基于激光測距原理的葉片氣膜孔檢測技術(shù)探討

李其 馬毅力 張麗

中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司 陜西 西安 710021

引言

航空發(fā)動機(jī)發(fā)展中，提高渦輪前溫度一直是改進(jìn)發(fā)動機(jī)性能的重要途徑，然而，受金屬材料耐熱性能的制約，該溫度卻不能無限提高，隨著渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展，才允許該溫度有較高數(shù)值，從而使發(fā)動機(jī)性能得到提高。為了不斷提高發(fā)動機(jī)性能，設(shè)計(jì)者對冷卻效果的追求從未停止，隨著機(jī)械制造與模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提升，對氣膜孔的排列、孔徑、方向等提出了更高的要求，因此，準(zhǔn)確檢測成為冷卻效果提升的基礎(chǔ)要求。

1 發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)對渦輪葉片冷卻的要求

發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)者一直在孜孜追求優(yōu)越的發(fā)動機(jī)性能，在材料未獲得突破的前提下，航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片上加工氣膜冷卻孔，可降低葉片表面溫度（約400～500℃），從而提升渦輪葉片的溫度裕度，使提高渦輪前溫度來獲得較大的推重比得以實(shí)現(xiàn)。航空發(fā)動機(jī)葉片氣膜孔直徑和坐標(biāo)位置尺寸是保持葉片在高溫高速狀態(tài)下機(jī)械性能的重要參數(shù)，是發(fā)動機(jī)故障點(diǎn)之一，已引起業(yè)界專家和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注。在加工冷卻氣膜孔的葉片中，高壓渦輪葉片是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、氣膜孔角度最多、最具有代表性的葉片。為了提高葉片的承溫能力，有的葉片除葉身上設(shè)計(jì)了氣膜孔之外，在緣板上也設(shè)計(jì)了形狀和角度不同的氣膜孔。實(shí)踐證明：葉片的冷卻效果與葉身曲面氣膜孔的數(shù)量、直徑和實(shí)際空間角度有著極其重要的關(guān)系[1]。

文獻(xiàn)顯示，渦輪進(jìn)口溫度每年平均提高約22K，在渦輪進(jìn)口溫度的提升發(fā)展中，材料的改善僅占40%，渦輪冷卻技術(shù)的貢獻(xiàn)則占到60%，其中TBC涂層（熱障涂層）可使葉片表面溫度降低100～150K，而氣膜冷卻可降低400～500K。圖1為發(fā)動機(jī)渦輪前溫度發(fā)展趨勢圖。因此，對葉片氣膜孔的準(zhǔn)確檢測，幾何技術(shù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保加工的氣膜孔符合設(shè)計(jì)要求對提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)推重比，提高航空發(fā)動機(jī)的性能有著非常重要的意義。

圖1 發(fā)動機(jī)渦輪前溫度發(fā)展趨勢圖

2 氣膜孔檢測的難點(diǎn)

傳統(tǒng)的影像檢測方法屬二維評價(jià)方式，不但受孔口形狀的影響難以準(zhǔn)確測量，更無法實(shí)現(xiàn)正投影來實(shí)現(xiàn)對孔方向的檢測。普通的坐標(biāo)測量機(jī)雖可實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)零件的三維檢測，但對孔徑只有不到一毫米的氣膜孔，其傳感器無法深入孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)多截面測量，亦無法對氣膜孔的直徑、位置和方向進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。而不管是國外的圖像檢測還是國內(nèi)的影像法、接觸法檢測，由于氣膜孔在制孔時(shí)有加工誤差以及對成像法檢測影響最大的孔口倒圓、孔口不全（俗稱簸箕孔）等因素，使得孔的參數(shù)無法準(zhǔn)確測量，尤其是孔的方向。在一個(gè)葉片上通常分布著大量的孔徑和方向各異的氣膜孔，如圖2所示，即使采用設(shè)計(jì)與工藝基準(zhǔn)也無法在影像法測量時(shí)準(zhǔn)確找到孔的正投影，而采用普通坐標(biāo)測量機(jī)，又存在測針無法進(jìn)入孔內(nèi)的困擾[2]。

圖2 幾種典型渦輪葉片示意圖

3 激光測距傳感器的特點(diǎn)與優(yōu)勢

傳統(tǒng)的接觸式傳感器，由于測力因素，測桿最細(xì)也在0.2mm以上，測球最小也只能到0.3mm，普通坐標(biāo)測量機(jī)測針測球與被測孔如圖3所示。

圖3 普通坐標(biāo)測量機(jī)測針測球與被測孔示意

圖4 傳感器工作原理圖

如圖4所示，激光測距傳感器采用激光干涉測距原理，光點(diǎn)直徑不足11μm，又由于是非接觸測量，無任何測力，測桿直徑只受半透鏡和反射鏡制約，可做到足夠細(xì)小，能深入氣膜孔內(nèi)部對內(nèi)壁進(jìn)行掃描，按圓柱體進(jìn)行孔徑、位置、方向的評定，可實(shí)現(xiàn)細(xì)小孔、極短孔的按圓柱測量[3]。

4 基于激光測距傳感器的測量系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)方案

針對氣膜孔測量任務(wù)，擬采用某四軸坐標(biāo)測量機(jī)為平臺，增配激光干涉測距傳感器、OP光學(xué)控制器、光學(xué)數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成測量系統(tǒng)，圖5為系統(tǒng)組織方案。坐標(biāo)測量機(jī)作為實(shí)施平臺，提供空間測量的基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)，激光干涉測距傳感器主要負(fù)責(zé)完成氣膜孔的測量點(diǎn)的獲取，集成在坐標(biāo)測量機(jī)上實(shí)現(xiàn)三維測量數(shù)據(jù)的捕獲?？刂破骱蜏y量軟件負(fù)責(zé)驅(qū)動坐標(biāo)測量機(jī)和光學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的捕獲、測量數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算氣膜孔的相關(guān)尺寸和位置。

圖5 系統(tǒng)組成方案

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣膜孔專用測量裝置，由激光測距傳感器、坐標(biāo)測量機(jī)主體、控制系統(tǒng)、傳感器、軟件構(gòu)成，圖6為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

系統(tǒng)組成：

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 工作流程

首先建立零件坐標(biāo)系，坐標(biāo)系特征根據(jù)具體檢測要求進(jìn)行選擇，再使用激光干涉測距原理的掃描測頭獲取氣膜孔內(nèi)壁測點(diǎn)信息，計(jì)算得到圓柱，對實(shí)測的圓柱特征進(jìn)行評價(jià)，評判孔徑、位置、方向等特征要素，生成測量報(bào)告。繪制出孔徑、位置的偏差情況，清晰地表達(dá)出測量和計(jì)算分析的結(jié)論。圖7為工作流程圖[4]。

圖7 工作流程圖

5 測量與評價(jià)

氣膜孔的檢測，根據(jù)工藝要求主要檢測內(nèi)容為孔徑、位置和方向。

采用專用工裝對渦輪葉片進(jìn)行裝夾定位，測量設(shè)備為增配了激光干涉測距傳感器的某四軸坐標(biāo)測量機(jī)。

5.1 測量基準(zhǔn)的建立

測量基準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)測量和評價(jià)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)制定孔的測量的參考系。在工序檢測中，為了與加工基準(zhǔn)吻合，采用夾具定位建立測量基準(zhǔn)，從而確保檢測基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)一致。使用這種基準(zhǔn)的意義是，檢測的結(jié)論，反映了加工制造過程的誤差，加工的調(diào)整可依據(jù)檢測結(jié)論進(jìn)行。

在最終檢測中，根據(jù)葉片的安裝基準(zhǔn)，確定檢測坐標(biāo)系，確保與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)統(tǒng)一。渦輪葉片的安裝基準(zhǔn)，一般選擇榫齒，坐標(biāo)系建立在榫齒上，需要根據(jù)榫齒設(shè)計(jì)要求，測量榫齒的工作面，計(jì)算榫齒定位的方向和坐標(biāo)系原點(diǎn)，在榫齒定位坐標(biāo)系下，氣膜孔的位置則反映的是裝配后的實(shí)際工作狀態(tài)。

5.2 數(shù)據(jù)采集

確定了測量基準(zhǔn)也就確定了被測量氣膜孔的參考坐標(biāo)系，然而，任何精密加工，都不可能做到絕對準(zhǔn)確，對氣膜孔的加工來說，制造誤差主要是孔徑以及孔中心軸線的位置和方向偏差。由于激光測距傳感器的測桿足夠細(xì)，采樣距離足夠大，測量系統(tǒng)采用了帶回轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)測量機(jī)，所配激光測距傳感器的測桿方向可在空間實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，能夠確保在被測件數(shù)模的引導(dǎo)下使測桿基本位于被測孔的軸線上，加工誤差不構(gòu)成對測量過程的影響，系統(tǒng)可在數(shù)字模型引導(dǎo)下進(jìn)入孔內(nèi)完成掃描測量，并按圓柱體計(jì)算評價(jià)各孔的直徑、空間位置和方向[5]。

6 結(jié)束語

基于激光測距傳感器的氣膜孔測量系統(tǒng)，所采用的激光測距傳感器的光學(xué)測桿屬非接觸測量、無測力、直徑小，能夠在程序控制下進(jìn)入孔內(nèi)掃描到氣膜孔內(nèi)壁表面獲取足夠的測量點(diǎn)，點(diǎn)采集的準(zhǔn)確度在微米級，具有納米級的分辨率，亞微米級的重復(fù)性。通過大量密集取點(diǎn)，獲得氣膜孔內(nèi)表面的輪廓，從而按圓柱進(jìn)行計(jì)算評價(jià)，可得到孔徑、位置和方向數(shù)據(jù)，還可獲取孔口的倒圓情況。

搭載傳感器的某高精度四軸坐標(biāo)測量機(jī)，其空間測量最大誤差MPEE=0.9μm +10-6L，高速的運(yùn)行平臺單軸運(yùn)行速度在數(shù)百毫米每秒的水平，足夠支持激光干涉測距傳感器實(shí)現(xiàn)高速的掃描測量，保證測量氣膜孔時(shí)的準(zhǔn)確性和測量效率。

該技術(shù)可提供準(zhǔn)確的氣膜孔檢測數(shù)據(jù)，有助于發(fā)現(xiàn)和解決工藝問題，提升加工質(zhì)量，將顯著提升發(fā)動機(jī)渦輪葉片氣膜孔檢測技術(shù)水平。