1、叶片进排气边缘曲线的检测技术研究摘要：本文对在叶片前后缘形状轮廓测量中，遇到的扭角过大出现测头余弦误差，产生的叶片边缘型线无法拟合检测难题，经过多次的测量比对数据分析，完善检测方案，从而解决了大扭角叶片进排气边缘曲线 R 的检测。 关键词：叶片前后缘 扫描 型面轮廓 Detection Technology of Intake and Exhaust Edge Curve of The Blade Cao Yang Chai Haifeng Li Chunmei Gao Jing （AVIC Xian Aero-Engine （Group） metering center Co. Ltd， S
2、haanxi Xian 710021，China） Abstract：In this paper， the shape of the blade trailing edge contour measurement， encountered twist angle is too large probe cosine error occurs， the resulting type line can not fit the blade edge detection problem， after many of the measured ratio of the data analysis， sou
3、nd detection scheme， thereby solving the big twist angle blade edge curve R intake and exhaust testing. Keywords： Around the edge of the blade； Scanning； Surface contour 0 引言 随着近几年的科研产品不断改进，不仅测量精度要求在提高，叶片叶型曲率变化也特别大，叶片前后缘形状也存在多元化，不但存在半径为 R 值圆弧型前后缘半径，同时出现了以 前后缘半径为代表的形状为椭圆形的前后缘半径，由于叶片前后缘形状厚度只有 0.2mm 左右
4、，叶片扭角太大。 在传统的检测方法，由于受到检测技术的限制，只能采用半径样板进行前后缘半径比对测量，从而将三维的叶片分解成的二维截面。随着设计及检测技术的发展，设计和检测部门越来越多地应用三维造型软件来完成零部件的设计与检测，目前，通过三维造型软件将设计图数表 UG数模导出数据，从数模中截取 R 形状数据做出各截面的理论图形在三坐标测量机对其型面轮廓进行逐点扫描，给出每个截面线 R 的实际轮廓形状，将 R 实际轮廓形状导入 AutoCAD 中，进行测量的 R 实际轮廓形状与理论图形比对，准确地反映了叶片前后缘半径的真实曲面状态。 图 1 叶片进排气边缘示意图 1 叶片进排气边缘的结构及特点 在
5、对生产单元转子叶片标准件的验收工作中，遇到了叶片前后缘形状与其它机种叶片不同之处：其它机种叶片前后缘形状为半径 R 值的半圆，通过检测 R 的大小可实现与理论半圆直径的尺寸比较；而新机种其前后缘半径形状为椭圆（R+0.05-0.03） 。用边缘投影仪只能对叶片的三个截面的前后缘形状进行检定，而每个叶片要有十几个截面，针对这种情况，我们使用采取三坐标测量机常规扫描叶身型面，由于叶片前后缘形状厚度只有 0.2mm 左右，叶片扭角太大，出现测头余弦误差造成前后缘半径型线无法拟合，迫使检定工作无法进行，使叶片标准件的验收工作停滞不前。因无验收叶片标准，使得成品叶片无法交付。 图 2 叶片截面型线扫描示
6、意图 2 技术研究内容 针对上述前后缘形状遇到的检测难题，在对该类型叶片测量时，采用了两种不同的测量方法对叶片边缘进行了对比测量： 2.1 采用样膏取模比对的检测方法 2.1.1 使用设计提供的叶片数表 UG 数模导出数据，从数模中截取 R形状数据做出各截面的前后缘形状理论图形； 2.1.2 首先使用三坐标测量机根据理论数据，标定出叶片的每个实际截面线位置；用样膏在其截面上取模；利用万能工具显微镜对其型面轮廓进行采点扫描，给出每个截面线的实际轮廓形状；对每个叶片的十几个截面进行取模，每个截面采点扫描间隔为 0.02mm 采一个点，共采 100个点，将各点连成曲线即为实际轮廓图形，将实际轮廓形状
7、导入 AutoCAD中，将测量的实际轮廓形状与理论图形进行比对，给出测量结果，验证前后缘形状符合（R+0.05-0.03）设计要求。 2.2 采用坐标机三维 CAD 实体模型扫描的检测方法 2.2.1 采用设计基准手动建立与设计相同的测量坐标系，将设计提供的三维实体 CAD 模型直接导入坐标机的测量程序中，使测量坐标系与三维实体 CAD 模型拟合，由于 CAD 模型中包含了叶片曲面任意部位的理论点信息，通过在测量软件上利用理论数据引导，直接在叶片相应截面高度处的前后缘半径上点选出扫描范围，通过控制扫描的速度和扫描点数来自动生成当前位置的理论点信息。 2.2.2 根据得到的理论点信息利用 CAD
8、 模型构造出型线轮廓，结合三维 CAD 实体模型进行叶片的数字化评定，即使有不同原因造成实测点偏离理论截面，但由于 CAD 模型中包含了叶片型面任意部位的理论点信息，比较容易得到型线上各部位点矢量，实现，在哪个部位触测，就用这个部位的实测点刺穿 CAD 模型，重新获取当前位置的理论点信息，按照理论点矢量对前后缘半径曲面进行等截面测量。 3 测量数据误差来源分析 由于新机种叶片前后缘形状比较小，特别在叶身曲率变换很大的叶尖部位其前后缘形状变化也更大，测量时很容易在这个部位产生异常点，从而将叶片前后缘轮廓度的测量误差放大。经过多次实验比对，采用有效的检测方法将减小异常值出现的几率。 3.1 采用样
9、膏取模比对的检测方法 采用样膏在叶片前后缘各截面上取模时，由于样膏本身的特性，对于小区域、薄壁件其样膏在取模时会产生一定的变形，在通过万能工具显微镜进行型面轮廓采点，给出的截面线实际轮廓形状会代入测量误差，从而造成叶片前后缘轮廓形状误判。解决的方法是采用快干样膏，加大样膏的接触叶片前后缘的范围，在样膏上标定出所需的截面范围，用样膏刀截取出反映叶片前后缘形状的相应处样膏截面，作为万能工具显微镜型面采样的样本，从而避免样膏采样的带来的测量误差。 3.2 采用坐标机三维 CAD 实体模型扫描的检测方法 采用坐标机测量叶片前后缘型线时，对于传统等截面测量，通常先将测量设备的测球半径补偿关闭，控制测球的
10、球心坐标按照要求的截面高度运行并触测。在曲率变化较大的部位，测球还未达到目标位置，就与上部曲面接触，提前触发，并将中心坐标值反馈测量软件。这时反馈的坐标信息并不是真正的理论点位置，从而带来了一定的测量误差。 图 2 坐标测量机测头修正误差示意图 如上图所示，假设测球半径为 1mm，被测表面倾斜角度为 60。点B 是理论目标点，点 C 是实际输出坐标位置。直线 BC 的长度就是测量所带入余弦误差值。 OB=1.1547 mm 则 BC=OB-OC=1.1547-1=0.1547 mm 通过上述分析可以看出，测量引入的余弦误差受到该处的曲率变化和测量所采用测球直径的影响。曲率变化越大，余弦误差越大
11、；同时测球直径越大，余弦误差越大。若要减小测量所带入的测量余弦误差，在不能改变该处的曲率变化情况下，尽量要采用越小的测球直径。 4 数据分析比对 以发动机 4 级转子叶片前后缘形状检测结果为例，通过两种测量方法检测比对，数据如下表所示，采用坐标机测量的结果比之样膏测量结果更贴近理论数据，检测结果的离散度更趋于正态分布。通过实验，对于叶片前后缘形状偏离理论数据较大的，采用坐标机测量无法直接采用CAD 提取的数据需要经过理论数据修改，造成检测效率较低；同时对于个别截面超差时，反复重新建坐标效率极低，无法满足现场修模的进度，而采用样膏取模的方法则可针对相应的截面直接进 5 结论 通过多次的测试比对实
12、验，只对三维叶片前后缘形状曲面转换成二维特征进行测量评定时的误差来源分析，证明了利用样膏取模和 CAD 实体模型扫描测量叶片边缘型线的测量技术，不但能准确提供叶片前后缘形状的尺寸信息，而且在测量效率方面也有很大的提高。通过对“叶片进排气边缘曲线的检测技术”的研究，采用两种方法相互协调补充，取长补短，完成新型叶片边缘形状曲面检测。 参考文献： 1 陆佳艳 熊昌友 计测技术-航空发动机叶片型面测量方法评述 2009. 2 海克斯康测量技术（青岛）有限公司. PC-DMIS 参考手册. 2007. 3 国防科工委与质量司. 几何量计量 M . 北京：原子能出版社，2002 2 张国雄. 三坐标测量机 M . 天津：天津大学出版社，1999.
