無基準(zhǔn)葉片的測(cè)量方法探討

陳麗詩(shī) 鄧涼虹 陳顯蓉

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

無基準(zhǔn)葉片的測(cè)量方法探討

陳麗詩(shī) 鄧涼虹 陳顯蓉

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

文章對(duì)無基準(zhǔn)葉片的測(cè)量方法進(jìn)行了探討，在無基準(zhǔn)葉片實(shí)體上采集葉片的特征元素與理論模型以多次擬合逐步逼近的方式實(shí)現(xiàn)最佳擬合，建立與理論模型一致的測(cè)量坐標(biāo)系，進(jìn)行多次測(cè)量。測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性好，測(cè)量值與真實(shí)值接近，方法可靠。

PRO/E； 三維模型；無基準(zhǔn)葉片； 最佳擬合；不確定度

1 概述

汽輪機(jī)葉片是汽輪機(jī)中的關(guān)鍵零件，其精度要求高，幾何形狀復(fù)雜，葉片加工質(zhì)量的好壞，直接影響到生產(chǎn)效率和汽輪機(jī)的質(zhì)量。因此對(duì)葉片加工質(zhì)量的控制，即加工過程中的檢測(cè)，成為公司批量生產(chǎn)的一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。

有基準(zhǔn)的葉片采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)，已經(jīng)成為目前較普遍的葉片檢測(cè)方式。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用坐標(biāo)測(cè)量的原理，在計(jì)算機(jī)軟件的控制和驅(qū)動(dòng)下，完成對(duì)確定基準(zhǔn)的工件幾何尺寸和形位公差的測(cè)量。它是一種高精度的通用檢測(cè)設(shè)備，特別適合復(fù)雜型面的精密測(cè)量，它能準(zhǔn)確、快速地提取工件表面點(diǎn)數(shù)據(jù)和輪廓線的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速精密的測(cè)量。

無基準(zhǔn)葉片的測(cè)量是一個(gè)新的課題。加工完成的無基準(zhǔn)葉片在裝配時(shí)出現(xiàn)問題，需要對(duì)葉片型面進(jìn)行檢測(cè)以確定葉片加工問題所在，目前，這仍是一個(gè)有待解決的難題。本文就無基準(zhǔn)葉片的檢測(cè)方法進(jìn)行探討，提出一種有效的檢測(cè)方法。

1.1 無基準(zhǔn)葉片

汽輪機(jī)葉片主要有兩種：動(dòng)葉片和導(dǎo)葉片（帶冠和不帶冠）。 動(dòng)葉片有形狀規(guī)則的葉根和葉冠，有確定的測(cè)量基準(zhǔn)，檢測(cè)時(shí)在葉根上確定相應(yīng)的基準(zhǔn)面，采集所需元素，建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系進(jìn)行檢測(cè)；不帶冠導(dǎo)葉片在加工完成后，去掉加工基準(zhǔn)，只有葉身部位。葉身型面復(fù)雜，葉身出汽側(cè)較薄，空間尺寸精度高，若拋光后進(jìn)行裝配出現(xiàn)問題，需要重新測(cè)量時(shí)，由于定位復(fù)雜，無可直接使用的測(cè)量基準(zhǔn)，故難以直接建立測(cè)量坐標(biāo)系。

無基準(zhǔn)葉片 （導(dǎo)葉片）實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)葉片實(shí)物圖

1.2 無基準(zhǔn)葉片的檢測(cè)難點(diǎn)

無基準(zhǔn)葉片的葉身型面復(fù)雜，定位難，無可直接使用的測(cè)量基準(zhǔn)，因此，葉片裝卡及建立測(cè)量坐標(biāo)系成為無基準(zhǔn)葉片檢測(cè)的難點(diǎn)。

本文考慮采用無基準(zhǔn)葉片的三維模型進(jìn)行測(cè)量。首先建立無基準(zhǔn)葉片的三維模型。檢測(cè)時(shí)，在葉片葉身上采集特征元素作初次定位，與對(duì)應(yīng)的三維模型特征元素以最佳擬合方法進(jìn)行匹配，多次擬合以將實(shí)物正確擬合至模型坐標(biāo)系下，即建立與設(shè)計(jì)一致的坐標(biāo)系，按照檢測(cè)要求進(jìn)一步測(cè)量葉片型面[1]。

2 三維模型的建立

采用PRO/E軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。 PRO/E基于特征的參數(shù)化造型功能在建立葉片模型的過程中起到了重要的作用。

圖1為導(dǎo)葉片實(shí)物圖。 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙， 完成葉片的建模。 建模過程截圖如圖2所示。 模型坐標(biāo)系按照?qǐng)D紙要求建立，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

為了保證導(dǎo)葉片的幾何模型正確導(dǎo)入三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量軟件， 完成建模后在PRO/E軟件中將PRT格式的模型文件另存為IGES的數(shù)據(jù)文件， 作為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的輸入文件。

圖2 建模過程截圖

3 測(cè)量方法

無基準(zhǔn)葉片的型面測(cè)量，其關(guān)鍵步驟是測(cè)量坐標(biāo)系的建立。通過分析，采用如下方法：在葉片葉身上采集特征元素作初次定位，與對(duì)應(yīng)的三維模型特征元素以最佳擬合的方法進(jìn)行匹配[2，3]。 采用PC-DMIS測(cè)量軟件， 利用PC-DMIS語(yǔ)言建立測(cè)量坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系下對(duì)葉身型線進(jìn)行檢測(cè)。

3.1 葉片的裝卡及特征點(diǎn)定位

導(dǎo)葉片沒有葉根和葉冠，要對(duì)該葉片進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量定位是一個(gè)難題，沒有平面作為支撐面，葉身上幾乎沒有可用于精確定位的位置，這樣就給葉片測(cè)量坐標(biāo)系的建立帶來了很大困難。在考慮導(dǎo)葉片定位的合理性、穩(wěn)定性以及安裝的重復(fù)定位精度之后， 采用如圖3的裝卡方式。 由于葉片比較長(zhǎng)，立放超出了三坐標(biāo)機(jī)的量程，因此只能采用臥放的方式，用兩個(gè)虎鉗分別夾住葉片兩頭的進(jìn)汽側(cè)端，注意裝卡時(shí)不能夾得太緊，以防止葉片變形，松緊程度以手輕輕推動(dòng)葉片不會(huì)晃動(dòng)為準(zhǔn)。

由于測(cè)量坐標(biāo)系的建立需要依據(jù)葉身上相應(yīng)的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，因此，測(cè)量前，根據(jù)圖紙，用專用工裝將需要測(cè)量的截面型線的大致位置在葉身上標(biāo)記出來。測(cè)量時(shí)，就可以根據(jù)標(biāo)記的大致位置進(jìn)行實(shí)測(cè)特征與理論特征的初步匹配。

圖3 導(dǎo)葉片裝卡方式

3.2 測(cè)量坐標(biāo)系的建立

利用三維模型進(jìn)行檢測(cè)的首要工作是保證三維模型正確導(dǎo)入測(cè)量軟件。 導(dǎo)入后的模型在PCDMIS軟件界面顯示， 根據(jù)圖紙要求在模型上選取理論特征元素。坐標(biāo)系的建立主要有以下幾個(gè)步驟：

（1）首先在模型上選取特征點(diǎn)： 在所要測(cè)量的型線中，選擇最接近葉片兩端的兩個(gè)截面，在這兩處分別選取4個(gè)特征點(diǎn)， 葉盆和葉背各選取4點(diǎn)，共8點(diǎn)；

（2）根據(jù)模型顯示的特征點(diǎn)位置， 在工件上找到相應(yīng)的位置并采點(diǎn)， 共測(cè)量8點(diǎn)；

（3）粗建坐標(biāo)系： 將測(cè)量的8個(gè)點(diǎn)最佳擬合到模型上， 擬合次數(shù)選擇100次， 擬合完成后即將工件最佳擬合到模型坐標(biāo)系下，此為粗建坐標(biāo)系；

（4）精建坐標(biāo)系： 在粗建坐標(biāo)系下， 分別掃描最接近葉片兩端的兩個(gè)截面，將掃描得到的型線再次進(jìn)行最佳擬合，得到的坐標(biāo)系即為精建坐標(biāo)系；

（5）驗(yàn)證坐標(biāo)系： 在模型上任意選取一點(diǎn)， 然后自動(dòng)測(cè)量得到一個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，看這個(gè)點(diǎn)在工件上的位置與模型上的位置是否一致，并比較這個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)值與理論坐標(biāo)值，以驗(yàn)證坐標(biāo)系的建立是否正確。

3.3 型線測(cè)量

測(cè)量坐標(biāo)系建立完成后，在此坐標(biāo)系下對(duì)所需測(cè)量的截面型線進(jìn)行測(cè)量?？梢圆捎米詣?dòng)測(cè)量的方式，即在模型上選取掃描線的起始點(diǎn)、方向點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，生成測(cè)量軌跡，機(jī)器會(huì)根據(jù)生成的軌跡自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。這樣的自動(dòng)測(cè)量方式比手動(dòng)掃描方式極大地提高了檢測(cè)效率。 圖4為掃描過程截圖。圖中葉盆為測(cè)量面，葉背為非測(cè)量面，葉盆底部直線表示測(cè)量軌跡。采用此方法對(duì)每一個(gè)截面的葉背、 葉盆進(jìn)行掃描，共掃描了7檔截面。注意掃描的時(shí)候，每一段掃描線要首尾相接，確保掃描型線閉合。

圖4 掃描過程截圖

4 測(cè)量數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

測(cè)量結(jié)果在測(cè)量程序中以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式保存。PC-DMIS軟件不具備葉片型面的分析功能， 因此，采用專業(yè)的葉片分析軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理和分析。 將PC-DMIS軟件中的型線測(cè)量結(jié)果點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入葉片專用分析軟件，與導(dǎo)入的型線理論值進(jìn)行比較，分析其最大最小誤差以及最大厚度誤差、輪廓度誤差等。 測(cè)量結(jié)果如圖5所示。 圖中給出了理論值和實(shí)測(cè)值曲線， 分別給出了葉背 （CVX）、葉盆 （CCV）、 進(jìn)汽側(cè) （LE）、 出汽側(cè) （TE）的最大誤差和最小誤差，誤差值以數(shù)值的方式給出，輪廓度從圖中可以很直觀的表現(xiàn)出來。

圖5 葉片型線測(cè)量結(jié)果報(bào)告

為驗(yàn)證檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性以及坐標(biāo)系的重復(fù)性，對(duì)同一葉片進(jìn)行多次測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)都將葉片的擺放位置進(jìn)行調(diào)整或重新裝卡。 表1為葉片的重復(fù)性測(cè)量結(jié)果，測(cè)量7檔截面型線，共測(cè)量9次，本文以測(cè)量的其中一個(gè)參數(shù)——最大厚度作為比較參數(shù)，進(jìn)行分析。

表1 重復(fù)測(cè)量結(jié)果 （最大厚度）

測(cè)量不確定度計(jì)算[4,5]如下：

根據(jù)表1的測(cè)量結(jié)果， 現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度計(jì)算，以驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。

擴(kuò)展不確定度： U=k·UC

其中， k=2 （包含因子k一般取2～3， 大多數(shù)情況下取2）；

UB1為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的不確定度，所使用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)最大允許誤差MPE=2.7+3.3L/1000（μm），葉 片 長(zhǎng) 度 為 900mm， 所 以 有 MPE=2.7+3.3 ×900/ 1000=5.67μm=0.00567mm，0.00327mm；

UB2為溫度不確定度， 在環(huán)境溫度為20℃附近，溫度每增加或減少1℃， 測(cè)量結(jié)果就相應(yīng)增加或減少0.01mm， 在20±2℃相對(duì)恒溫的正常測(cè)量條件下，由溫度引起的測(cè)量不確定度中間區(qū)半寬度為0.04mm。 由于該項(xiàng)不確定度按矩形分布， 即置信因子因此有

以多次測(cè)量重復(fù)性最大的D截面為例，計(jì)算測(cè)量不確定度，根據(jù)前面介紹的公式，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不確定度參數(shù)計(jì)算 （mm）

由表2可知， 不確定度UC為0.024mm。 不確定度越小，所述結(jié)果與被測(cè)量的真值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價(jià)值越高。

按照公差， 900mm左右長(zhǎng)的導(dǎo)葉片型線及最大厚度最小位置的公差為0.30mm， 根據(jù)測(cè)量能力指 數(shù) 評(píng) 定 要 求 Mcp=T/（2U）=0.3/（2 ×0.048）= 3.125mm， 選擇三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量完全滿足測(cè)量要求。

由此可知，按照此方法檢測(cè)導(dǎo)葉片能夠符合測(cè)量要求，測(cè)量基準(zhǔn)的重復(fù)性好，所得測(cè)量結(jié)果精度滿足檢測(cè)要求。

5 結(jié)論

本文探討了無基準(zhǔn)汽輪機(jī)導(dǎo)葉片的測(cè)量方法，利用三維模型進(jìn)行測(cè)量，采集實(shí)物特征元素，用最佳擬合的方法將特征元素與三維模型進(jìn)行匹配，建立與模型坐標(biāo)系一致的測(cè)量坐標(biāo)系，并進(jìn)行型線的測(cè)量。

采用多次測(cè)量的方法以驗(yàn)證測(cè)量基準(zhǔn)的可靠性。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性分析，重復(fù)性在0.03mm以內(nèi)， 證明基準(zhǔn)可靠性好； 對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析， 不確定度UC在0.024mm， 表明結(jié)果與被測(cè)量的真值接近，此方法可靠。

[1]曲巍崴,高峰,杜發(fā)榮,周煜.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差源分析與修正技術(shù)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì),2009,26（6）:76-78

[2]李海, 徐海衛(wèi).基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)曲面檢測(cè)[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2005,31（4）:24-26

[3]張海, 付偉. 基于PRO/E的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[J].工具技術(shù),2008,42（5）:68-71

[4]JJF1059-1999 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S]. 北京: 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,1999

[5]T CW oo,R Liang.Efficient sampling for surfacemeasurements[J].Journal of M anufacturing System s,1995，14 （5）：345-354

Measurement Methods of Reference Free Vane

Cheng Lishi， Deng Lianghong， Chen Xianrong
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This article discusses ameasurementmethod of reference free vane.Characteristic element of vane is gathered to realize the best-fitwith theoreticalmode in the way of progressive approach.Instrumentation coordinate system is established with theoretical mode,then multiple metering is made.Good repeatability of measurement results show that the predicted results approximate well to the real ones and themethod is reliable.

PRO/E,three-dimensionalmodel,reference free vane,best-fit,uncertainty

陳麗詩(shī) （1983-）， 女， 碩士， 2010 年畢業(yè)于中國(guó)計(jì)量學(xué)院物理電子學(xué)專業(yè)， 現(xiàn)從事計(jì)量檢測(cè)相關(guān)工作。