基于QUINDOS6的整體葉輪葉型檢測

林建輝，莊世寧

（中航工業(yè)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司計(jì)量儀表所，湖南株洲412002）

基于QUINDOS6的整體葉輪葉型檢測

林建輝，莊世寧

（中航工業(yè)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司計(jì)量儀表所，湖南株洲412002）

為了提高數(shù)據(jù)處理速度，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文介紹了一種快速檢測整體葉輪葉型的方法。選擇計(jì)量型三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量，使用QUINDOS6及專用數(shù)據(jù)自動處理軟件，并自行開發(fā)二次測量程序，對葉型偏差、前后緣半徑R等葉形特征參數(shù)快速精確地進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)自動輸出圖形報(bào)告，最終能夠直觀地反映檢測數(shù)據(jù)結(jié)果。

QUINDOS；葉型截面；三坐標(biāo)測量機(jī)；掃描；數(shù)據(jù)自動處理

0 引言

整體葉輪將工作葉片和輪盤聯(lián)為一體，沒有了榫頭和榫槽，使得葉輪的結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，性能更強(qiáng)。由于工作環(huán)境惡劣，整體葉輪、葉盤往往是由整塊難加工材料加工而成，其形狀復(fù)雜，加工和檢測難度大、效率低［1－2］。而其位置度、前后緣半徑R、葉型輪廓和葉片厚度等參數(shù)的測量精度和測量效率直接影響著航空發(fā)動機(jī)的性能和生產(chǎn)進(jìn)度［3］。如何高精度快速地獲取葉片葉型信息是我們研究追求的目標(biāo)。

葉片型面檢測主要是指型面輪廓和幾何尺寸的檢測。葉片型面測量方法大致有：視覺測量法、光學(xué)投影測量法、激光掃描法和坐標(biāo)測量法等。目前主要以坐標(biāo)測量法對葉片型面幾何尺寸和形狀誤差進(jìn)行掃描，這也是現(xiàn)有的葉片檢測方法中精度較高的一種［3］。從發(fā)展上看，三坐標(biāo)測量機(jī)與三維掃描測頭、轉(zhuǎn)臺及數(shù)據(jù)自動處理BLADE軟件組合是測量葉片較好的手段。

目前測量整體葉輪、葉盤的型面，通常采用曲線掃描指令進(jìn)行截面掃描，把掃描出來的數(shù)據(jù)點(diǎn)做法向半徑補(bǔ)償后人工分析處理數(shù)據(jù)，將葉型實(shí)測點(diǎn)導(dǎo)入到AUTOCAD軟件，連接成曲線后與理論曲線做比較，人為分析出幾何尺寸。在此數(shù)據(jù)處理過程中，數(shù)據(jù)分析難免出現(xiàn)人為誤差，而且人工處理數(shù)據(jù)的效率極為低下。

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高工作效率，我們引進(jìn)了專用數(shù)據(jù)自動處理BLADE軟件，與QUINDOS6測量軟件配套使用。對QUINDOS6做二次開發(fā)并編制子命令，就可以調(diào)用數(shù)據(jù)自動處理BLADE軟件，快速準(zhǔn)確地評定葉型參數(shù)，同時(shí)輸出圖形，最終能夠直觀地反映檢測數(shù)據(jù)結(jié)果。

1 整體葉輪葉型檢測

1.1 葉型測量及數(shù)據(jù)處理方式

選擇PMM-C計(jì)量型三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行測量，利用其掃描功能和曲線擬合補(bǔ)償功能，得到葉型截面的數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)果，再借助MASTERCAM，AUTOCAD等軟件進(jìn)行人工數(shù)據(jù)處理。

PMM-C計(jì)量型三坐標(biāo)機(jī)采用固定式探頭，剛性好、精度高、測量穩(wěn)定。校準(zhǔn)測頭時(shí)根據(jù)葉片葉型特點(diǎn)事先調(diào)好的五個(gè)不同角度的φ2mm的測頭探針 （根據(jù)進(jìn)、排氣邊R值大小，選擇0.5～2 mm的探針），再進(jìn)行校準(zhǔn)。用校準(zhǔn)好了的主探針校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺，選擇轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系，使用轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系，在轉(zhuǎn)臺零位固定好工件。建立工件坐標(biāo)系，根據(jù)理論葉型圖，在葉盆葉背處重復(fù)打點(diǎn)找正葉片積疊軸角向位置，并得到葉片積疊軸與轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系的夾角，附到程序中，用于編程。

運(yùn)用QUINDOS掃描命令ME2DE對葉型每個(gè)截面采用閉環(huán)掃描方式，即三坐標(biāo)測量機(jī)根據(jù)探頭采集的零件表面點(diǎn)信號來控制運(yùn)動。掃描過程如下：定義掃描起始點(diǎn)、方向點(diǎn)和終止點(diǎn)；探頭從起始點(diǎn)開始測量，按定義的掃描方向向終止點(diǎn)掃描；計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)讀取線性差動傳感器信號和光柵尺數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析；控制系統(tǒng)根據(jù)線性差動傳感器信號控制探頭的運(yùn)動方向隨零件表面變化。如圖1所示。測頭補(bǔ)償RCORPLA：在QUINDOS軟件中，為了提高曲線的測頭補(bǔ)償精度，掃描每個(gè)截面時(shí)，實(shí)測的是距離該截面位置相等的兩條平行曲線，如：離心葉輪大葉片70截面數(shù)據(jù)，實(shí)際掃描的則是69.8和70.2兩個(gè)截面，通過相同點(diǎn)密度的掃描設(shè)置，得到近似相等的數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用指令RCORPLA（Plane Radius Correction平面半徑修正）對掃描的兩條曲線 （下面將兩條曲線分別命名為＜EL1＞和＜EL2＞）執(zhí)行空間點(diǎn)的半徑修正，由＜EL1＞的點(diǎn)1和點(diǎn)2以及＜EL2＞的點(diǎn)1計(jì)算出一個(gè)平面。另一個(gè)平面由＜EL1＞的點(diǎn)1以及＜EL2＞的點(diǎn)1和點(diǎn)2計(jì)算出［4］。兩個(gè)平面的對稱點(diǎn)及對稱方向是用來作半徑修正，通過這三個(gè)點(diǎn)作一個(gè)微平面，這個(gè)微平面的法向矢量點(diǎn)就是最終得到測頭補(bǔ)償后的70截面數(shù)據(jù)。

將補(bǔ)償過的數(shù)據(jù)用FMTOBJ指令以TXT文本格式進(jìn)行保存，兩條曲線應(yīng)作為平行線（EL1和EL2）來測量。兩條曲線間的距離必須與兩個(gè)測量點(diǎn)的間距相同。應(yīng)作為平行線在測量過程中，直接采用實(shí)際測量曲面進(jìn)行測頭半徑補(bǔ)償，這就排除了利用模型時(shí)，實(shí)物與模型有很大差異時(shí)的補(bǔ)償失真情況。

以XX10152108離心葉輪為例介紹數(shù)據(jù)處理方法。將保存的數(shù)據(jù)點(diǎn)文本導(dǎo)入MASTERCAM軟件生成樣條曲線（如圖2所示），并將該樣條曲線保存為DWG格式文件。

將得到的截面實(shí)際輪廓線帶基點(diǎn) （坐標(biāo)零點(diǎn)）復(fù)制到事先編輯好的CAD理論模板中，通過人工偏移、旋轉(zhuǎn)得到實(shí)際輪廓與理論輪廓的型面偏差最小，并標(biāo)注出相應(yīng)的尺寸，列出相關(guān)參數(shù)的理論值與實(shí)際值。圖3為使用AUTOCAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，其中尺寸為正值時(shí)表示實(shí)際輪廓要厚于理論輪廓，反之則薄。

1.2 建立數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)

在保證測量精度的前提下，利用測量軟件的對接指令BLADE＿EXPORT，并設(shè)定相關(guān)的參數(shù)，即時(shí)、直觀地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，改變?nèi)斯?shù)據(jù)處理的繁瑣過程。需注意的是，要對測量的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行隊(duì)列定義，區(qū)分葉盆和葉背（DFNQUE指令），使所有截面的葉盆在一個(gè)隊(duì)列、葉背在另一個(gè)隊(duì)列。另外在UG軟件中對模型進(jìn)行截取，得到數(shù)量充分、按曲率變化分布的理論數(shù)據(jù)點(diǎn)。

首先，是BLADE軟件與測量軟件的對接。對接是雙相的，不僅要在測量軟件中利用對接指令，在BLADE軟件中還要通過編輯Parameter settings來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對接；

其次，設(shè)定理論數(shù)據(jù)點(diǎn)。定義理論曲線，區(qū)分葉片每個(gè)截面的葉盆、葉背，理論數(shù)據(jù)格式必須與BLADE模塊中（X，Y，Z；I，J，K）（即坐標(biāo)軸、坐標(biāo)軸矢量）的順序一致。

再者，定義曲線的算法值FLAVOR。包括設(shè)定葉型參數(shù)和設(shè)置算法兩個(gè)方面。設(shè)定葉型參數(shù)時(shí)，需要定義公差值TOLERANCE并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。設(shè)置算法也是十分重要的，對于相同的結(jié)果，利用不同的算法也有可能得到不同的結(jié)果，所以編程人員要根據(jù)實(shí)際情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷選擇最小二乘法最佳擬合來進(jìn)行評價(jià)。還有數(shù)據(jù)的噪聲點(diǎn)的處理等等，也需要專業(yè)操作人員來設(shè)置［5］。

數(shù)據(jù)結(jié)果示例和具體說明如下：

圖4、圖5為使用BLADE軟件處理的某機(jī)型數(shù)據(jù)結(jié)果。我們在一個(gè)葉片上截取了3個(gè)截面，從葉盆、葉背測量得到了130對數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的與對應(yīng)點(diǎn)的實(shí)測距離、理論距離、公差等都明確的列在數(shù)據(jù)表中，如圖4所示。數(shù)據(jù)結(jié)果和葉型數(shù)據(jù)圖中的顏色有著特定的含義：圖4數(shù)據(jù)參數(shù)列表中各項(xiàng)均為黑色則表示合格，如果有某項(xiàng)為紅色則表示該項(xiàng)超差；在圖5、圖6的葉型數(shù)據(jù)圖中，不同的顏色代表不同的曲線，黑色代表理論葉型，藍(lán)色代表公差葉型，綠色代表實(shí)測曲線，紅色代表超差點(diǎn)［6］。

BLADE數(shù)據(jù)處理結(jié)果圖分別通過數(shù)據(jù)參數(shù)列表（圖4）和葉型最佳擬合示意圖 （圖5）來表明數(shù)據(jù)結(jié)果，通過設(shè)定最小二乘法最佳擬合可以得到實(shí)際葉型的最大偏差、最小偏差、葉片最大厚度、前后緣半徑R及弦長等數(shù)據(jù)結(jié)果，同時(shí)也可以根據(jù)實(shí)際情況更改參數(shù)理論公差值。圖6為截面處理結(jié)果爆炸式示意圖能夠清晰的看出前后緣的加工情況。

2 結(jié)論

利用QUINDOS6＋BLADE軟件對整體葉輪進(jìn)行葉片型面的三維檢測，根據(jù)理論數(shù)據(jù)點(diǎn)的矢量方向?qū)θ~形輪廓進(jìn)行2維可視輪廓評價(jià)，軟件數(shù)據(jù)高效自動化測量程序，掃描數(shù)據(jù)自動的導(dǎo)入專用葉型評價(jià)軟件中，通過數(shù)據(jù)的自動分析處理得到實(shí)際葉型偏差、葉片厚度、前后緣半徑R及弦長等圖紙要求的葉型特征參數(shù)報(bào)告。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建立數(shù)據(jù)自動快速處理系統(tǒng)后，提高了數(shù)據(jù)處理速度，自動判斷是否合格，輸出葉型相關(guān)參數(shù)，消除了人為因素對數(shù)據(jù)的影響，結(jié)論準(zhǔn)確可靠。

［1］王剛，趙萬生，史旭明，等.帶葉冠扭曲葉片整體渦輪盤在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用前景［J］.航空精密制造技術(shù)，1999，35（6）：36－38.

［2］黃春峰.現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)整體葉盤及其制造技術(shù) ［J］.航空制造技術(shù)，2006（4）：94－100.

［3］陸佳艷，熊昌友，何小妹，等.航空發(fā)動機(jī)葉片型面測量方法評述［J］.計(jì)測技術(shù)，2009，29（3）：1－3.

［4］?？怂箍?QUINDOS基本命令幫助［Z］.青島：?？怂箍?，2004.

［5］Brown＆Sharpe.Blade Analysis Help［Z］.QINGDAO.

［6］?？怂箍?葉片檢測用戶手冊［M／OL］.［2013－10－16］. http：／／www.hexagonmetrology.com.cn／services／down.aspx.

Improvement Based on QUINDOS6 Inspection on Integral Blade Profile

LIN Jianhui，ZHUANG Shining
（Metrology Institute of China National South Aviation Industry Co.，Ltd，Zhuzhou 412002，China）

QUINDOS；blade section；CMM；scanning；automatic data processing

TB92；TP274.5

B

1674－5795（2014）02－0043－03

10.11823／j.issn.1674－5795.2014.02.12

2013－11－12；收修改稿日期：2014－01－13

林建輝 （1960－），男，工程師，從事無線電、時(shí)頻、幾何量計(jì)量技術(shù)與研究工作。

Abctract：In order to improve the data processing speed and ensure the data exactness，amethod is proposed to do rapid inspection on integral blade profile.Wemake use ofhigh-precisionmeasuring CMM，QUINDOS6 software and specialautomatic data processing software to develop the secondary measuring process，and evaluate quickly and exactly on blade profile characteristic parameters such as blade profile deviation and front and back edge R，etc.Graphic reports are output automatically and simultaneously，which can reflect themeasuring results intuitionally.