高繼昆

(中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

0 引 言

葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件之一，葉片加工質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命及安全性。由于葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造難度大，設(shè)計(jì)指標(biāo)不易保證。要有效控制葉片加工質(zhì)量，就需要對(duì)葉片型面進(jìn)行大量的測(cè)量工作，從而對(duì)葉片型面檢測(cè)精度與檢測(cè)效率提出了更高的要求。目前，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面檢測(cè)中[1]，主要應(yīng)用接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量。由于接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理上的限制，在測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面時(shí)，測(cè)量速度不能過(guò)快，測(cè)量效率不高。隨著光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)非接觸測(cè)頭越來(lái)越多地應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面測(cè)量當(dāng)中。如ZEISS DotScan 白光距離傳感器、BladeMaster-HPO光纖高速高精度傳感器、Wenzel Scan白光測(cè)量傳感器以及其他光學(xué)三角傳感器應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面測(cè)量[2-5]。它們共同的特點(diǎn)是光斑直徑小、分辨率高，適用于葉片曲面和邊緣測(cè)量；適用于各類(lèi)金屬材料，適用于鏡面和漫反射面物體的測(cè)量；光學(xué)非接觸傳感器可以進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，也可以進(jìn)行連續(xù)掃描測(cè)量，極大地提高了葉片型面的測(cè)量效率。本文通過(guò)使用Wenzel Scan白光測(cè)量傳感器測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面，進(jìn)行白光非接觸葉片測(cè)量方法的試驗(yàn)研究。在測(cè)量過(guò)程中，采用不同的測(cè)量方法得出葉片型面輪廓值。通過(guò)對(duì)葉片型面值的對(duì)比分析，研究不同測(cè)量方法的精確度。

1 Wenzel Scan白光測(cè)量傳感器測(cè)量

1.1 測(cè)量系統(tǒng)組成及測(cè)量原理

CORE－DS白光測(cè)量機(jī)是德國(guó)溫澤公司開(kāi)發(fā)的五軸光學(xué)測(cè)量設(shè)備，見(jiàn)圖1。該測(cè)量系統(tǒng)是由3個(gè)直角坐標(biāo)軸、1個(gè)光學(xué)旋轉(zhuǎn)軸、1個(gè)工件旋轉(zhuǎn)軸組成的5自由度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，保證測(cè)頭能測(cè)量到葉片上所有位置；測(cè)量機(jī)3個(gè)直角坐標(biāo)軸采用光柵測(cè)量系統(tǒng)，2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸采用圓光柵測(cè)量系統(tǒng)，確保定位的準(zhǔn)確性；測(cè)頭系統(tǒng)采用白光傳感器（ScanTec），可測(cè)量最小半徑達(dá)到0.08 mm，入射角最小為5°，可實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片葉形的準(zhǔn)確測(cè)量[6]。

圖1 Wenzel Scan白光測(cè)量系統(tǒng)

白光傳感器采用三角法測(cè)量原理，見(jiàn)圖2。非接觸測(cè)量大多采用三角測(cè)量原理[7-9]，它利用了光源、像點(diǎn)和物點(diǎn)之間的三角關(guān)系來(lái)求得物點(diǎn)的間隔。光源向物體發(fā)射一個(gè)光點(diǎn)，光點(diǎn)到達(dá)物體后經(jīng)過(guò)反射在傳感器上得到一個(gè)像點(diǎn)；光源、物點(diǎn)和像點(diǎn)形成了一定的三角關(guān)系，其中光源和傳感器上的像點(diǎn)的位置是已知的，由此可以計(jì)算得出物點(diǎn)的位置所在。

圖2 三角測(cè)量原理示意圖

CORE－DS多軸高速白光葉片測(cè)量機(jī)采用白光點(diǎn)光源測(cè)頭，取代了傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的接觸式測(cè)頭，可實(shí)現(xiàn)五軸驅(qū)動(dòng)，集成高精度圓光柵與伺服控制的CNC旋轉(zhuǎn)白光測(cè)頭可提供測(cè)頭180°的旋轉(zhuǎn)，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)在測(cè)量時(shí)360°的連續(xù)旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描。直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，測(cè)頭可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片型面測(cè)量。

1.2 葉片型面測(cè)量

1.2.1 建立葉片測(cè)量坐標(biāo)系

葉片是典型的自由曲面零件，其主要由葉身和榫頭兩部分組成。其檢測(cè)的主要參數(shù)為葉片各個(gè)截面上的參數(shù),包括葉型輪廓度、葉型厚度、前（后）緣圓弧形狀、葉型位置度及葉身粗糙度。葉片建立坐標(biāo)系的基本要求為“應(yīng)依據(jù)葉片基準(zhǔn)順序建立測(cè)量坐標(biāo)系，并保證測(cè)量基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合”。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子葉片的定位基準(zhǔn)在葉片的榫頭部位，而轉(zhuǎn)子葉片的榫頭基準(zhǔn)面較小，直接用榫頭基準(zhǔn)面建立測(cè)量坐標(biāo)系容易引起較大的測(cè)量誤差，不利于驗(yàn)證白光測(cè)量傳感器的真實(shí)測(cè)量誤差。因此，在本次測(cè)量試驗(yàn)中，采用標(biāo)準(zhǔn)工裝定位葉片，標(biāo)準(zhǔn)件榫頭與被測(cè)葉片榫頭結(jié)構(gòu)尺寸相同，以標(biāo)準(zhǔn)件代替被測(cè)葉片建立測(cè)量坐標(biāo)系，來(lái)保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。如圖3所示。

葉片型面測(cè)量坐標(biāo)系具體創(chuàng)建步驟如下：

圖3 葉片定位工裝示意圖

1）找正第一軸。以標(biāo)準(zhǔn)件圓柱中心線(xiàn)確定Z軸，掃描標(biāo)準(zhǔn)件圓柱面，圓柱中心線(xiàn)即為Z軸方向。

2）確定XOY平面。垂直于圓柱中心線(xiàn)的面即為XOY平面。

3）確定旋轉(zhuǎn)第二軸。在標(biāo)準(zhǔn)件榫頭側(cè)面設(shè)有基準(zhǔn)面1（見(jiàn)圖3），掃描基準(zhǔn)面1，基準(zhǔn)面的矢量方向確定測(cè)量坐標(biāo)系的Y軸方向。

4）確定坐標(biāo)原點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)件榫頭垂直于基準(zhǔn)圓柱面設(shè)有基準(zhǔn)面2，Z軸與基準(zhǔn)面2的交點(diǎn)確定坐標(biāo)系原點(diǎn)。

5）根據(jù)以上特征通過(guò)3-2-1法可建立坐標(biāo)系。建立坐標(biāo)系過(guò)程需進(jìn)行重復(fù)迭代，直至偏差小于收斂標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 葉片型面測(cè)量

1）導(dǎo)入葉片理論數(shù)模

測(cè)量前應(yīng)準(zhǔn)備測(cè)量所需的葉片理論模型，理論模型在建模坐標(biāo)系里的位置和方向應(yīng)與實(shí)際葉片裝夾在夾具上的位置和方向保持一致，在測(cè)量軟件中導(dǎo)入模型。

2）測(cè)量機(jī)參數(shù)設(shè)定

在進(jìn)行編程和測(cè)量之前應(yīng)對(duì)測(cè)量機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括測(cè)頭運(yùn)動(dòng)和掃描的速度、加速度，測(cè)頭擺動(dòng)的角度范圍，光的強(qiáng)度等。

3）測(cè)量路徑生成及參數(shù)設(shè)定

① 測(cè)量路徑規(guī)劃原則

測(cè)量路徑規(guī)劃應(yīng)在安全的前提下，使測(cè)頭以最短的時(shí)間到達(dá)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)，減少空運(yùn)動(dòng)行程，提高測(cè)量效率。

② 掃描測(cè)量點(diǎn)密度要求

在葉片型線(xiàn)曲率較大處掃描測(cè)量點(diǎn)密度高，曲率較小處掃描測(cè)量點(diǎn)密度低。對(duì)于前后緣變化劇烈的區(qū)域，應(yīng)密集采點(diǎn)，以確保測(cè)量的數(shù)據(jù)與實(shí)體的符合性。

③ 生成截面測(cè)量路徑

對(duì)圖4所示葉片Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ截面輪廓進(jìn)行測(cè)量，按照葉片測(cè)量截面的位置，沿Z軸方向創(chuàng)建出不同Z值的XOY平面。將導(dǎo)入的CAD數(shù)據(jù)（IGS數(shù)據(jù)格式）和創(chuàng)建的平面進(jìn)行求交計(jì)算，得出所需的輪廓線(xiàn)。此輪廓線(xiàn)即為測(cè)量及評(píng)價(jià)中需要用到的理論輪廓線(xiàn)，0-Ⅶ為被測(cè)截面位置。

圖4 葉片測(cè)量截面裝示意圖

求得理論輪廓線(xiàn)后，在特征操作區(qū)中選擇截面的測(cè)量方式，設(shè)定測(cè)量參數(shù)，生成測(cè)量程序。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 葉片測(cè)量過(guò)程

將葉片測(cè)量工裝安裝在測(cè)量機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)上，在測(cè)量工裝上夾緊標(biāo)準(zhǔn)件。用標(biāo)準(zhǔn)件建立葉片測(cè)量坐標(biāo)系，然后將標(biāo)準(zhǔn)件卸下，換上被測(cè)葉片。按設(shè)置好的儀器參數(shù)及葉片截面位置進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)白光測(cè)頭在隨測(cè)量機(jī)X、Y、Z軸移動(dòng)的同時(shí)，測(cè)頭也按照葉片截面的矢量方向調(diào)整自己的姿態(tài)，當(dāng)測(cè)量機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周后，該葉片截面測(cè)量完畢。

2.2 選用評(píng)定方法

根據(jù)設(shè)計(jì)方法和測(cè)量要求，選用與設(shè)計(jì)相統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法來(lái)進(jìn)行誤差評(píng)定。通常選用最小二乘法對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)與理論截面的誤差分析和評(píng)定。

2.3 型面測(cè)量結(jié)果評(píng)定

白光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)葉片型面測(cè)量完成后，應(yīng)用OpenDMIS軟件對(duì)葉片的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與理論輪廓進(jìn)行擬合分析，結(jié)合給定的公差值，將葉片各參數(shù)的理論值、實(shí)測(cè)值、偏差值與超差狀況等信息生成該葉片的測(cè)量報(bào)告。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 白光傳感器測(cè)量葉片型面輪廓度偏差

3 不確定度分析

CORE－DS白光測(cè)量機(jī)為五軸聯(lián)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，在測(cè)量葉片型面時(shí)，測(cè)量機(jī)五軸都要參與到測(cè)量過(guò)程中，這樣才能保證葉片型面快速準(zhǔn)確快速的測(cè)量。被測(cè)葉片的尺寸約為50 mm×20 mm，測(cè)量環(huán)境溫度為20.5℃。由于測(cè)量環(huán)境溫度為20.5℃，與標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃相差很小，因此，引起的不確定度分量很小，可以忽略不計(jì)。

3.1 不確定度來(lái)源

使用常用的測(cè)量不確定度評(píng)定方法[10-11]（標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類(lèi)評(píng)定、標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類(lèi)評(píng)定）對(duì)白光測(cè)頭測(cè)量葉片型線(xiàn)進(jìn)行不確定度評(píng)定 。不確定度來(lái)源有：

1）坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差引起的不確定度分量；

2）白光測(cè)頭掃描誤差引起的不確定度分量；

3）測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量；

4）白光測(cè)頭旋轉(zhuǎn)頭定位誤差引起的不確定度分量；

5）轉(zhuǎn)臺(tái)定位誤差引起的不確定度分量。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.2.1 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值誤差引起的不確定度分量u1

由校準(zhǔn)證書(shū)可知，CORE－DS白光測(cè)量機(jī)示值誤差不超過(guò)±（1.5+L/350） μm，在該葉片型線(xiàn)測(cè)量中取L=50 mm。

測(cè)量機(jī)示值誤差的最大允許值為±（1.5+L/350） μm，估計(jì)為正態(tài)分布，取k=1.96，則：

3.2.2 白光測(cè)頭掃描誤差引起的不確定度分量u2

由校準(zhǔn)證書(shū)可知，掃描誤差不超過(guò)±8 μm，則a＝8 μm，估計(jì)為正態(tài)分布，k=1.96，則：

3.2.3 測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u3

在重復(fù)性條件下，對(duì)同一葉片同一截面葉型進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)量，每一次測(cè)量后計(jì)算其輪廓度誤差xi，10次重復(fù)測(cè)量輪廓度結(jié)果分別為：0.093 2，0.093 0，0.093 9，0.094 5，0.093 8，0.092 4，0.089 7，0.091 2，0.092 1，0.092 8 mm。采用貝塞爾公式計(jì)算出測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u3為

3.2.4 白光測(cè)頭旋轉(zhuǎn)頭定位誤差引起的不確定度分量u4

白光測(cè)頭旋轉(zhuǎn)頭定位誤差為±0.002°，標(biāo)準(zhǔn)工作距離為80 mm，為正態(tài)分布，k=1.96，則：

3.2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)定位誤差引起的不確定度分量u5

轉(zhuǎn)臺(tái)定位誤差為±0.001°，在該葉片型線(xiàn)測(cè)量中取L=50 mm，為正態(tài)分布，k=1.96，則

3.2.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.2.7 擴(kuò)展不確定度

取置信概率p=95%，k=2，則擴(kuò)展不確定度：

經(jīng)過(guò)計(jì)算其擴(kuò)展不確定度能夠滿(mǎn)足現(xiàn)階段葉片型面輪廓度測(cè)量公差的檢測(cè)技術(shù)要求。

4 與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量葉片型面對(duì)比

為了驗(yàn)證白光測(cè)量傳感器測(cè)量葉片型面的準(zhǔn)確性，應(yīng)用接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)相同葉片的同一截面進(jìn)行型面輪廓測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與白光傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

使用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為德國(guó)ZEISS公司的PRISMO navigator 1 200×1 800×1 000，為接觸式測(cè)頭測(cè)量，長(zhǎng)度測(cè)量誤差不大于（1.5+L/350） μm；為了消除余弦誤差[12]對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本次測(cè)量采用的是直徑0.8 mm的探針，測(cè)量模式為葉型截面三維掃描。三坐標(biāo)接觸測(cè)量葉型的結(jié)果見(jiàn)表2，白光傳感器與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量葉片型面輪廓度偏差

表3 葉片型面輪廓度測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)

從表3可以看出，兩種測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果相差不大，全部都在0.015 mm以?xún)?nèi)，差值小于0.005 mm內(nèi)超過(guò)80%。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)光學(xué)測(cè)頭對(duì)葉片型面輪廓度測(cè)量試驗(yàn)，表明將白光點(diǎn)光源用作非接觸式光學(xué)測(cè)頭進(jìn)行葉片測(cè)量，可以解決葉片型面測(cè)量的問(wèn)題。白光光學(xué)測(cè)頭用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面，不僅滿(mǎn)足葉片測(cè)量的精度要求，同時(shí)在測(cè)量效率上也有很大的提高，每片葉片全截面測(cè)量時(shí)間約為10～15 min。從目前葉片測(cè)量方法來(lái)看，非接觸光學(xué)測(cè)頭是國(guó)內(nèi)測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片比較先進(jìn)有效的方法。