航空發動機整體葉盤原位自動測量技術分析

任麗芬 董哲 張露

中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 遼寧沈陽 110043

1 測頭半徑二維補償誤差

傳統三坐標葉型曲線掃描測量是一種二維未知曲線掃描測量，其原理為先將掃描測頭中心放置在給定的測量截面上，測頭沿著設定的起始點、前進方向點、終止點運行軌跡，在規定的截面貼著葉片型面完成數據采集并獲得一組測頭中心坐標值，軟件能夠鎖定掃描截面的高度，同時將測點矢量方向i，j，k 的k 分量設為0，以固定的Z 值輸出測點。

2 五軸聯動測量整體葉盤葉型方法

五軸聯動測量技術的優點是采用a、b 角無級分度的五軸測頭將被測點的空間位移轉化為a、b 角，通過最小化測頭運動時由于結構重量引起的動態誤差，可以快速跟蹤工件幾何形狀的變化，顯著提高了掃描速度，便于復雜零件的測量，特別適用于葉盤型面的測量。采用基于測量點云模型的三維矢量補償技術，提高了測量精度。

2.1 測頭校準

該系統的五軸聯動函數不需要校準多個探針角度，而是通過一套集成的探針標定程序進行全方位的插值標定。整個葉盤的葉片只需掃描一根針即可測量，不需更換針頭[1]。

2.2 葉盤裝夾方式

葉片盤平放在工作臺面上，葉片盤的軸線與測量機的 z 軸線平行，葉片盤由夾具支撐，使葉片下緣與工作臺面之間留有至少150mm 的空間，并留有葉片盤的定位基準。

2.3 基準建立

葉片盤在測量臺上就位后，必須首先對位置進行校正。基準面通常是圓盤的中心孔和上下端面，用來約束 x、 y、 z 零點位置和 x、 y 方向，z 方向通過圓盤上的定位孔或葉片的最佳配合來限制。

2.4 測量

在測量軟件中引入葉片的五軸掃描測量路徑，并選擇相應的棒狀探針進行測量。輸入適當的參數，如掃描范圍、安全平面、測量速度等。在計算五軸掃描路徑時，應考慮所選葉片與相鄰葉片之間的距離和探針的干涉，并實時調整探針的角度。完成五軸掃描路徑規劃后，對測量軌跡進行仿真，檢查運行狀態后，將所有掃描路徑導出并保存到相應的dmis 語句中[2]。雷沃探測器是無級分度。在掃描一個葉片后，根據盤片的尺寸和旋轉的部分坐標系，下一個葉片可以以同樣的方式測量。在程序中設置相應的變量，可以對全部葉片進行簡單快速的掃描測量。

2.5 葉片參數評價

以特征截面為基礎對葉型參數進行評價，這是一個特殊的葉型評價模塊，如弦長、最大厚度、進排氣邊半徑、輪廓度、位置度、進排氣邊厚度等。

3 基于實測點云模型的三維矢量補償技術

為了消除自由曲面測量中的余弦誤差，五軸測量系統采用了完全不同的曲面數據處理方法。該方法基于葉片型面大數據點云模型的快速獲取。在采樣過程中，直接記錄球心的原始坐標，不對探針半徑進行二維補償。基于點云數據，在軟件背景下構造無補償自由曲面。

然后，軟件“縮進”自由曲面的基礎上，每個測量點的法線方向的測量三維自由曲面（加厚表面）。縮進是測量球體的半徑。最后，根據葉片設計圖對截面高度的要求，得到了葉片的截面輪廓，并進行了相應的分析[3]。

三維矢量補償技術可以從理論上消除余弦誤差產生的原因，提高葉型測量的精度。由于這種補償方法的優點，消除了余弦誤差，測量的葉片輪廓，尤其是邊緣形狀，更加平滑和真實地反映了葉片的實際輪廓。根據實測剖面，三維矢量補償剖面與二維補償剖面的最大偏差為0．086mm。通過消除測量機的精度，驗證了三維補償算法的可靠性和準確性，符合預期的理論偏差。

4 五軸聯動測量整體葉盤葉型測量效率分析

五軸測量技術不僅提高了整體葉盤復雜葉型的測量精度，而且大大提高了葉型的測量速度，通過最小化加速度減小了機器結構的慣性負荷，從而徹底解決了動態性能變化的問題，在不降低精度的前提下提高了效率。五軸聯動機構可以掃描速度高達500mm/s，每秒可處理4000 個數據點，還可以使測量機與測量基座軸同步無障礙移動，從而保證測量機結構可以最小化動態偏移，獲得最佳測量性能[4]。

隨著測量速度的大幅度提高，測量效率也顯著提高。如五軸高速測量速度為300mm/s，測量時間為10．25h，單片測量效率提高了70%，詳見表1。

表1 五軸聯動測量速度及效率

5 結語

隨著航空發動機整體葉盤設計的發展，整體葉盤結構越來越復雜，葉片展開方向角也是可變的。傳統的二維測量不能滿足檢測要求，在葉片表面接觸三坐標測量中，三維探針補償算法將取代傳統的二維補償算法，五軸測量技術是一種典型的三維補償掃描技術，可以從算法層面上消除余弦誤差[5]。當然，五軸測量技術的應用也需要不斷的研究，尤其是掃描參數的合理選擇，如采樣密度、掃描速度等。另外，非接觸式光學測量不需要直接進行半徑補償就可以得到測量結果，一些點掃描技術已經在單葉片測量中得到了很好的應用，相信基于高速光柵投影技術的高精度光學測量機將是未來的發展趨勢。