一種航空發動機整體葉盤葉型參數檢測的測量路徑規劃方案

樊金俠

（中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000）

0 引言

整體葉盤是把發動機轉子的葉片和輪盤設計成一個整體，采用整體加工或焊接（葉片和輪盤材料可以不同）方法制造而成。整體葉盤是現代航空發動機的一種新型結構部件，對于提高其性能具有重要作用。整體葉盤的葉片型面質量對發動機的氣動性能有著至關重要的影響[1]。整體葉盤葉型參數目前普遍采用三坐標測量機進行檢測，由于整體葉盤葉片數量多、葉片彎扭嚴重、葉片之間的氣流通道狹窄，檢測空間受限，葉型參數檢測難度較大[2]。一般情況下，1 個整體葉盤需要檢測多個葉片，1 個葉片需要檢測多個截面，檢測耗費時間久。那么如何規劃測量路徑，提升檢測效率成為了一個具有現實意義的問題。科學、合理的路徑規劃不僅可以高效獲取檢測數據，還可以為計算葉型各參數提供準確數據[3]。

1 測量基本原理及過程

三坐標測量機根據基準特征建立測量坐標系，基準特征一般包括基準面、基準孔等，通過測量軟件驅動測針在被測葉片截面處采集全截面數據點，葉片分析軟件根據采集的數據點依照一定的計算方法計算各葉型參數，如葉型輪廓度、積疊點位置度、弦長、弦線角、扭轉誤差、葉型厚度等。

圖1 整體葉盤示意圖Fig.1 Overall leaf chart

圖2 單截面分區分段示意圖Fig.2 A single-section partition segment ation diagram

值得指出的是，不同的商業軟件在計算各葉型參數時具有一定的差異性。首先，測量數據點與理論數據點擬合時使用的基層算法不同；其次，各葉型參數的計算方法也略有不同，并且同一個葉型參數提供了多種計算方法。在實際使用中，應根據具體的檢測技術要求選擇適用的、合理的計算方法。

2 測量路徑規劃

2.1 建議使用轉臺配合三坐標測量機進行測量

整體葉盤葉片葉型參數一般會抽檢多個葉片。葉片一般均勻分布，1 個葉片需要使用多個測針角度才能完成檢測，多個葉片需要使用的測針角度會成倍增加，而且不同角度之間會累積測量誤差。因此，建議使用轉臺，以定中心的基準找同心零件，測量第一個葉片后，旋轉360×（n-1）/N（N：被測整體葉盤葉片總數量；n：被測葉片相對于第一個葉片的順序號）后再測量下一片。需要說明的是，旋轉過轉臺后，需要重新以基準特征建立測量坐標系，避免轉臺引入測量誤差。

2.2 葉片測量路徑規劃

1）單截面分區分段

基于整體葉盤葉片結構特點，無法一次掃描一個完整截面，因此可考慮將完整截面分成若干段。通過大量檢測經驗的積累，發現將葉片檢測截面分為4 段是一個不錯的選擇，具體的分段方法如圖2 所示。基本上所有的整體葉盤葉片都可以完成全截面的數據采集，具有普遍適用性。（據了解，有些同行將葉片檢測截面分為3 段進行編程測量，可以完成葉片數據采集，但是對不同結構的整體葉盤普遍適用性相對較差，尤其是整體葉盤葉片十分彎扭、葉片之間檢測空間狹小時，很難3 段完成全截面數據采集，因此本文選擇了4 段。）

以圖2 所示葉片為例進行說明，葉片的單截面分為4段：LECC、CCTE、TECV 和CVLE，以字母點代替其名稱表示為LECC（ABC 段）、CCTE（CDE 段）、TECV（DEF段）、CVLE（FAB 段），其中，葉背上的F 點和葉盆上的C 點可根據實際情況左右移動，保障每一個掃描段1 個測針角度可完成所有截面的數據采集，且不影響測針順暢地運行即可。4 段掃描分別在前緣和后緣處存在交叉，因為海克斯康PC-DMIS 配備的葉片模塊有這一要求，其他公司的測量設備和軟件若無該要求可不交叉。

測針運行路徑（方向）為LECC 掃描段、CCTE 掃描段、TECV 掃描段、CVTE 掃描段，或反向亦可。

2）分區控制掃描速度

由于葉片前緣和后緣曲率變化較大，因而在前緣和后緣處測針的掃描速度應較低，從而保障測針在該區域采集數據點時不會脫離葉片表面或出現抖動情況。葉盆和葉背區域的曲率變化較小，相對較平緩，因此測針在葉盆和葉背上掃描速度可相對較快，從而提高檢測效率。

為了實現前緣后緣和葉盆葉背掃描速度的不同，可將葉型分為高速運行區域和低速運行區域，但與4 段分區不同，可通過引入掃描控制點來實現。

具體方法如下：以圖2 所示為例，在LECC 掃描段之前，編輯測量語句，使測量速度為低速；在掃描語句LECC中設置控制點B，經過控制點B 之后，掃描速度變為高速；在CCTE 掃描語句中添加控制點C，經過控制點C 之后，掃描速度變為低速。剩余的兩個掃描段同樣方法設置即可。

3）分區控制測點密度

由于葉片前緣和后緣曲率變化較大，所以在前緣和后緣處測點應較密，否則會出現折現、過度不平滑和失真等情況。葉盆和葉背區域的曲率變化較小，相對較平緩，因此測針在葉盆和葉背測點可相對稀疏，可減少測量時間和測量數據計算的時間。

圖3 測針運行路徑規劃示意圖Fig.3 Pin run path planning schematic

圖4 掃描段設置樣例Fig.4 Scan segment setting example

通過上述分析可發現，掃描速度的高低和測點密度稀疏的分布可相同，可與分區控制掃描速度的控制點合并使用，不需要重復設置控制點，從而避免了編程的復雜性。

具體方法如下：以圖2 所示為例，在LECC 掃描段之前，編輯測量語句，使測點密度為高密度；在掃描LECC 語句中設置控制點B，經過控制點B 之后，測點密度變為低密度；在CCTE 掃描語句中添加控制點C，經過控制點C 之后，測點密度變為高密度。剩余的兩個掃描段按照同樣方法設置即可。

4）安全運行

通過上述方法每一個單獨的掃描段均可以實現掃描采集數據，需規劃使所有測量掃描段連貫起來完成葉片所有截面的數據采集。可通過在每一個掃描段之間添加安全點或安全高度，保障測針安全、平滑運行。利用循環語句，測針將LECC 掃描段的所有截面測量完，再依次測量下一個掃描段。

一般整體葉盤的葉根處檢測空間最小，葉尖處檢測空間稍大，測針角度葉根可測，其余截面基本可測，因此建議測量其中一個掃描段時，可從葉根往葉尖依次測量[4]。

測針運行路徑規劃如圖3 所示。以LECC 段進行說明：測針首先在葉尖上方安全處運行到移動點1 處，再運行至2 處（若能保證不會碰到葉片，可以合并1 和2 為1 個移動點），測針按照掃描LECC 的設定進行掃描運行至葉盆中部位置后，測針移動到3 處，再運行至4 處，然后進行下一個截面的LECC 的掃描。當全部LECC 掃描結束后，測針運行至5 處（5 的高度在葉尖上方安全處），到達5 處可以旋轉測針角度以準備測量下一個掃描段，其他的掃描段按照此思路設計即可。

掃描段樣例參如圖4 所示。根據本文測量路徑規劃的方案，設計了圖4 所示的測量程序段，可供使用者借鑒。

3 結語

介紹了一種基于接觸式掃描測頭測量整體葉盤葉片葉型參數的測量路徑規劃的方案，該方案通過多年測量經驗總結而得，在實際檢測中多次使用，取得了較好的效果，且不同型號的整體葉盤皆可采用此方案，具有一定的通用性，同時減少了重復編程的難度和復雜性。該方案亦可推廣應用于非接觸式掃描測量中，具有廣泛的實際應用價值。