一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)葉型參數(shù)檢測(cè)的測(cè)量路徑規(guī)劃方案

樊金俠

（中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

整體葉盤(pán)是把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片和輪盤(pán)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，采用整體加工或焊接（葉片和輪盤(pán)材料可以不同）方法制造而成。整體葉盤(pán)是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一種新型結(jié)構(gòu)部件，對(duì)于提高其性能具有重要作用。整體葉盤(pán)的葉片型面質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能有著至關(guān)重要的影響[1]。整體葉盤(pán)葉型參數(shù)目前普遍采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，由于整體葉盤(pán)葉片數(shù)量多、葉片彎扭嚴(yán)重、葉片之間的氣流通道狹窄，檢測(cè)空間受限，葉型參數(shù)檢測(cè)難度較大[2]。一般情況下，1 個(gè)整體葉盤(pán)需要檢測(cè)多個(gè)葉片，1 個(gè)葉片需要檢測(cè)多個(gè)截面，檢測(cè)耗費(fèi)時(shí)間久。那么如何規(guī)劃測(cè)量路徑，提升檢測(cè)效率成為了一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的問(wèn)題。科學(xué)、合理的路徑規(guī)劃不僅可以高效獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)，還可以為計(jì)算葉型各參數(shù)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[3]。

1 測(cè)量基本原理及過(guò)程

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)根據(jù)基準(zhǔn)特征建立測(cè)量坐標(biāo)系，基準(zhǔn)特征一般包括基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)孔等，通過(guò)測(cè)量軟件驅(qū)動(dòng)測(cè)針在被測(cè)葉片截面處采集全截面數(shù)據(jù)點(diǎn)，葉片分析軟件根據(jù)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)依照一定的計(jì)算方法計(jì)算各葉型參數(shù)，如葉型輪廓度、積疊點(diǎn)位置度、弦長(zhǎng)、弦線角、扭轉(zhuǎn)誤差、葉型厚度等。

圖1 整體葉盤(pán)示意圖Fig.1 Overall leaf chart

圖2 單截面分區(qū)分段示意圖Fig.2 A single-section partition segment ation diagram

值得指出的是，不同的商業(yè)軟件在計(jì)算各葉型參數(shù)時(shí)具有一定的差異性。首先，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)與理論數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合時(shí)使用的基層算法不同；其次，各葉型參數(shù)的計(jì)算方法也略有不同，并且同一個(gè)葉型參數(shù)提供了多種計(jì)算方法。在實(shí)際使用中，應(yīng)根據(jù)具體的檢測(cè)技術(shù)要求選擇適用的、合理的計(jì)算方法。

2 測(cè)量路徑規(guī)劃

2.1 建議使用轉(zhuǎn)臺(tái)配合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量

整體葉盤(pán)葉片葉型參數(shù)一般會(huì)抽檢多個(gè)葉片。葉片一般均勻分布，1 個(gè)葉片需要使用多個(gè)測(cè)針角度才能完成檢測(cè)，多個(gè)葉片需要使用的測(cè)針角度會(huì)成倍增加，而且不同角度之間會(huì)累積測(cè)量誤差。因此，建議使用轉(zhuǎn)臺(tái)，以定中心的基準(zhǔn)找同心零件，測(cè)量第一個(gè)葉片后，旋轉(zhuǎn)360×（n-1）/N（N：被測(cè)整體葉盤(pán)葉片總數(shù)量；n：被測(cè)葉片相對(duì)于第一個(gè)葉片的順序號(hào)）后再測(cè)量下一片。需要說(shuō)明的是，旋轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)后，需要重新以基準(zhǔn)特征建立測(cè)量坐標(biāo)系，避免轉(zhuǎn)臺(tái)引入測(cè)量誤差。

2.2 葉片測(cè)量路徑規(guī)劃

1）單截面分區(qū)分段

基于整體葉盤(pán)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無(wú)法一次掃描一個(gè)完整截面，因此可考慮將完整截面分成若干段。通過(guò)大量檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)的積累，發(fā)現(xiàn)將葉片檢測(cè)截面分為4 段是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，具體的分段方法如圖2 所示。基本上所有的整體葉盤(pán)葉片都可以完成全截面的數(shù)據(jù)采集，具有普遍適用性。（據(jù)了解，有些同行將葉片檢測(cè)截面分為3 段進(jìn)行編程測(cè)量，可以完成葉片數(shù)據(jù)采集，但是對(duì)不同結(jié)構(gòu)的整體葉盤(pán)普遍適用性相對(duì)較差，尤其是整體葉盤(pán)葉片十分彎扭、葉片之間檢測(cè)空間狹小時(shí)，很難3 段完成全截面數(shù)據(jù)采集，因此本文選擇了4 段。）

以圖2 所示葉片為例進(jìn)行說(shuō)明，葉片的單截面分為4段：LECC、CCTE、TECV 和CVLE，以字母點(diǎn)代替其名稱表示為L(zhǎng)ECC（ABC 段）、CCTE（CDE 段）、TECV（DEF段）、CVLE（FAB 段），其中，葉背上的F 點(diǎn)和葉盆上的C 點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際情況左右移動(dòng)，保障每一個(gè)掃描段1 個(gè)測(cè)針角度可完成所有截面的數(shù)據(jù)采集，且不影響測(cè)針順暢地運(yùn)行即可。4 段掃描分別在前緣和后緣處存在交叉，因?yàn)楹？怂箍礟C-DMIS 配備的葉片模塊有這一要求，其他公司的測(cè)量設(shè)備和軟件若無(wú)該要求可不交叉。

測(cè)針運(yùn)行路徑（方向）為L(zhǎng)ECC 掃描段、CCTE 掃描段、TECV 掃描段、CVTE 掃描段，或反向亦可。

2）分區(qū)控制掃描速度

由于葉片前緣和后緣曲率變化較大，因而在前緣和后緣處測(cè)針的掃描速度應(yīng)較低，從而保障測(cè)針在該區(qū)域采集數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)不會(huì)脫離葉片表面或出現(xiàn)抖動(dòng)情況。葉盆和葉背區(qū)域的曲率變化較小，相對(duì)較平緩，因此測(cè)針在葉盆和葉背上掃描速度可相對(duì)較快，從而提高檢測(cè)效率。

為了實(shí)現(xiàn)前緣后緣和葉盆葉背掃描速度的不同，可將葉型分為高速運(yùn)行區(qū)域和低速運(yùn)行區(qū)域，但與4 段分區(qū)不同，可通過(guò)引入掃描控制點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

具體方法如下：以圖2 所示為例，在LECC 掃描段之前，編輯測(cè)量語(yǔ)句，使測(cè)量速度為低速；在掃描語(yǔ)句LECC中設(shè)置控制點(diǎn)B，經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)B 之后，掃描速度變?yōu)楦咚伲辉贑CTE 掃描語(yǔ)句中添加控制點(diǎn)C，經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)C 之后，掃描速度變?yōu)榈退佟ＪＳ嗟膬蓚€(gè)掃描段同樣方法設(shè)置即可。

3）分區(qū)控制測(cè)點(diǎn)密度

由于葉片前緣和后緣曲率變化較大，所以在前緣和后緣處測(cè)點(diǎn)應(yīng)較密，否則會(huì)出現(xiàn)折現(xiàn)、過(guò)度不平滑和失真等情況。葉盆和葉背區(qū)域的曲率變化較小，相對(duì)較平緩，因此測(cè)針在葉盆和葉背測(cè)點(diǎn)可相對(duì)稀疏，可減少測(cè)量時(shí)間和測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的時(shí)間。

圖3 測(cè)針運(yùn)行路徑規(guī)劃示意圖Fig.3 Pin run path planning schematic

圖4 掃描段設(shè)置樣例Fig.4 Scan segment setting example

通過(guò)上述分析可發(fā)現(xiàn)，掃描速度的高低和測(cè)點(diǎn)密度稀疏的分布可相同，可與分區(qū)控制掃描速度的控制點(diǎn)合并使用，不需要重復(fù)設(shè)置控制點(diǎn)，從而避免了編程的復(fù)雜性。

具體方法如下：以圖2 所示為例，在LECC 掃描段之前，編輯測(cè)量語(yǔ)句，使測(cè)點(diǎn)密度為高密度；在掃描LECC 語(yǔ)句中設(shè)置控制點(diǎn)B，經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)B 之后，測(cè)點(diǎn)密度變?yōu)榈兔芏龋辉贑CTE 掃描語(yǔ)句中添加控制點(diǎn)C，經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)C 之后，測(cè)點(diǎn)密度變?yōu)楦呙芏取ＪＳ嗟膬蓚€(gè)掃描段按照同樣方法設(shè)置即可。

4）安全運(yùn)行

通過(guò)上述方法每一個(gè)單獨(dú)的掃描段均可以實(shí)現(xiàn)掃描采集數(shù)據(jù)，需規(guī)劃使所有測(cè)量掃描段連貫起來(lái)完成葉片所有截面的數(shù)據(jù)采集。可通過(guò)在每一個(gè)掃描段之間添加安全點(diǎn)或安全高度，保障測(cè)針安全、平滑運(yùn)行。利用循環(huán)語(yǔ)句，測(cè)針將LECC 掃描段的所有截面測(cè)量完，再依次測(cè)量下一個(gè)掃描段。

一般整體葉盤(pán)的葉根處檢測(cè)空間最小，葉尖處檢測(cè)空間稍大，測(cè)針角度葉根可測(cè)，其余截面基本可測(cè)，因此建議測(cè)量其中一個(gè)掃描段時(shí)，可從葉根往葉尖依次測(cè)量[4]。

測(cè)針運(yùn)行路徑規(guī)劃如圖3 所示。以LECC 段進(jìn)行說(shuō)明：測(cè)針首先在葉尖上方安全處運(yùn)行到移動(dòng)點(diǎn)1 處，再運(yùn)行至2 處（若能保證不會(huì)碰到葉片，可以合并1 和2 為1 個(gè)移動(dòng)點(diǎn)），測(cè)針按照掃描LECC 的設(shè)定進(jìn)行掃描運(yùn)行至葉盆中部位置后，測(cè)針移動(dòng)到3 處，再運(yùn)行至4 處，然后進(jìn)行下一個(gè)截面的LECC 的掃描。當(dāng)全部LECC 掃描結(jié)束后，測(cè)針運(yùn)行至5 處（5 的高度在葉尖上方安全處），到達(dá)5 處可以旋轉(zhuǎn)測(cè)針角度以準(zhǔn)備測(cè)量下一個(gè)掃描段，其他的掃描段按照此思路設(shè)計(jì)即可。

掃描段樣例參如圖4 所示。根據(jù)本文測(cè)量路徑規(guī)劃的方案，設(shè)計(jì)了圖4 所示的測(cè)量程序段，可供使用者借鑒。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種基于接觸式掃描測(cè)頭測(cè)量整體葉盤(pán)葉片葉型參數(shù)的測(cè)量路徑規(guī)劃的方案，該方案通過(guò)多年測(cè)量經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而得，在實(shí)際檢測(cè)中多次使用，取得了較好的效果，且不同型號(hào)的整體葉盤(pán)皆可采用此方案，具有一定的通用性，同時(shí)減少了重復(fù)編程的難度和復(fù)雜性。該方案亦可推廣應(yīng)用于非接觸式掃描測(cè)量中，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。