布較少的測點。對于葉片類零件，若采用均勻采樣的方式規劃測點，測量效率和曲面特征信息獲取的完整性二者難以同時兼顧。因此本文針對葉片類零件特征，提出基于曲率的測點自適應分布方法，首先在葉片截面線上均云分布采樣點，然后根據經驗擬定自適應刪減后的采樣點數目，再利用基于曲率的直線夾角法將采樣點刪減到目標數目，最終實現測點的自適應分布。

采用一系列與葉頂平面相平行的平面去截取葉片型面，在截得的曲線上均布n個點，如圖1所示。取相鄰三點 pi-1、pi、pi+1，其中 pi-1和 pi連 成直線pi-1pi，斜率為：

pi和 pi+1連成直線 pipi+1，斜率為

兩直線的夾角為

pi+1與pi+2連成直線pi+1pi+2，與直線pipi+1的夾角為θi+1，如圖2所示，θi越大表示曲率越大。

圖1 截面線法

圖2 直線夾角法

上述過程中δ的值的可根據自適應刪減后需要保留的測點數量m來計算。首先計算所有相鄰測點相連后的直線斜率k（i），然后依次計算出相鄰直線的夾角θi差的絕對值，其中最小值為w1，最大值為w2，則δ的初值可定義為.按照上述思路，可通過以下步驟確定最終的δ值：

（1）如果經過采樣后保留測點數目n＞m，則w2，利用上述方法繼續進行采樣，直至k=m；

（2）如果經過采樣后保留測點數目n＞m，則w1，利用上述方法繼續進行采樣，直至k=m.

直線夾角法程序流程如圖3所示。

圖3 直線夾角法流程圖

2 基于法矢的測量路徑規劃

如圖4所示，在對曲面上一點P′進行測量時，測頭探針紅寶石球半徑為r，若測頭沿Z軸負方向去碰觸被測點P′，則系統輸出點P坐標值，此時測頭的實際接觸點P″，這就會造成測量誤差△Z＝OP′-r=r/cosα -r=r× （1/cosα -1）.當 α =0時，△Z ＝0，此時測頭和曲面的接觸點和實際被測點重合，即不存在測頭半徑補償誤差。圖中α表示測頭接近方向與曲面法矢的夾角，如果要求每個測點α=0，即要求測頭的接近方向與待測點法矢均保持一致。在工件設計模型已知的情況下，可以通過設計模型曲面求解該點的法矢。雖然設計模型曲面法矢量與實際工件曲面上測點的法矢存在一定偏差，但對于葉片類加工精度較高的曲面零件測量，該偏差可忽略不計。

圖4 測頭半徑補償誤差示意圖

在葉片模型自由曲面設計時通常采用Bezier曲面、B樣條曲面、NURBS曲面等。其中B樣條曲面應用最為廣泛，在航空、汽車、核電等領域曲面零件的設計均采用B樣條曲面，在工業領域，B樣條曲面也成為制定國際標準的幾何理論依據和基準。在實際應用中，由于高次樣條曲面表達形式繁復，計算量大，一般采用三次B樣條曲線、曲面。設計模型中三次B樣條曲線曲面上的點的法矢可直接計算求解。

2.1 三次B樣條曲線

三次B樣條曲線表達式為：

式中 Vi、Vi+1、Vi+2、Vi+3為特征多邊形的頂點，t為參數，t∈[0，1]，i=1，2，…，n-2，f1（t）、f2（t）、f3（t）、f4（t）為B樣條基函數，其中（-3t3+3t2+3t+1）、f4（t）.將上述基函數在參數軸 t∈[0，1]上連接，就形成一條三次均勻B樣條曲線。同時要求B樣條曲線在節點xi+1、xi+2、xi+3處函數值、一階導數以及二階導數均連續，并且在兩端節點xi、xi+4處與參數軸相切。B樣條曲線的一階導數是：

由此可得首末兩端點矢量

二階導數為

由此可得到首、末端點矢量：

由三次B樣條曲線方程可求得：

端點條件v0=v1，vn+1=vn，假設q（i1）＝p（i1），，由此可得到特征多邊形頂點與型值點的關系表達式：

通過對該方程的求解即可求取各個樣條曲線控制點的坐標值。

對于平面曲線，用三次B樣條曲線插值法來對測量結果進行測頭半徑補償，將采集到的測頭球心坐標點集分量代入上式，求出測頭中心點對曲線的切向分量（），由此得到法矢量方向。

2.2 雙三次B樣條曲面

雙三次B樣條曲面和三次B樣條曲線不同，雙三次B樣條曲面包含16個頂點的特征網格，設網格的控制點為Vij，若在網格的V行中構造W方向上的曲線，得到四條三次B樣條曲線Qi（w）:Qi（w）是控制點Vij對應的B樣條基函數。當w在[0，1]內取值w1時，分別在Q1（w）、Q2（w）、Q3（w）、Q4（w）上取值q1、q2、q3、q4.再以q1、q2、q3、q4對應的四點作為特征多邊形的控制點，構造u向的 B 樣條曲線 P（u，w）：P（u，則P（u，w1）就是該雙三次B樣條曲面上的一條曲線。當u和w遍歷[0，1]時，就形成了一張雙三次B樣條曲面。根據上述雙三次B樣條曲面生成過程，雙三次B樣條曲面的表達式為：

式中 U=[u3u2u 1]，W=[w3w2w 1]，

采用雙三次B樣條對曲面進行插值，設Vij（i=0，1，2，···，n+1；j=0，1，2，···，m+1）為雙三次 B樣條曲面的（n+2）×（m+2）個控制點，則曲面可表示為：

只要采樣點的數目足夠，曲面→S*就能夠無限精確的逼近測球球心軌跡的包絡面，進而使得曲面→S*上的點Qij處的法矢與被測曲面上對應測點處的法矢量趨于共線。綜上所述，用三次B樣條插值被測曲面，用軌跡曲面→S*在待測點Qij處的單位法矢量（ui，v）j代替被測曲面→S*在對應測點pij處的法矢量：

3 航空葉片在線檢測實驗

原位檢測實驗在Mikron UCP800五軸加工中心進行，配備Renishaw OMP40測頭（單點精度0.001 mm，紅寶石球直徑6 mm，探針長度100 mm），搭載Heidenhain iTNC530數控系統（軸角度-100°～+120°，軸360°旋轉）。用UG編寫數控加工程序，并在Vericut軟件中進行加工仿真，完成某型號航空葉片的五軸數控加工，如圖5所示。

圖5 葉片加工

將上述規劃的測點及法矢數據導入PowerInspect軟件，同時導入Mikron UCP800五軸加工中心模型及葉片三維模型，利用軟件規劃檢測路徑，并對檢測路徑進行干涉碰撞仿真檢驗，如圖6所示。利用軟件對無干涉的在線檢測路徑進行后置處理，生成在線檢測NC程序。工件加工完成后無需拆卸，將刀具替換為OMP40測頭，將在線檢測NC程序導入數控系統，對工件進行在線檢測，如圖7所示。

（續下圖）

（續上圖）

圖7 測量現場

測量的結果以后綴為.MSR格式保存在數控系統中，將其拷貝到PowerINSPECT軟件中，生成可視化報告。圖8測量報告中，（a）是測量點數據與原模型比較得到的偏差，（b）是該截面曲線上測點的誤差分布趨勢和統計信息，包含平均偏差、最大正偏差、最大負偏差等。

圖8 測量報告

4 結論

（1）根據航空葉片自由曲面特征，提出基于曲率的測點自適應分布方法，首先均布采樣點，通過經驗確定最終采樣點數量，再通過直線夾角法篩減測點到目標數量，從而實現采樣點的自適應分布，在提高測量效率的同時保證曲面特征信息獲取的完整性。

（2）提出基于法矢的測量路徑規劃方法，采用雙三次B樣條曲面重構設計模型，并計算雙三次B樣條曲面上測點對應位置點的法矢，作為在線檢測測頭的逼近方向，避免測頭半徑補償誤差。

（3）將得到的測點及法矢數據導入PowerInspect軟件進行在線檢測路徑規劃及碰撞干涉仿真，生成在機測量NC程序，利用Mikron五軸加工中心完成某型號航空葉輪的在線檢測試驗，驗證所提方法的有效性。

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Study on Online Inspection of Aeronautical Blade Processing

WANG Gang，CHEN Xi-tao，MAO Jin-cheng，LI Wen-long
（School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China）

Aeronautical blades are one of the core components of the aircraft engine.The machining accuracy of blades is difficult to guarantee，due to their high-bending free form surface，difficult-to-machine material and weak rigidity.How to realize the high efficiency and high accuracy inspection of aeronautical blades is one of the difficult points to restrict the application of online inspection technology.According to the free surface characteristics of blades，this paper purposed a curvature based adaptive distribution method of measure points on the blade surface.Calculate the normal vector of the blade surface at the measuring point through construct a double cubic B-spline surface.And optimize the inspection path based on the normal vectors.The test experiments demonstrate the feasibility and validity of the proposed method.

aeronautical blades；online inspection；curvature；B-spline surface

V232.4

A

1672-545X（2017）09-0001-06

2017-06-12

國家973研究計劃（2015CB057304）；國家自然科學基金資助項目（51535004，91648111）；武漢市應用基礎研究計劃（2017010201010139）

王 剛（1992-），男，山東聊城人，博士研究生，主要研究方向為曲面原位檢測與補償加工；陳細濤（1987-），男，湖北咸寧人，工學碩士，主要研究方向為曲面原位檢測與點云數據處理；毛金城（1982-），男，湖北荊門人，工學博士，博士后，主要研究方向為工業檢測與機器人操作；李文龍（1980-），男，山東青島人，工學博士，副教授，主要研究方向為航空葉片檢測、機器人操作。