航空發(fā)動機整體葉盤原位自動測量技術分析

任麗芬 董哲 張露

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 遼寧沈陽 110043

1 測頭半徑二維補償誤差

傳統(tǒng)三坐標葉型曲線掃描測量是一種二維未知曲線掃描測量，其原理為先將掃描測頭中心放置在給定的測量截面上，測頭沿著設定的起始點、前進方向點、終止點運行軌跡，在規(guī)定的截面貼著葉片型面完成數(shù)據(jù)采集并獲得一組測頭中心坐標值，軟件能夠鎖定掃描截面的高度，同時將測點矢量方向i，j，k 的k 分量設為0，以固定的Z 值輸出測點。

2 五軸聯(lián)動測量整體葉盤葉型方法

五軸聯(lián)動測量技術的優(yōu)點是采用a、b 角無級分度的五軸測頭將被測點的空間位移轉化為a、b 角，通過最小化測頭運動時由于結構重量引起的動態(tài)誤差，可以快速跟蹤工件幾何形狀的變化，顯著提高了掃描速度，便于復雜零件的測量，特別適用于葉盤型面的測量。采用基于測量點云模型的三維矢量補償技術，提高了測量精度。

2.1 測頭校準

該系統(tǒng)的五軸聯(lián)動函數(shù)不需要校準多個探針角度，而是通過一套集成的探針標定程序進行全方位的插值標定。整個葉盤的葉片只需掃描一根針即可測量，不需更換針頭[1]。

2.2 葉盤裝夾方式

葉片盤平放在工作臺面上，葉片盤的軸線與測量機的 z 軸線平行，葉片盤由夾具支撐，使葉片下緣與工作臺面之間留有至少150mm 的空間，并留有葉片盤的定位基準。

2.3 基準建立

葉片盤在測量臺上就位后，必須首先對位置進行校正。基準面通常是圓盤的中心孔和上下端面，用來約束 x、 y、 z 零點位置和 x、 y 方向，z 方向通過圓盤上的定位孔或葉片的最佳配合來限制。

2.4 測量

在測量軟件中引入葉片的五軸掃描測量路徑，并選擇相應的棒狀探針進行測量。輸入適當?shù)膮?shù)，如掃描范圍、安全平面、測量速度等。在計算五軸掃描路徑時，應考慮所選葉片與相鄰葉片之間的距離和探針的干涉，并實時調整探針的角度。完成五軸掃描路徑規(guī)劃后，對測量軌跡進行仿真，檢查運行狀態(tài)后，將所有掃描路徑導出并保存到相應的dmis 語句中[2]。雷沃探測器是無級分度。在掃描一個葉片后，根據(jù)盤片的尺寸和旋轉的部分坐標系，下一個葉片可以以同樣的方式測量。在程序中設置相應的變量，可以對全部葉片進行簡單快速的掃描測量。

2.5 葉片參數(shù)評價

以特征截面為基礎對葉型參數(shù)進行評價，這是一個特殊的葉型評價模塊，如弦長、最大厚度、進排氣邊半徑、輪廓度、位置度、進排氣邊厚度等。

3 基于實測點云模型的三維矢量補償技術

為了消除自由曲面測量中的余弦誤差，五軸測量系統(tǒng)采用了完全不同的曲面數(shù)據(jù)處理方法。該方法基于葉片型面大數(shù)據(jù)點云模型的快速獲取。在采樣過程中，直接記錄球心的原始坐標，不對探針半徑進行二維補償。基于點云數(shù)據(jù)，在軟件背景下構造無補償自由曲面。

然后，軟件“縮進”自由曲面的基礎上，每個測量點的法線方向的測量三維自由曲面（加厚表面）。縮進是測量球體的半徑。最后，根據(jù)葉片設計圖對截面高度的要求，得到了葉片的截面輪廓，并進行了相應的分析[3]。

三維矢量補償技術可以從理論上消除余弦誤差產(chǎn)生的原因，提高葉型測量的精度。由于這種補償方法的優(yōu)點，消除了余弦誤差，測量的葉片輪廓，尤其是邊緣形狀，更加平滑和真實地反映了葉片的實際輪廓。根據(jù)實測剖面，三維矢量補償剖面與二維補償剖面的最大偏差為0．086mm。通過消除測量機的精度，驗證了三維補償算法的可靠性和準確性，符合預期的理論偏差。

4 五軸聯(lián)動測量整體葉盤葉型測量效率分析

五軸測量技術不僅提高了整體葉盤復雜葉型的測量精度，而且大大提高了葉型的測量速度，通過最小化加速度減小了機器結構的慣性負荷，從而徹底解決了動態(tài)性能變化的問題，在不降低精度的前提下提高了效率。五軸聯(lián)動機構可以掃描速度高達500mm/s，每秒可處理4000 個數(shù)據(jù)點，還可以使測量機與測量基座軸同步無障礙移動，從而保證測量機結構可以最小化動態(tài)偏移，獲得最佳測量性能[4]。

隨著測量速度的大幅度提高，測量效率也顯著提高。如五軸高速測量速度為300mm/s，測量時間為10．25h，單片測量效率提高了70%，詳見表1。

表1 五軸聯(lián)動測量速度及效率

5 結語

隨著航空發(fā)動機整體葉盤設計的發(fā)展，整體葉盤結構越來越復雜，葉片展開方向角也是可變的。傳統(tǒng)的二維測量不能滿足檢測要求，在葉片表面接觸三坐標測量中，三維探針補償算法將取代傳統(tǒng)的二維補償算法，五軸測量技術是一種典型的三維補償掃描技術，可以從算法層面上消除余弦誤差[5]。當然，五軸測量技術的應用也需要不斷的研究，尤其是掃描參數(shù)的合理選擇，如采樣密度、掃描速度等。另外，非接觸式光學測量不需要直接進行半徑補償就可以得到測量結果，一些點掃描技術已經(jīng)在單葉片測量中得到了很好的應用，相信基于高速光柵投影技術的高精度光學測量機將是未來的發(fā)展趨勢。