整體葉盤葉型數(shù)字化測量技術(shù)研究及應(yīng)用

王幫艷，戶建軍

（襄陽航泰動力機(jī)器廠，湖北 襄陽 441002）

整體葉盤是航空發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵零部件，葉片的幾何形狀和尺寸決定著發(fā)動機(jī)的工作性能，葉片的形狀的精度及精度位置，對發(fā)動機(jī)的性能及安全可靠性影響較大，因此葉片型面的檢測具有十分重要的意義。整體葉盤外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，它采用了整體式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜型面葉片，將工工作中的金屬葉片及輪盤聯(lián)為一體，省去了原有金屬葉片與輪盤所使用的榫頭和榫槽，從而使葉盤結(jié)構(gòu)變得更為緊湊，減少了葉盤重量、零件數(shù)量和氣流損失。葉片的型面是空間自由曲面，每個截面高度的葉型輪廓形狀不盡相同，并且同時呈扭轉(zhuǎn)上升狀，葉片的后緣部分厚度較薄，尤其是排氣邊半徑非常小，這些特點(diǎn)給葉片型面檢測造成了困難[1]。在整體金屬葉盤研制之初，需要給研發(fā)設(shè)計人員提供葉型加工的真實(shí)數(shù)據(jù)，必須測量出金屬葉型截面坐標(biāo)的偏移量及扭轉(zhuǎn)誤差，同時對葉盤的整體坐標(biāo)偏移，葉身最小厚度處偏差、進(jìn)氣邊和排氣邊圓弧誤差等，以便整機(jī)性能出現(xiàn)偏差時為后續(xù)處理和故障分析奠定基礎(chǔ)。

圖1 整體葉盤

1 需求分析

在整個金屬葉盤技術(shù)條件下，設(shè)計出基準(zhǔn)通過金屬葉片型，并允許葉盆及葉背的兩個進(jìn)氣方向偏移一定數(shù)值，同時，還要允許沿著中心軸的角度進(jìn)行扭轉(zhuǎn)角度，從綜合的角度來判斷，金屬葉片型面是否合格。在現(xiàn)有的金屬葉型所允許的位置角度來進(jìn)行測量，在一般情況下，采用傳統(tǒng)型面測具的極限測量方法，這種方法在新產(chǎn)品研制中，不能得到實(shí)際及的葉片型面的具體數(shù)據(jù)及便宜差值，從而產(chǎn)品生產(chǎn)帶來了很大的困難[2]。在傳統(tǒng)的型面測試工具中，不適適應(yīng)新產(chǎn)品的制作方法，傳統(tǒng)方法僅適用于項(xiàng)目性能較低，且余量整體葉盤生產(chǎn)的使用工序等。為了確保在金屬葉片整體的生產(chǎn)過程中，葉片制作的合格率從而提高，并做出一種高性能，同時數(shù)字化程度較高的產(chǎn)品，從過去的只能定性測量改進(jìn)為直觀定量測量，克服人為的視覺判斷誤差，并能檢測出葉片型面位置度及扭轉(zhuǎn)具體數(shù)值的方法，來滿足葉片型面綜合誤差的技術(shù)條件檢測要求。為解決這類實(shí)際生產(chǎn)中的測量難題，在調(diào)研了解了國內(nèi)外相關(guān)發(fā)動機(jī)零備件研發(fā)生產(chǎn)單位類似葉盤測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過拓展UG三維造型功能，建立葉身和測具模型，進(jìn)行仿真模擬裝配，研制輔助測量夾具，采用橫式裝夾定位，結(jié)合三坐標(biāo)測量機(jī)的數(shù)據(jù)采集并建立數(shù)學(xué)模型來達(dá)到精準(zhǔn)測量的目標(biāo)。

2 葉型數(shù)據(jù)

整體葉盤葉片型面的理論數(shù)據(jù)，通過設(shè)計人員氣動計算后得以確定，包含葉根、葉冠的基本參數(shù)，發(fā)動機(jī)的工作軸線，葉盆葉背相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)值，截面高度、各圓弧坐標(biāo)等，并且多以列表的形式出現(xiàn)。在一般情況下，所給定的Yi截面及葉背面的型值點(diǎn)坐標(biāo)值，各個截面所形成的該截面葉盆型值點(diǎn)分別構(gòu)成該截面的葉盆型線和葉背型線。由于葉型數(shù)據(jù)通常在給定的Yi截面內(nèi)給出，因此在這些給定的截面內(nèi)也會進(jìn)行葉型誤差檢測。因此，葉型誤差可以定義為所有給定Yi截面內(nèi)葉型誤差值的最大值。

關(guān)于葉型數(shù)據(jù)的測量，目前有標(biāo)準(zhǔn)樣板對比法、有掃描建模重合比對法、有專用葉型測量儀檢測法等。目前的測量方法雖然很多，但都有各自的特點(diǎn)，但是這些測量方法在測量效率、測量精度、測量成本、測量對象數(shù)量等方面都存在不足，數(shù)據(jù)處理不夠靈活。因此，采用適應(yīng)性萬能的三坐標(biāo)測量方法，能夠較好地克服其他測量方法的弊端，達(dá)到價格低廉、使用方便，且適宜生產(chǎn)車間現(xiàn)場測量并在加工過程中及時補(bǔ)差的高效率研發(fā)應(yīng)用[3]。

3 測量儀器及裝置

3.1 三坐標(biāo)測量機(jī)

三坐標(biāo)測量機(jī)的基本原理是通過寶石測頭與測量空間軸線運(yùn)動的配合，用操縱桿控制測量機(jī)運(yùn)動，按照設(shè)想的方向運(yùn)動測量機(jī)的某個軸，通過空間點(diǎn)的離散定位得到被測幾何元素，然后通過一定的數(shù)學(xué)計算對測點(diǎn)進(jìn)行分析和擬合。最后對測得的幾何要素進(jìn)行還原，并在此基礎(chǔ)上計算出幾何要素與理論值的偏差，從而完成對測得零件的檢測。

3.2 高精度萬能分度頭

利用分度刻度環(huán)和游標(biāo)，定位銷和分度盤以及交換齒輪，將裝卡在卡盤上的被測葉盤分成任意角度，用于檢測不同葉片型面時的分度。

3.3 測量夾具

根據(jù)整體葉盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計了測量夾具，測量夾具由轉(zhuǎn)軸、卡板、夾緊螺母、定位銷組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測量夾具

4 測量方法

4.1 裝夾

測量開始前，將高精度分度頭固定于三坐標(biāo)測量機(jī)的工作臺面上，通過高精度分度頭的三爪將測量夾具安裝夾緊，并找正測量夾具的軸線與三坐標(biāo)測量機(jī)的水平軸線平行，再將被測葉盤裝夾在測量夾具上。轉(zhuǎn)動葉盤，可使待測葉片始終處于一個合適位置，并將其作為基準(zhǔn)位置，再用定位銷將葉盤固定，通過高精度萬能分度頭實(shí)現(xiàn)葉片數(shù)的均布。

4.2 建立坐標(biāo)系

建立坐標(biāo)系的基本方法是“面、線、點(diǎn)”法，即測量一個平面，一條直線和一個點(diǎn)，將該平面定義為坐標(biāo)系的基準(zhǔn)平面，該直線定義為坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸線，該點(diǎn)定義為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。初始各點(diǎn)的位置由操作者自行選定，但需通過測量球心構(gòu)造基準(zhǔn)平面、基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)原點(diǎn)。具體方法：首先在葉盤端面A上觸測三點(diǎn)，將其設(shè)定為基準(zhǔn)平面 XY面，在XY面上觸測兩點(diǎn)構(gòu)造一條直線，將其作為X軸的旋轉(zhuǎn)軸線，然后在測量夾具圓柱面B上觸測三點(diǎn)構(gòu)造一個圓，將過其圓心且垂直于XY面的直線定為Z軸，并將Z軸與XY面的交點(diǎn)設(shè)定為坐標(biāo)系原點(diǎn)，最后指定各軸正方向，即建立了葉片型面測量的工件坐標(biāo)系。

4.3 測量形面數(shù)據(jù)

葉片型面是復(fù)雜曲面，需要由多條曲線擬合而成。測量時，在給定的Yi（i=1，2…n）截面內(nèi)，以一定的Z向間隔值觸測葉片表面，逐個測量多條曲線。然后在軟件窗口中創(chuàng)建曲面，即得到葉片的型面數(shù)據(jù)。

4.4 測球半徑補(bǔ)償誤差

當(dāng)紅寶石探測頭與工件接觸時，三坐標(biāo)測量機(jī)接收到的坐標(biāo)值為紅寶石探測頭中心點(diǎn)的坐標(biāo)值。測量軟件將球沿探側(cè)頭與工件接觸方向的半徑值相加，以補(bǔ)償半徑。然而，如果探測器在一個角度的聯(lián)系方向與被測表面的法線方向，補(bǔ)償點(diǎn)不是真正的接觸點(diǎn)，但一個點(diǎn)的方向沿著探針探針接觸工件，從而導(dǎo)致補(bǔ)償誤差。角度越大，誤差越大，因此，探頭的運(yùn)動方向應(yīng)盡量與被測表面垂直，探測頭應(yīng)沿被測表面的法線方向運(yùn)動，以減小半徑補(bǔ)償誤差。

4.5 利用CAD模型編程測量

PC DMIS CAD++測量軟件對于完成各種復(fù)雜自由曲面和不規(guī)則形面的測量較為方便，尤其是應(yīng)用脫機(jī)編程模式，通過軟件技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)測量自動化、提高測量精度、降低測量成本，而且脫機(jī)編程功能還可節(jié)省聯(lián)機(jī)編程時間，并提高測量與評價的工作效率。在CMM編程過程中，一方面可通過參數(shù)設(shè)定，增加測量點(diǎn)的密度及曲線軌跡條數(shù)，另一方面，通過定義、創(chuàng)建檢測的自由曲面區(qū)域和邊界點(diǎn)的選取等方法，就可以將輪廓曲面分為任意數(shù)量的有效測量區(qū)域段，從而達(dá)成預(yù)想的測量效果。

5 測量數(shù)據(jù)處理

金屬葉片型面屬于自由曲面，由三坐標(biāo)測量機(jī)得到的金屬葉片測量數(shù)據(jù)需經(jīng)過數(shù)據(jù)建模、模型對齊以及誤差分析比較等數(shù)據(jù)處理過程。

5.1 測量模型的建立

這里采用均勻B樣條曲線逼近算法擬合葉片型面的測量模型。設(shè)輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)列為Mi（i=0，1…m），擬合后的B樣條曲線。

式中，（0≤u≤1，n≤m，j=0，1…n）Pj，k（u）為k次B樣條基函數(shù)，Dj是待求的B樣條控制點(diǎn)。由用戶指定B樣條的控制點(diǎn)數(shù)n+1和次數(shù)k后系統(tǒng)可自動生成擬合曲線，并通過對指定的不同n和k擬合后的誤差值比較，最終確定最佳B樣條的控制點(diǎn)數(shù)及次數(shù)。

利用UG軟件的高級曲面造型功能實(shí)現(xiàn)曲面模型的生成，生成步驟是把點(diǎn)擬合成線，再把線擬合成面。將測量數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到UG軟件中，用均勻B樣條曲線擬合算法對每一截面的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，生成曲面所需各個截面的曲線，利用高級曲面造型工具生成以曲線為骨架的曲面模型。葉型測量過程中采集的截面數(shù)越多、測量點(diǎn)越密集就越能反映葉型表面的真實(shí)情況。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品的精度來確定測點(diǎn)數(shù)量，原則上是在保證測量精度要求的前提下，盡量減少測量點(diǎn)的數(shù)量，能最大限度的提升檢測效率。

5.2 基于UG的葉片型面誤差評定軟件

通過葉盆型面上測量采集的各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，然后由計算機(jī)按要求的表征參數(shù)將經(jīng)過處理的實(shí)際數(shù)據(jù)和初始信息獲得的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計算，分析得出葉型的加工誤差和真實(shí)曲線。運(yùn)行UG葉片型面誤差評定，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際模型與理想模型自動對齊，輸出葉片型面誤差的評定結(jié)果。評定指標(biāo)主要有型面輪廓誤差、扭曲度誤差、傾斜度誤差和彎曲度誤差等。

6 結(jié)語

目前整體金屬葉盤有多種葉型檢測方法，但綜合來說，利用坐標(biāo)測量機(jī)檢測，能夠快速、準(zhǔn)確地獲得多個葉片的型面數(shù)據(jù)，并借助UG軟件，能夠方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，從而得到實(shí)際加工數(shù)據(jù)的偏離值，為設(shè)計提供改進(jìn)方向。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用證明，該測量技術(shù)較為簡便的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析計算和結(jié)果判斷，完全滿足產(chǎn)品檢測精度的要求，為整體葉盤的研究奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐，可形成典型性整體葉盤加工的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化結(jié)構(gòu)，并開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，可推廣于各種精鑄型整體葉盤的葉型綜合誤差測量，具有極其重要的軍事意義。