大尺寸重型燃機(jī)葉片三坐標(biāo)測量方法

張瓊元，楊功顯，趙代銀，鄧涼虹

（東方汽輪機(jī)有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽，618000）

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大尺寸重型燃機(jī)葉片三坐標(biāo)測量方法

張瓊元，楊功顯，趙代銀，鄧涼虹

（東方汽輪機(jī)有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽，618000）

由于重燃葉片尺寸大，且目前沒有明確的測量基準(zhǔn)，文章在一般的6點找正方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了精建坐標(biāo)系的過程。對兩種找正方法進(jìn)行對比，結(jié)果表明，精建坐標(biāo)系更接近葉片的理論坐標(biāo)系，在精建坐標(biāo)系下進(jìn)行尺寸檢測，其測量的結(jié)果具有更高的可信度和可重復(fù)性。

重型燃機(jī)葉片，三坐標(biāo)測量機(jī)，粗建坐標(biāo)系，精建坐標(biāo)系

0　引言

重型燃機(jī)由于其效率高、排放低等優(yōu)點，已成為最具市場應(yīng)用前景的第三代動力機(jī)械。渦輪葉片作為重型燃機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其幾何形狀復(fù)雜，而且工作環(huán)境惡劣、轉(zhuǎn)速快，對精度要求極高。重燃葉片采用無余量整體精密鑄造的方法，在壓蠟、組模、澆注等工序中都存在一定的變形、收縮，為了有效地控制葉片制造的精度，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，葉片的測量工作顯得十分重要。

葉片尺寸的檢測一直是葉片制造過程中面臨的難點之一。對于尚處于自主研發(fā)階段的重型燃機(jī)葉片，工藝不同，其變形和收縮量也不同，難以找到相對穩(wěn)定的點、線、面作為測量基準(zhǔn)，且由于其尺寸較大，綜合變形也較大，使得其測量工作難度更大。目前，國內(nèi)常用的葉片測量方法有標(biāo)準(zhǔn)樣板法、白光三維掃描法、三坐標(biāo)測量、工業(yè)CT［1］以及激光測量［2］等。其中，標(biāo)準(zhǔn)樣板法操作簡單，效率高，適用于批量生產(chǎn)現(xiàn)場，但是該方法主要依靠人工操作，測量誤差較大，而且只能定性判斷，不能定量地表示變形大小。白光三維掃描儀受光學(xué)及投影裝置的限制，只適用于測量尺寸較小、精度要求一般的板件。工業(yè)CT成本較高，對操作人員要求較高，難以在工廠廣泛使用。激光測量速度快，操作方便，但其掃描精度稍差，而且由于蠟?zāi)１砻娣浅９饣?，在掃描前通常需要在蠟?zāi)１砻鎳姙⒁粚语@像劑，以便探測到蠟?zāi)１砻?，且在掃描結(jié)束后再將顯像劑用清水去除，在這一過程中，會引起蠟?zāi)Ｐ碌淖冃巍?/p>

三坐標(biāo)測量具有精度高、測量方便、自動化程度高等優(yōu)點，適合葉片等復(fù)雜自由曲面零件的精密測量。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測量機(jī)的功能也越來越豐富，可以根據(jù)用戶的需要集成相應(yīng)的專用測量軟件，針對不同的葉片編寫不同的測量程序，在測量時調(diào)用相應(yīng)的程序即可，使得測量更加方便、快捷。近年來，國內(nèi)外已普遍采用三坐標(biāo)測量機(jī)對葉片進(jìn)行檢測［3-5］。但對于大尺寸精鑄葉片的三坐標(biāo)測量，目前國內(nèi)還沒有有效、可靠的測量方法，為了保證自主研發(fā)的重燃葉片的尺寸精度，有必要對其測量方法進(jìn)行研究、探索。

1　找正

找正是三坐標(biāo)測量中最為重要的一步，所建立測量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接影響到測量結(jié)果的可靠性。由于重燃葉片正處于研發(fā)階段，其精鑄工藝在不斷調(diào)整、變化，為了研究精鑄過程從蠟?zāi)５借T件的變形規(guī)律，在找正的過程中應(yīng)考慮到精鑄工藝的影響，即找正的方法應(yīng)保證測量的可重復(fù)性、可比較性。

某級重燃葉片的形狀如圖1所示，其總長約550 mm。對于葉根，在設(shè)計蠟?zāi)Ｄ＞邥r已經(jīng)考慮了加工余量的問題，而且由于不同的精鑄工藝，其平面度和表面精度不同，所以葉根大面不能作為找正的基準(zhǔn)元素。對于葉頂，由于其尺寸很小，變形較大，而且精鑄工藝可能會造成葉頂出現(xiàn)夾砂、澆不足等現(xiàn)象，因此，葉頂也不能作為找正的基準(zhǔn)元素。

圖1　某級重燃葉片示意圖

綜上，只能采用葉身和緣板作為找正的測量元素。但由于葉身和緣板都是自由曲面，且本身也存在一定的變形，為了提高測量基準(zhǔn)坐標(biāo)系的精度，需要進(jìn)行2次找正：粗建坐標(biāo)系和精建坐標(biāo)系，具體步驟如下：

（1）在葉身進(jìn)汽邊、出汽邊確定5點，在緣板上確定1點，根據(jù)這6點采用RPS迭代的方法粗建坐標(biāo)系；

（2）在第一步建立好的坐標(biāo)系下，在三維模型上選取2個截面型線，分別靠近葉頂和葉根，并在實物上進(jìn)行測量；

（3）對測量的兩檔截面型線的實測值和理論值進(jìn)行最佳擬合。根據(jù)最佳擬合時旋轉(zhuǎn)、偏移的方向和大小，對粗建的坐標(biāo)系進(jìn)行修正，精建坐標(biāo)系。

由于正處于研發(fā)之中的重燃葉片目前還沒有明確的基準(zhǔn)，在找正過程中，葉身和緣板上6個基準(zhǔn)點的確定是一個難題。如果這6個基準(zhǔn)點選取不當(dāng)，會造成迭代過程出現(xiàn)不收斂的情況，導(dǎo)致粗建坐標(biāo)系失敗。一般而言，在確定6點時需遵循一定的原則，即：1）3點確定坐標(biāo)系的一個面，且3點的法向方向（即三坐標(biāo)測針的回退方向）應(yīng)盡可能與所確定的坐標(biāo)系的面的法向方向一致；2）2點確定坐標(biāo)系的一個軸，且2點的法向方向應(yīng)盡可能與該軸的方向一致；3）最后1點確定原點位置，且該點的法向方向應(yīng)盡可能與第三軸的方向一致。

2　測量

在精建坐標(biāo)系之后，需要先提取待測截面型線的理論值，再利用葉片專用軟件進(jìn)行測量，以便測量結(jié)束后對實測值和理論值進(jìn)行分析、對比。試驗采用2種找正方法進(jìn)行測量并對比，為了保證2次測量的可重復(fù)性、可對比性，在測量之前，先在待測葉片葉身上標(biāo)記三檔截面型線，以使每次測量的截面相同。測量方法如下：

（1）采用一般的PRS 6點找正方法，不進(jìn)行“精建坐標(biāo)系”。找正后，將測針移動至待測的截面型線標(biāo)記處，在測量軟件中觀察此時測球的三維坐標(biāo)值，并根據(jù)此坐標(biāo)值在葉片三維理論模型中提取該截面型線的理論值。然后進(jìn)入葉片測量專用軟件，調(diào)出事先編寫的測量程序，開始葉片截面的測量。

（2）采用本文找正方法精建工件坐標(biāo)系，之后測量過程同（1）。

在測量前固定葉片時，應(yīng)盡量保證葉片三維模型的坐標(biāo)軸方向與機(jī)器的坐標(biāo)軸方向相同或者經(jīng)過旋轉(zhuǎn)90°、180°后方向相同，這樣可以減少測量時的系統(tǒng)誤差。

3　分析

3.1不同找正方法對比

用2種方法分別測量后，由于在三坐標(biāo)測量軟件中不能將2次的測量結(jié)果直接進(jìn)行對比，需要保存測量數(shù)據(jù)并導(dǎo)入到三維軟件UG中進(jìn)行分析。以靠近葉頂處的截面Z=420 mm為例，2種方法測量結(jié)果如圖2所示。

由于在測量前已經(jīng)在相應(yīng)的截面處做了標(biāo)記，這樣可以保證使用不同的測量方法時所測量的截面相同。從圖2可以看到，對于2種不同的找正方法，提取得到的理論型線幾乎完全重合，這表明2種找正方法所建立的坐標(biāo)系在葉身高度方向上的定位是一致的。相比于理論型線，2種方法的實測型線都順時針扭轉(zhuǎn)了一定的角度，說明葉片沿著Z向（高度方向）發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)。對于進(jìn)汽邊，2種方法的實測型線扭角基本相同；對于出汽邊，精建坐標(biāo)系下的實測型線扭角較小，這主要是由于精建坐標(biāo)系時對工件坐標(biāo)系進(jìn)行了修正，更貼合理論坐標(biāo)系。其他2個截面的實測結(jié)果與截面1具有相同的變化規(guī)律。

圖2　不同找正方法下截面1理論值與實測值的對比

3.2精建坐標(biāo)系方法的可重復(fù)性

采用精建坐標(biāo)系的方法找正、測量某一截面，重復(fù)2次，對比2次測量結(jié)果。為了便于分析，將截面型線離散為150個點，并計算2次測量數(shù)據(jù)對應(yīng)點的差值（距離），其結(jié)果如圖3所示。

圖3　2次測量數(shù)據(jù)點的差值

從圖3可以看到，葉盆、葉背離散點之間的差值很小，均在0～0.04 mm誤差范圍之內(nèi)，而測量值與理論值之間的誤差一般在1 mm左右，重復(fù)測量誤差相比于測量值與理論值之間的誤差非常小，不超過4%。進(jìn)汽邊、出汽邊處差值之所以較大，主要是由于葉盆、葉背區(qū)分不夠合理，導(dǎo)致測量時測頭脫離工件表面，測桿和工件接觸，使得測量得到的點并不是工件表面上的點。

3.3組模后蠟?zāi)５淖冃?/p>

葉片蠟?zāi)哪＞咧腥〕鲋?，先豎直放置一段時間，待其完全冷卻后，開始組模。在冷卻、組模的過程中，由于不均勻收縮、壓蠟時的應(yīng)力釋放、組模工的操作等原因，都會使得蠟?zāi)．a(chǎn)生一定的變形。本文采用精建坐標(biāo)系的方法，測量了組模后蠟?zāi)Ｈ~身的一組截面，以截面Z=330 mm和Z=450 mm為例，其實測值與理論值的對比如圖4所示。

圖4　組模后蠟?zāi)Ｈ~身截面型線實測值與理論值的對比

圖4中，紅色表示增厚，綠色表示減薄。從圖中可以看到，2個截面均沿著Z向發(fā)生了一定程度的扭轉(zhuǎn)，即進(jìn)汽邊向葉盆側(cè)扭轉(zhuǎn)，出汽邊向葉背側(cè)扭轉(zhuǎn)。由于蠟?zāi)＠鋮s時發(fā)生了收縮，所以葉背的扭轉(zhuǎn)量與葉盆的扭轉(zhuǎn)量并不相同。對于截面Z=330 mm，其扭角約為0.89°，最大正負(fù)偏差分別為1.499 mm、-1.331 mm；截面Z=450 mm的扭角約為0.37°，最大正負(fù)偏差分別為1.032 mm、-1.873 mm。由于組模后蠟?zāi)．a(chǎn)生的變形，將會通過后續(xù)工序傳遞至葉片鑄件，所以在組模前后，一定要特別注意對蠟?zāi)３叽缂捌渥冃蔚目刂啤?/p>

4　結(jié)論

（1）本文針對精鑄重燃葉片的特點，在尚沒有測量基準(zhǔn)的條件下，對一般的RPS 6點找正方法進(jìn)行改進(jìn)，對比發(fā)現(xiàn)，采用本文找正方法能夠建立較為準(zhǔn)確的工件坐標(biāo)系，測量結(jié)果可靠性較高。

（2）采用本文找正方法，重復(fù)測量誤差小，可重復(fù)性好，該方法可以用于重燃葉片研發(fā)過程中葉片尺寸變形的測量。

（3）通過對蠟?zāi)Ｈ~身型線的測量，發(fā)現(xiàn)其橫截面一方面由于冷卻產(chǎn)生了收縮，另一方面沿著Z向發(fā)生了一定程度的扭轉(zhuǎn)，不同截面的扭轉(zhuǎn)量不同。

［1］程云勇，張定華，毛海鵬，等.一種基于工業(yè)CT的航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片生產(chǎn)檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2004，（1）：27-30.

［2］徐驊，張秋菊.針對葉片型面檢測的激光測量系統(tǒng)的規(guī)劃及相關(guān)研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（1）：76-80.

［3］藺小軍，單晨偉，王增強(qiáng)，等.航空發(fā)動機(jī)葉片型面三坐標(biāo)測量機(jī)測量技術(shù)［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18（1）：125-131.

［4］印玉明，李明，卓軍，等.基于三坐標(biāo)測量機(jī)對渦輪葉片測量的研究與實踐［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2004，（1）：63-64，71.

［5］Eun-Yong Heo，Dong-Won Kim，Jong-Yeong Lee，et.al. Computer-aided measurement plan for an impeller on a coordinate measurement machine with a rotating and tilting probe［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2008，6（24）：788-795.

Measurement of Large Heavy-duty Gas Turbine Blade by Using Coordinate Measuring Machine

Zhang Qiongyuan，Yang Gongxian，Zhao Daiyin，Deng Lianghong
（State Key Laboratory of Long-Life High Temperature Materials，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Since the size of the heavy-duty gas turbine blade is large and at present there is no specific measurement basis，a new measurement using CMM was proposed.The ordinary coordinate system using the method of six points is improved.Two methods are compared and it indicates that the refined coordinate system is much more close to the theory coordinate system.The measurement result with the refined coordinate system has higher credibility and repeatability.

heavy-duty gas turbine blade，CMM，rough coordinate，refined coordinate

TB92

A

1674-9987（2016）03-0046-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.011

張瓊元（1987-），男，碩士，畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事燃機(jī)葉片研發(fā)工作。