以光學掃描為基礎的航空發動機葉片部件檢測技術

呂依儒

（中國航發西安航空發動機有限公司，陜西 西安710021）

我國航空行業在發展的過程中，葉片是該領域中較為重要的零件，尺寸跨度大、數量相對較多，并且性能、葉片尺寸與形狀制作精度有較大的影響。此外，葉片型面在設計的過程中主要是以流體力學原理為基礎，直接決定了發動機能量轉換效率。隨著科學技術不斷發展，應當提升葉片精確度與完整性，這就需要采取有效措施制造符合要求的葉片。葉片截面測量技術在航空發動機葉片制作的過程中有較為廣泛的應用，其應用效果較為顯著，可有效彌補接觸式測量方法與設備限制，以此為我國航空事業的發展奠定良好的基礎。

1 葉片的型面結構與測試要求

航空發動機在工作的過程中，葉片在其中扮演著較為重要的角色，在此過程中發動機工作特點與功能界定了葉片是最為復雜的零件。隨著發動機技術的不斷發展，葉片型面結構也逐漸復雜，在此期間呈現出葉弦變寬、扭曲彎度變大等變化趨勢，這在較大程度上極易導致在葉片測量其中存在不同問題。葉片構成一般情況下有緣板與葉身，其中葉身在葉片中較為重要，主要有進氣邊、排氣邊等構成，如果葉片處于工作狀態的情況下，氣流葉片邊緣部分是進氣邊；葉盆是葉身的壓力面，是沿排氣邊到進氣邊葉身凹進的一面。

葉片的截面有不同的差異性，一般情況下是有不同曲線組成，檢測難度相對比較大。目前，在對葉片進行測量的過程中，主要是在葉片截面特點參數的基礎上進行有效的判斷，以此能夠有效提升檢測期間的準確性，在此過程中測量設備需要滿足幾下集中需求。首先，測量精度高。由于葉背與葉盆等曲率半徑相對較大，需要確保一定的測量精度，一般情況下測量精度應當在0.02-0.08mm；如果進氣邊與排氣邊曲率半徑相對較小，其測量精度也相對較高，特別是輪廓與形狀需要較高的測量精度[1]。其次，測量速度快，在航空發動機中由于葉片數量與種類相對比較多，需要提升測量速度，以此滿足葉片檢測需求。再次，在對葉片進行測量的過程中，需要采取有效措施避免葉片出現劃傷與變形，確保葉片工作性能與安全性。最后，實施葉片設計、加工以及檢測等過程的一體化。

2 光學掃描測量系統

在對葉片截面進行掃描的過程中，主要使用非接觸式光學掃描測量系統，在對葉片的掃描過程中會得到尺寸信息與幾何形狀，同時會得到較多點云數據，這也需要利用激光掃描測頭獲得數據，能夠形成三維空間點，有表達葉身采樣結果。此外，在對點云數據實施分析的過程中，需要在專業軟件的基礎上，以CAD 模型為參照完成相關分析工作，最后還應對其實施有效的評價[2]。

葉片測量期間，形面參數對測量準確性尤為重要，一般情況下采用等截面方法。此種方法應用較為頻繁，同時可滿足圖紙對控制截面線輪廓度的要求。此種方法一般情況下是把測量軌跡控制在葉片的一個截平面中，在此過程中較為重要的是坐標系的有效構建，再將截面線數據點云與理論截面線實施有效的對比，從而評定截面線輪廓度誤差情況，這就需要將界面數據坐標與坐標系兩者相符。

2.1 系統平臺。系統平臺在運行的過程中，主要使用了工藝技術，并且對相關結構進行了有效的設計，同時工作空間在此基礎上具有較高的操作性。此外，花崗巖是工作臺中較為重要的材料，根據此種材料熱穩定性特點進行針對性應用。由于直線運動軸中采用了氣浮導軌，離不開檢測系統的使用，一般情況下需要使用國外先進的檢測系統，這在較大程度上能夠提升運動期間的精確性與平穩性。為了確保測量系統運行過程中的靈活性，采用了國外側頭座，以此在掃描測量系統中有較好的應用效果。PH10M 是一種測頭附件，有兩個回轉軸，在此過程中能夠通過步距角進行轉位，所以能夠達到720 個轉角位置，以此滿足激光掃描測頭空間位置調整需求。

2.2 激光掃描測頭。從光學測頭角度進行分析，選擇了一種新型激光掃描測頭WIZprobe，以此完成相關采集任務，在此過程中能夠對數據實施精度跟高的掃描與采集工作。由于WIZprobe測頭體積小，同時接口中還有磁頭，具有較高的兼容性，在使用中可確保PH10M 側頭座良好運行，能夠使接觸式測頭與三坐標測量機實施融合，可為工業生產線質量的全面提高[3-4]。

WIZprobe 測頭在激光三角法測量原理的基礎上，內部光路是通過超環面透鏡實施多個三角法測量，在此過程中將此種技術與圖像處理相融合，這對提高探測技術尤為重要，能夠確保WIZprobe 測頭自身的精確度，以此為適應性的提升奠定良好的基礎。WIZprobe 測頭能夠通過自適應控制技術，調整與校準WIZprobe 測頭激光功率，以此在測量的過程中根據實際情況完成校準工作，以此降低測量精度受顏色、材質以及加工形式的影響。

3 試驗驗證

為了對掃描測量系統中葉片測量實用性與有效性進行有效的驗證，以我國某型發動機為例進行分析，由于風扇葉片需要進行全面的測量，在進行測量之前，需要選擇不同截面，同時在掃描測量系統的基礎上對不同截面輪廓參數實施有效的掃描測量。此風扇葉片尺寸大，同時形狀相對較為復雜。

在進行測量之前，應當對光學掃描測量系統實施校準與檢定，能夠對系統各個功能是否正常進行全面確定，并且在此基礎上確定是否達到規定的精度水平。本位檢定器具主要采用標準球桿規，一般情況下有鎢合金標準球與球桿構成，其中不同球尺寸與相鄰標準球間距下進行計量，能夠滿足校準與精度鑒定要求。在球桿規中，不同標準球的直徑是20mm，同時球心間距是70mm，以此構成了計量標準的器具[5]。通過進行精度檢定與校準，此系統中能夠滿足綜合測量誤差要求，同時重復性精度也達到了標準要求，以此可使葉片測量順利進行。在進行測量期間，需要根據工裝夾具把風扇葉片在光學掃描測量系統工作臺中進行有效的固定。

4 葉片表面缺陷的檢測

利用基于激光條紋相位投影技術和DSP 高速圖像處理芯片研制的便攜式三維光學表面劃痕測量儀對航空發動機葉片表面劃痕缺陷磨損量檢測及分析。

葉片表面劃傷有時較淺，無法用肉眼或樣膏檢測的方式進行判定是否符合標準。此時，可以利用三維影像抓取技術，之后利用專業的劃痕測量分析軟件，通過拓撲色差圖直觀解析出劃痕缺陷最深的部位，根據葉片曲面上的劃痕曲率大小，選擇多項式濾波階數，將被測面曲面展成平面將宏觀輪廓對缺陷深度的影響消除。再通過高速濾波，將表面的灰塵，亮點等外界干擾因素濾除。最終，對其表面缺陷、階差等表面幾何特性參數進行解析及判定。

綜上所述，在航空發動機部件制造的過程中應用先進的檢測技術，以葉片為例，其逐漸向大尺寸以及復合彎掠方向發展，這在較大程度上使型面測量任務提出更高的要求。此外，在進行型面零件掃描測量的過程中，非接觸式光學掃描測量系統及劃痕測量分析系統的應用尤為重要，能夠完成相關檢測工作，在葉片質量評價中有較為廣泛的應用。