王幫艷，戶(hù)建軍

（襄陽(yáng)航泰動(dòng)力機(jī)器廠(chǎng)，湖北 襄陽(yáng) 441002）

整體葉盤(pán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零部件，葉片的幾何形狀和尺寸決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，葉片的形狀的精度及精度位置，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及安全可靠性影響較大，因此葉片型面的檢測(cè)具有十分重要的意義。整體葉盤(pán)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，它采用了整體式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜型面葉片，將工工作中的金屬葉片及輪盤(pán)聯(lián)為一體，省去了原有金屬葉片與輪盤(pán)所使用的榫頭和榫槽，從而使葉盤(pán)結(jié)構(gòu)變得更為緊湊，減少了葉盤(pán)重量、零件數(shù)量和氣流損失。葉片的型面是空間自由曲面，每個(gè)截面高度的葉型輪廓形狀不盡相同，并且同時(shí)呈扭轉(zhuǎn)上升狀，葉片的后緣部分厚度較薄，尤其是排氣邊半徑非常小，這些特點(diǎn)給葉片型面檢測(cè)造成了困難[1]。在整體金屬葉盤(pán)研制之初，需要給研發(fā)設(shè)計(jì)人員提供葉型加工的真實(shí)數(shù)據(jù)，必須測(cè)量出金屬葉型截面坐標(biāo)的偏移量及扭轉(zhuǎn)誤差，同時(shí)對(duì)葉盤(pán)的整體坐標(biāo)偏移，葉身最小厚度處偏差、進(jìn)氣邊和排氣邊圓弧誤差等，以便整機(jī)性能出現(xiàn)偏差時(shí)為后續(xù)處理和故障分析奠定基礎(chǔ)。

圖1 整體葉盤(pán)

1 需求分析

在整個(gè)金屬葉盤(pán)技術(shù)條件下，設(shè)計(jì)出基準(zhǔn)通過(guò)金屬葉片型，并允許葉盆及葉背的兩個(gè)進(jìn)氣方向偏移一定數(shù)值，同時(shí)，還要允許沿著中心軸的角度進(jìn)行扭轉(zhuǎn)角度，從綜合的角度來(lái)判斷，金屬葉片型面是否合格。在現(xiàn)有的金屬葉型所允許的位置角度來(lái)進(jìn)行測(cè)量，在一般情況下，采用傳統(tǒng)型面測(cè)具的極限測(cè)量方法，這種方法在新產(chǎn)品研制中，不能得到實(shí)際及的葉片型面的具體數(shù)據(jù)及便宜差值，從而產(chǎn)品生產(chǎn)帶來(lái)了很大的困難[2]。在傳統(tǒng)的型面測(cè)試工具中，不適適應(yīng)新產(chǎn)品的制作方法，傳統(tǒng)方法僅適用于項(xiàng)目性能較低，且余量整體葉盤(pán)生產(chǎn)的使用工序等。為了確保在金屬葉片整體的生產(chǎn)過(guò)程中，葉片制作的合格率從而提高，并做出一種高性能，同時(shí)數(shù)字化程度較高的產(chǎn)品，從過(guò)去的只能定性測(cè)量改進(jìn)為直觀(guān)定量測(cè)量，克服人為的視覺(jué)判斷誤差，并能檢測(cè)出葉片型面位置度及扭轉(zhuǎn)具體數(shù)值的方法，來(lái)滿(mǎn)足葉片型面綜合誤差的技術(shù)條件檢測(cè)要求。為解決這類(lèi)實(shí)際生產(chǎn)中的測(cè)量難題，在調(diào)研了解了國(guó)內(nèi)外相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)零備件研發(fā)生產(chǎn)單位類(lèi)似葉盤(pán)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)拓展UG三維造型功能，建立葉身和測(cè)具模型，進(jìn)行仿真模擬裝配，研制輔助測(cè)量夾具，采用橫式裝夾定位，結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的數(shù)據(jù)采集并建立數(shù)學(xué)模型來(lái)達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)量的目標(biāo)。

2 葉型數(shù)據(jù)

整體葉盤(pán)葉片型面的理論數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)計(jì)人員氣動(dòng)計(jì)算后得以確定，包含葉根、葉冠的基本參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作軸線(xiàn)，葉盆葉背相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)值，截面高度、各圓弧坐標(biāo)等，并且多以列表的形式出現(xiàn)。在一般情況下，所給定的Yi截面及葉背面的型值點(diǎn)坐標(biāo)值，各個(gè)截面所形成的該截面葉盆型值點(diǎn)分別構(gòu)成該截面的葉盆型線(xiàn)和葉背型線(xiàn)。由于葉型數(shù)據(jù)通常在給定的Yi截面內(nèi)給出，因此在這些給定的截面內(nèi)也會(huì)進(jìn)行葉型誤差檢測(cè)。因此，葉型誤差可以定義為所有給定Yi截面內(nèi)葉型誤差值的最大值。

關(guān)于葉型數(shù)據(jù)的測(cè)量，目前有標(biāo)準(zhǔn)樣板對(duì)比法、有掃描建模重合比對(duì)法、有專(zhuān)用葉型測(cè)量?jī)x檢測(cè)法等。目前的測(cè)量方法雖然很多，但都有各自的特點(diǎn)，但是這些測(cè)量方法在測(cè)量效率、測(cè)量精度、測(cè)量成本、測(cè)量對(duì)象數(shù)量等方面都存在不足，數(shù)據(jù)處理不夠靈活。因此，采用適應(yīng)性萬(wàn)能的三坐標(biāo)測(cè)量方法，能夠較好地克服其他測(cè)量方法的弊端，達(dá)到價(jià)格低廉、使用方便，且適宜生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并在加工過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)差的高效率研發(fā)應(yīng)用[3]。

3 測(cè)量?jī)x器及裝置

3.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本原理是通過(guò)寶石測(cè)頭與測(cè)量空間軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的配合，用操縱桿控制測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)，按照設(shè)想的方向運(yùn)動(dòng)測(cè)量機(jī)的某個(gè)軸，通過(guò)空間點(diǎn)的離散定位得到被測(cè)幾何元素，然后通過(guò)一定的數(shù)學(xué)計(jì)算對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析和擬合。最后對(duì)測(cè)得的幾何要素進(jìn)行還原，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出幾何要素與理論值的偏差，從而完成對(duì)測(cè)得零件的檢測(cè)。

3.2 高精度萬(wàn)能分度頭

利用分度刻度環(huán)和游標(biāo)，定位銷(xiāo)和分度盤(pán)以及交換齒輪，將裝卡在卡盤(pán)上的被測(cè)葉盤(pán)分成任意角度，用于檢測(cè)不同葉片型面時(shí)的分度。

3.3 測(cè)量夾具

根據(jù)整體葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了測(cè)量夾具，測(cè)量夾具由轉(zhuǎn)軸、卡板、夾緊螺母、定位銷(xiāo)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)量夾具

4 測(cè)量方法

4.1 裝夾

測(cè)量開(kāi)始前，將高精度分度頭固定于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)面上，通過(guò)高精度分度頭的三爪將測(cè)量夾具安裝夾緊，并找正測(cè)量夾具的軸線(xiàn)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的水平軸線(xiàn)平行，再將被測(cè)葉盤(pán)裝夾在測(cè)量夾具上。轉(zhuǎn)動(dòng)葉盤(pán)，可使待測(cè)葉片始終處于一個(gè)合適位置，并將其作為基準(zhǔn)位置，再用定位銷(xiāo)將葉盤(pán)固定，通過(guò)高精度萬(wàn)能分度頭實(shí)現(xiàn)葉片數(shù)的均布。

4.2 建立坐標(biāo)系

建立坐標(biāo)系的基本方法是“面、線(xiàn)、點(diǎn)”法，即測(cè)量一個(gè)平面，一條直線(xiàn)和一個(gè)點(diǎn)，將該平面定義為坐標(biāo)系的基準(zhǔn)平面，該直線(xiàn)定義為坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)，該點(diǎn)定義為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。初始各點(diǎn)的位置由操作者自行選定，但需通過(guò)測(cè)量球心構(gòu)造基準(zhǔn)平面、基準(zhǔn)線(xiàn)和基準(zhǔn)原點(diǎn)。具體方法：首先在葉盤(pán)端面A上觸測(cè)三點(diǎn)，將其設(shè)定為基準(zhǔn)平面 XY面，在XY面上觸測(cè)兩點(diǎn)構(gòu)造一條直線(xiàn)，將其作為X軸的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)，然后在測(cè)量夾具圓柱面B上觸測(cè)三點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)圓，將過(guò)其圓心且垂直于XY面的直線(xiàn)定為Z軸，并將Z軸與XY面的交點(diǎn)設(shè)定為坐標(biāo)系原點(diǎn)，最后指定各軸正方向，即建立了葉片型面測(cè)量的工件坐標(biāo)系。

4.3 測(cè)量形面數(shù)據(jù)

葉片型面是復(fù)雜曲面，需要由多條曲線(xiàn)擬合而成。測(cè)量時(shí)，在給定的Yi（i=1，2…n）截面內(nèi)，以一定的Z向間隔值觸測(cè)葉片表面，逐個(gè)測(cè)量多條曲線(xiàn)。然后在軟件窗口中創(chuàng)建曲面，即得到葉片的型面數(shù)據(jù)。

4.4 測(cè)球半徑補(bǔ)償誤差

當(dāng)紅寶石探測(cè)頭與工件接觸時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接收到的坐標(biāo)值為紅寶石探測(cè)頭中心點(diǎn)的坐標(biāo)值。測(cè)量軟件將球沿探側(cè)頭與工件接觸方向的半徑值相加，以補(bǔ)償半徑。然而，如果探測(cè)器在一個(gè)角度的聯(lián)系方向與被測(cè)表面的法線(xiàn)方向，補(bǔ)償點(diǎn)不是真正的接觸點(diǎn)，但一個(gè)點(diǎn)的方向沿著探針探針接觸工件，從而導(dǎo)致補(bǔ)償誤差。角度越大，誤差越大，因此，探頭的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)盡量與被測(cè)表面垂直，探測(cè)頭應(yīng)沿被測(cè)表面的法線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，以減小半徑補(bǔ)償誤差。

4.5 利用CAD模型編程測(cè)量

PC DMIS CAD++測(cè)量軟件對(duì)于完成各種復(fù)雜自由曲面和不規(guī)則形面的測(cè)量較為方便，尤其是應(yīng)用脫機(jī)編程模式，通過(guò)軟件技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化、提高測(cè)量精度、降低測(cè)量成本，而且脫機(jī)編程功能還可節(jié)省聯(lián)機(jī)編程時(shí)間，并提高測(cè)量與評(píng)價(jià)的工作效率。在CMM編程過(guò)程中，一方面可通過(guò)參數(shù)設(shè)定，增加測(cè)量點(diǎn)的密度及曲線(xiàn)軌跡條數(shù)，另一方面，通過(guò)定義、創(chuàng)建檢測(cè)的自由曲面區(qū)域和邊界點(diǎn)的選取等方法，就可以將輪廓曲面分為任意數(shù)量的有效測(cè)量區(qū)域段，從而達(dá)成預(yù)想的測(cè)量效果。

5 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

金屬葉片型面屬于自由曲面，由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)得到的金屬葉片測(cè)量數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)建模、模型對(duì)齊以及誤差分析比較等數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

5.1 測(cè)量模型的建立

這里采用均勻B樣條曲線(xiàn)逼近算法擬合葉片型面的測(cè)量模型。設(shè)輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)列為Mi（i=0，1…m），擬合后的B樣條曲線(xiàn)。

式中，（0≤u≤1，n≤m，j=0，1…n）Pj，k（u）為k次B樣條基函數(shù)，Dj是待求的B樣條控制點(diǎn)。由用戶(hù)指定B樣條的控制點(diǎn)數(shù)n+1和次數(shù)k后系統(tǒng)可自動(dòng)生成擬合曲線(xiàn)，并通過(guò)對(duì)指定的不同n和k擬合后的誤差值比較，最終確定最佳B樣條的控制點(diǎn)數(shù)及次數(shù)。

利用UG軟件的高級(jí)曲面造型功能實(shí)現(xiàn)曲面模型的生成，生成步驟是把點(diǎn)擬合成線(xiàn)，再把線(xiàn)擬合成面。將測(cè)量數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到UG軟件中，用均勻B樣條曲線(xiàn)擬合算法對(duì)每一截面的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，生成曲面所需各個(gè)截面的曲線(xiàn)，利用高級(jí)曲面造型工具生成以曲線(xiàn)為骨架的曲面模型。葉型測(cè)量過(guò)程中采集的截面數(shù)越多、測(cè)量點(diǎn)越密集就越能反映葉型表面的真實(shí)情況。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品的精度來(lái)確定測(cè)點(diǎn)數(shù)量，原則上是在保證測(cè)量精度要求的前提下，盡量減少測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，能最大限度的提升檢測(cè)效率。

5.2 基于UG的葉片型面誤差評(píng)定軟件

通過(guò)葉盆型面上測(cè)量采集的各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，然后由計(jì)算機(jī)按要求的表征參數(shù)將經(jīng)過(guò)處理的實(shí)際數(shù)據(jù)和初始信息獲得的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算，分析得出葉型的加工誤差和真實(shí)曲線(xiàn)。運(yùn)行UG葉片型面誤差評(píng)定，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際模型與理想模型自動(dòng)對(duì)齊，輸出葉片型面誤差的評(píng)定結(jié)果。評(píng)定指標(biāo)主要有型面輪廓誤差、扭曲度誤差、傾斜度誤差和彎曲度誤差等。

6 結(jié)語(yǔ)

目前整體金屬葉盤(pán)有多種葉型檢測(cè)方法，但綜合來(lái)說(shuō)，利用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)，能夠快速、準(zhǔn)確地獲得多個(gè)葉片的型面數(shù)據(jù)，并借助UG軟件，能夠方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，從而得到實(shí)際加工數(shù)據(jù)的偏離值，為設(shè)計(jì)提供改進(jìn)方向。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用證明，該測(cè)量技術(shù)較為簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析計(jì)算和結(jié)果判斷，完全滿(mǎn)足產(chǎn)品檢測(cè)精度的要求，為整體葉盤(pán)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐，可形成典型性整體葉盤(pán)加工的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化結(jié)構(gòu)，并開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，可推廣于各種精鑄型整體葉盤(pán)的葉型綜合誤差測(cè)量，具有極其重要的軍事意義。