三坐标测量机在航空发动机叶片型面检测中的应用探析

1、前言

航空发动机工业是制造业的精华，综合了多学科的成果，技术难度大，研制周期长，耗资多，标志着一个国家的科技水平和国防实力。叶片是航空发动机的心脏部件，直接决定了发动机的性能、安全和寿命。由于叶片加工质量对飞行安全的重要性尤甚，因此对其品质的检测较其他机械零部件要严格复杂的多。叶片的几何形状和尺寸决定了叶片的工作性能，而叶片的型面质量直接影响发动机能量转换的效率。因此在发动机零部件检测中，叶片型面的检测具有十分重要的意义。在航空发动机叶片检测领域，目前应用最广泛的就是利用接触式三坐标通过二维扫描的方法对叶片型面进行检测。

2、三坐标测量机在叶型检测中的应用

2.1三坐标测量机工作原理

三坐标测量机是在机械零部件尺寸和行为公差检测中应用最多的测量设备。它是通过探针在工件上打点或扫描等接触式测量方法对所要测量的元素进行数据采集，然后通过软件计算拟合成所要测量的元素，并最终求出结果。三坐标测量机的特点是速度快、精度高、稳定性强、测量方法多样化以及强大的软件处理能力。

2.2三坐标测量机测量叶型的具体方法

本文举例对某型号发动机风扇转子叶片进行测量，测量采用精度达到 um的高精度三坐标测量机。该风扇叶片是目前所有型号叶片中尺寸最大、扭转最大，加工和叶型✡检测难度最大的叶片。其中沿叶片积叠轴方向倾斜角最大处的法线与型面的夹角最大达到20。下面就以该叶片为例，谈谈三坐标测量机检测叶片型面的方法和遇到的问题。

2.2.1准☑备工作

首先根据叶片的形状和大小，把叶片装夹在合适的位置，使得在测量过程中探针可测得所有的被测元素，并且探头不会在测量过程中超出边界。然后根据所有被测元素的位置，准备不同大小和不同角度的探针，并对每个探针进行校准。其中测量同一型面的不同角度的探针大小必须一致，本文采用的所有探针直径都为1m m。

2.2.2建立坐标系

首先，打开测量软件建立新的测量程序，将数学模行导入测量程序。然后根据图纸要求，选择相应的几何元素作为基准，通过平移和扭转建立坐标系。使坐标系与图纸叶型坐标系一致，坐标系建立完毕。所有的叶型测量都在此坐标系下完成。

2.2.3建立安全平面

根据叶片的大小和在工作台上的位置，建立安全平面，保证自动测量时探针既不会碰撞到工件也不会超出边界。

2.2.4定义名义叶型曲线

根据每个型面在叶型坐标系下的高度，在数学模型上截取所要测量的二维曲线。按曲率定义每个二维曲线的名义点位置和法线，使得前尾缘处的点步距较小，叶盆叶背的点步距较大。

2.2.5编辑每个元素的测量程序

编辑基准元素和被测叶型曲线的测量程序，包括每个元素的具体测量位置和方法，所用的探针，以及探针在测量每个元素进出安全平面的方向、安全距离和回退距离的大小等。其中叶型曲线用4段扫描的方法进行测量，分叶盆、叶背、前缘和尾缘，叶盆和叶背扫描速度较快，前缘和尾缘扫描速度较慢。每段所采用的探针大小相同，以保证每个型面在计算时探针半径补偿参数一致。

2.2.6测量结果的计算和处理

所有被测叶型曲线扫描完成后，将每一截面的名义数据和实测未补偿的数据分别导入叶型处理软件进行计算，通过最佳拟合计算得到实测叶型曲线和前尾缘放大图。还可以通过软件计算出实测叶型的弦长、位置度、扭转角度和轮廓度等特征参数，来判断叶型曲线是否合格。

2.2.7测量结果的输出

将所有实测的叶型曲线和前尾缘放大图以及实测的叶型特征参数汇总到一起，以报告的形式输出。实测叶型的点坐标文件可生成txt格式文件输出，提供给设计人员进行分析使用。

2.2.8其它叶片的测量

如继续进行下一片叶片测量，将测量程序另存，测量程序名称更改为待测叶片的信息，叶片装夹好后，手动执行坐标系，自动执行叶型测量程序，完成测量后将测量结果进行分析处理后输出，完成测量。

3、叶型计算时探针半径补偿的误差分析

半径补偿误差产生的原因：ฟ接触式三坐标测量机测量叶片型面时，因测量原理和测量方法的原因，会产生半径补偿误差。三坐标测量机探针尖端一般为红宝石球或碳素球，测头采点ฐ所得的空间坐标为球头的球心位置。而测针与物体表面的实际接触位置并非球心，所以需要进行半径补偿，得到实测点坐标值。半径补偿的方向是名义点的法线方向，而叶片叶型是自由曲而，实际上叶片上的点的法线方向是三维方向，由此带来了ฏ半径补偿误差。

4、结论

对航空发动机各部分叶片而言，一般情况下，叶片叶身的弯曲扭转很小，法线方向误差也很小，这个半径补偿误差也很小，相对于叶片叶身型面的轮廓度技术要求，不用考虑这个误差。但对于某些风扇和压气叶片而言，有部分截面上测量点的法线方向与XY平面的夹角较大，沿XY平面做半径补偿，半径补偿误差较大，就需要采取措施减小这个误差。

从上章分析可以看出，测量不确定度主要是半径补偿误差引起的。被测点法线方向误差越大，探针半径越大，这个误差就越大。因此减小半径补偿误差的方法一是尽量使用较小半径的探针，二是减小法线方向误差。

采用尽量小半径的探针，能减小半径补偿带来的误差。本文所用的三坐标测量机所配备的最小探针半径为0.15m m，但小探针容易磨损，带来磨损偏差，刚性也较差，容易损坏。而且在扫描测量中存在接触测力和摩擦力，有可能对叶片表面带来划痕。所以不建议选择过小半径的探针。

在某些叶片和整体叶盘测量中，半径较小的探针无法完成测量，只能选择尽量小半径的探针。这种情况下，可先选择合适半径的探针测量扭曲角度最大的型而，然后根据被测点法线与水平方向最大偏差角度以及测量结果得到Z方向最大偏差值，带入本文提供的公式计算出半径补偿误差引起的不确定度既接近合成标准不确定度。最终计算出扩展不确定度来判断所用探针是否满足测量要求。

本文所用的测量和计算方法适用于有数学模型或己知叶片型面被测点坐标和三维法线方向的测量。如未知叶片型面被测点坐标和三维法线方向的测量，可采用其它方法估算出叶片最大扭曲角度，然后根据未知扫描测量结果中的Z方向最大偏差值，计算出近似不确定度。

由于现在航空发动机叶片的设计要求越来越高，加工质量也越来越高，所以检测的方法也急需提高。在未来的叶片型面检测中，二维曲线扫描的方法所带来的误差将不能满足设计要求。所以在用接触式三坐标对叶片型面进行检测中，我们也在尝试用三维曲线扫描的方法进行测量和计算。以减小在探针半径补偿时由于被测点法线与水平方向的角度引起的误差，来提高测量不确定度。由于叶型处理软件在三维法线方向计算中还存在一些问题，在某些情况下无法达到计算要求，所以目前还不能完全满足测量要求。有些问题还在进一步的研究和探索中，争取能尽快的成功，以达到检测水平的提高。