三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面檢測(cè)中的應(yīng)用探析

1、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面檢測(cè)中的應(yīng)用探析1、前言航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)是制造業(yè)的精華，綜合了多學(xué)科的成果，技術(shù)難度大，研制周期長(zhǎng)，耗資多，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的科技程度和國(guó)防實(shí)力。葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟部件，直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、平安和壽命。由于葉片加工質(zhì)量對(duì)飛行平安的重要性尤甚，因此對(duì)其品質(zhì)的檢測(cè)較其他機(jī)械零部件要嚴(yán)格復(fù)雜的多。葉片的幾何形狀和尺寸決定了葉片的工作性能，而葉片的型面質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換的效率。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件檢測(cè)中，葉片型面的檢測(cè)具有非常重要的意義。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)領(lǐng)域，目前應(yīng)用最廣泛的就是利用接觸式三坐標(biāo)通過二維掃描的方法對(duì)葉片型面進(jìn)展檢測(cè)。2、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在葉型檢

2、測(cè)中的應(yīng)用2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作原理三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是在機(jī)械零部件尺寸和行為公差檢測(cè)中應(yīng)用最多的測(cè)量設(shè)備。它是通過探針在工件上打點(diǎn)或掃描等接觸式測(cè)量方法對(duì)所要測(cè)量的元素進(jìn)展數(shù)據(jù)采集，然后通過軟件計(jì)算擬合成所要測(cè)量的元素，并最終求出結(jié)果。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的特點(diǎn)是速度快、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)量方法多樣化以及強(qiáng)大的軟件處理才能。2.2三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量葉型的詳細(xì)方法本文舉例對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)展測(cè)量，測(cè)量采用精度到達(dá)(1.5+L/350) um的高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。該風(fēng)扇葉片是目前所有型號(hào)葉片中尺寸最大、改變最大，加工和葉型檢測(cè)難度最大的葉片。其中沿葉片積疊軸方向傾斜角最大處的法線與型面的夾角最大到達(dá)

3、20。下面就以該葉片為例，談?wù)勅鴺?biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)葉片型面的方法和遇到的問題。2.2.1準(zhǔn)備工作首先根據(jù)葉片的形狀和大小，把葉片裝夾在適宜的位置，使得在測(cè)量過程中探針可測(cè)得所有的被測(cè)元素，并且探頭不會(huì)在測(cè)量過程中超出邊界。然后根據(jù)所有被測(cè)元素的位置，準(zhǔn)備不同大小和不同角度的探針，并對(duì)每個(gè)探針進(jìn)展校準(zhǔn)。其中測(cè)量同一型面的不同角度的探針大小必須一致，本文采用的所有探針直徑都為1m m。2.2.2建立坐標(biāo)系首先，翻開測(cè)量軟件建立新的測(cè)量程序，將數(shù)學(xué)模行導(dǎo)入測(cè)量程序。然后根據(jù)圖紙要求，選擇相應(yīng)的幾何元素作為基準(zhǔn)，通過平移和改變建立坐標(biāo)系。使坐標(biāo)系與圖紙葉型坐標(biāo)系一致，坐標(biāo)系建立完畢。所有的葉型測(cè)量都在此坐

4、標(biāo)系下完成。2.2.3建立平安平面根據(jù)葉片的大小和在工作臺(tái)上的位置，建立平安平面，保證自動(dòng)測(cè)量時(shí)探針既不會(huì)碰撞到工件也不會(huì)超出邊界。2.2.4定義名義葉型曲線根據(jù)每個(gè)型面在葉型坐標(biāo)系下的高度，在數(shù)學(xué)模型上截取所要測(cè)量的二維曲線。按曲率定義每個(gè)二維曲線的名義點(diǎn)位置和法線，使得前尾緣處的點(diǎn)步距較小，葉盆葉背的點(diǎn)步距較大。2.2.5編輯每個(gè)元素的測(cè)量程序編輯基準(zhǔn)元素和被測(cè)葉型曲線的測(cè)量程序，包括每個(gè)元素的詳細(xì)測(cè)量位置和方法，所用的探針，以及探針在測(cè)量每個(gè)元素進(jìn)出平安平面的方向、平安間隔 和回退間隔 的大小等。其中葉型曲線用4段掃描的方法進(jìn)展測(cè)量，分葉盆、葉背、前緣和尾緣，葉盆和葉背掃描速度較快，前緣

5、和尾緣掃描速度較慢。每段所采用的探針大小一樣，以保證每個(gè)型面在計(jì)算時(shí)探針半徑補(bǔ)償參數(shù)一致。2.2.6測(cè)量結(jié)果的計(jì)算和處理所有被測(cè)葉型曲線掃描完成后，將每一截面的名義數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)未補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)分別導(dǎo)入葉型處理軟件進(jìn)展計(jì)算，通過最正確擬合計(jì)算得到實(shí)測(cè)葉型曲線和前尾緣放大圖。還可以通過軟件計(jì)算出實(shí)測(cè)葉型的弦長(zhǎng)、位置度、改變角度和輪廓度等特征參數(shù)，來判斷葉型曲線是否合格。2.2.7測(cè)量結(jié)果的輸出將所有實(shí)測(cè)的葉型曲線和前尾緣放大圖以及實(shí)測(cè)的葉型特征參數(shù)匯總到一起，以報(bào)告的形式輸出。實(shí)測(cè)葉型的點(diǎn)坐標(biāo)文件可生成txt格式文件輸出，提供給設(shè)計(jì)人員進(jìn)展分析使用。2.2.8其它葉片的測(cè)量如繼續(xù)進(jìn)展下一片葉片測(cè)量，將測(cè)

6、量程序另存，測(cè)量程序名稱更改為待測(cè)葉片的信息，葉片裝夾好后，手動(dòng)執(zhí)行坐標(biāo)系，自動(dòng)執(zhí)行葉型測(cè)量程序，完成測(cè)量后將測(cè)量結(jié)果進(jìn)展分析處理后輸出，完成測(cè)量。3、葉型計(jì)算時(shí)探針半徑補(bǔ)償?shù)恼`差分析半徑補(bǔ)償誤差產(chǎn)生的原因：接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量葉片型面時(shí)，因測(cè)量原理和測(cè)量方法的原因，會(huì)產(chǎn)生半徑補(bǔ)償誤差。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)探針尖端一般為紅寶石球或碳素球，測(cè)頭采點(diǎn)所得的空間坐標(biāo)為球頭的球心位置。而測(cè)針與物體外表的實(shí)際接觸位置并非球心，所以需要進(jìn)展半徑補(bǔ)償，得到實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值。半徑補(bǔ)償?shù)姆较蚴敲x點(diǎn)的法線方向(在XY平面內(nèi)的二維方向)，而葉片葉型是自由曲而，實(shí)際上葉片上的點(diǎn)的法線方向是三維方向，由此帶來了半徑補(bǔ)償誤差。4

7、、結(jié)論對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部分葉片而言，一般情況下，葉片葉身的彎曲改變很小，法線方向誤差也很小，這個(gè)半徑補(bǔ)償誤差也很小，相對(duì)于葉片葉身型面的輪廓度技術(shù)要求，不用考慮這個(gè)誤差。但對(duì)于某些風(fēng)扇和壓氣葉片而言，有部分截面上測(cè)量點(diǎn)的法線方向與XY平面的夾角較大，沿XY平面做半徑補(bǔ)償，半徑補(bǔ)償誤差較大，就需要采取措施減小這個(gè)誤差。從上章分析可以看出，測(cè)量不確定度主要是半徑補(bǔ)償誤差引起的。被測(cè)點(diǎn)法線方向誤差越大(p角越大)，探針半徑越大，這個(gè)誤差就越大。因此減小半徑補(bǔ)償誤差的方法一是盡量使用較小半徑的探針，二是減小法線方向誤差。采用盡量小半徑的探針，能減小半徑補(bǔ)償帶來的誤差。本文所用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所裝備的最小探

8、針半徑為0.15m m，但小探針容易磨損，帶來磨損偏向，剛性也較差，容易損壞。而且在掃描測(cè)量中存在接觸測(cè)力和摩擦力，有可能對(duì)葉片外表帶來劃痕。所以不建議選擇過小半徑的探針。在某些葉片和整體葉盤測(cè)量中，半徑較小的探針無法完成測(cè)量，只能選擇盡量小半徑的探針。這種情況下，可先選擇適宜半徑的探針測(cè)量扭曲角度最大的型而，然后根據(jù)被測(cè)點(diǎn)法線與程度方向最大偏向角度以及測(cè)量結(jié)果得到Z方向最大偏向值，帶入本文提供的公式計(jì)算出半徑補(bǔ)償誤差引起的不確定度既接近合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。最終計(jì)算出擴(kuò)展不確定度來判斷所用探針是否滿足測(cè)量要求。本文所用的測(cè)量和計(jì)算方法適用于有數(shù)學(xué)模型或己知葉片型面被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和三維法線方向的測(cè)量。如未知葉片型面被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和三維法線方向的測(cè)量，可采用其它方法估算出葉片最大扭曲角度，然后根據(jù)未知掃描測(cè)量結(jié)果中的Z方向最大偏向值，計(jì)算出近似不確定度。由于如今航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)要求越來越高，加工質(zhì)量也越來越高，所以檢測(cè)的方法也急需進(jìn)步。在將來的葉片型面檢測(cè)中，二維曲線掃描的方法所帶來的誤差將不能滿足設(shè)計(jì)要求。所以在用接觸式三坐標(biāo)對(duì)葉片型面進(jìn)展檢測(cè)中，我們也在嘗試用三維曲線掃描的方法進(jìn)展測(cè)量和計(jì)算。以減小在探針半徑補(bǔ)償時(shí)由于被測(cè)點(diǎn)法線與程度方向的角度引起的誤差，來進(jìn)步測(cè)量不確定度。由于葉型處理軟件在