航空葉片型面三坐標(biāo)檢測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

（電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，成都 611371）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械,主要為航空器提供飛行動(dòng)力，被譽(yù)為飛機(jī)的“心臟”，又被稱為“工業(yè)之花”，直接影響著飛機(jī)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)國家工業(yè)實(shí)力的重要體現(xiàn)。航空葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，也是涉及發(fā)動(dòng)機(jī)安全性能的關(guān)鍵動(dòng)部件，發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過葉片對空氣進(jìn)行壓縮和膨脹，其曲面形狀和制造精度很大程度上決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率[1]。因此在葉片制造過程中，必須重視其型面的質(zhì)量控制，通過科學(xué)有效地應(yīng)用葉片檢測技術(shù)，能夠有效保障葉片型面制造精度，最終保證復(fù)雜氣動(dòng)外型的高性能特性。

葉片通常為薄壁、大扭曲、批量生產(chǎn)的精密部件，其檢測存在一系列難點(diǎn)：（1）檢測精度要求高，通常要求微米級測量；（2）對檢測效率要求較高，須滿足生產(chǎn)要求；（3）由于葉片安裝楔型面小，其測量過程中裝夾定位和基準(zhǔn)建立的誤差較大；（4）葉片測量數(shù)據(jù)的處理與分析復(fù)雜，綜合評定難度較大[2]?，F(xiàn)有的葉片型面檢測方法基本可分為接觸式檢測與非接觸式檢測兩類。接觸式測量是指通過傳感器測頭與產(chǎn)品接觸的方式來測量產(chǎn)品表面點(diǎn)的坐標(biāo)位置；非接觸式測量主要是指基于光學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域的基本原理，利用相關(guān)物理模擬量來得到產(chǎn)品表面數(shù)字信息的方法，如激光測量等。葉片測量方法中接觸式的三坐標(biāo)測量技術(shù)目前相對于其他測量方式具有更高的可靠性和測量精度，被廣泛應(yīng)用在葉片型面的質(zhì)量控制中。

如何實(shí)現(xiàn)葉片高效、高精度、人性化的測量，解決好檢測過程中的一系列技術(shù)難題，對提升葉片制造品質(zhì)和解決數(shù)字化工廠的管控效能具有重要價(jià)值，也對我國航空航天及其他高端制造行業(yè)的制造品質(zhì)管控具有重要意義。

1 航空葉片三坐標(biāo)檢測技術(shù)及設(shè)備

坐標(biāo)測量是在20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種測量新技術(shù)，其主要原理是通過數(shù)字測量設(shè)備將被測幾何元素的測量轉(zhuǎn)化成對部分關(guān)鍵點(diǎn)集的測量，而后再采用數(shù)據(jù)建模等分析手段來實(shí)現(xiàn)對測量對象的評定[3]。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家在坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machine，CMM）領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，全球著名的坐標(biāo)測量設(shè)備制造商均出自國外，如MAHR、Zeiss、Hexagon等。圖1所示為基于Hexagon的三坐標(biāo)測量機(jī)對葉片的測量過程，該CMM配置了專業(yè)葉片檢測夾具，能夠一次性對多個(gè)葉片進(jìn)行測量，大幅提升了檢測的效率。

在葉片三坐標(biāo)檢測領(lǐng)域，高效、高精度的測量方法以及葉片專用的測量與分析軟件一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。測量的效率和精度很大程度上是由測頭系統(tǒng)所決定的，接觸式測頭又分為觸發(fā)式與掃描式兩大類，其中掃描式測頭由于測量效率高、測點(diǎn)密集等特點(diǎn)，多用于有形狀和輪廓要求零件的測量，也是目前通過CMM對葉片測量時(shí)最常用的測頭。近年，為適應(yīng)車間惡劣的工作環(huán)境，MARPOSS公司研發(fā)了具有高穩(wěn)定性和高可靠性Mida?系列測頭。英國Renishaw公司也于2015年推出了高精度的五軸測量系統(tǒng)REVO-2，大幅度降低了坐標(biāo)測量機(jī)在高速測量時(shí)的動(dòng)態(tài)誤差，提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，且相對于傳統(tǒng)的依靠分度頭所實(shí)現(xiàn)的五軸葉片測量系統(tǒng)而言[4]，其在測量效率和精度方面具有十分明顯的優(yōu)勢。此外，研制高精度的掃描式測頭的企業(yè)還有日本的Metrol、德國的Kapp和Leitz等單位。

圖1 GLOBAL Silver系列的三坐標(biāo)測量機(jī)Fig. 1 CMM of GLOBAL Silver series

為了實(shí)現(xiàn)航空葉片高效測量與準(zhǔn)確評定，國外企業(yè)在葉片專用測量軟件研制方面進(jìn)行了深入研究，目前可謂是碩果累累，僅Renishaw公司就開發(fā)了3套葉片測量專用軟件，分別是葉片快速掃描測量軟件APEXBlade?、葉片型面分析軟件MODUS?以及葉片逆向工程軟件SurfitBlade?,該系列產(chǎn)品突破了傳統(tǒng)分段測量的方式，能夠快速、全面地對整個(gè)葉片型面進(jìn)行檢測和分析。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是Hexagon公司的葉片測量軟件包Blade，該軟件基于等高測量法對葉片進(jìn)行檢測，通過簡單的參數(shù)設(shè)置便能完成復(fù)雜的測量規(guī)劃，能夠準(zhǔn)確地分析葉片各項(xiàng)誤差，且具有多樣化的檢測報(bào)告輸出模塊，不過該軟件主要以葉片等高截面為分析單元，在整體型面誤差以及誤差可視化方面還略有不足。此外，Zeiss公司開發(fā)了BLADE PRO軟件，該軟件可對非等比例長度誤差進(jìn)行分析，能夠完成對葉片前、后緣等關(guān)鍵區(qū)域幾何質(zhì)量的評定。AEH公司也研發(fā)了葉片測量軟件AC-VANE，該軟件以數(shù)據(jù)庫為平臺(tái)對葉片的關(guān)鍵測量信息進(jìn)行了統(tǒng)一有效的管理，不僅提高了測量效率，還為葉片后續(xù)的跟蹤管控提供了基礎(chǔ)對比數(shù)據(jù)。此外，Geomagic、Wenzel等公司也開發(fā)了各自的葉片分析專用模塊。

國產(chǎn)CMM的研制始于20世紀(jì)70年代，目前主要生產(chǎn)廠商有航空工業(yè)北京精密機(jī)械研究所、北京機(jī)床研究所等單位，雖然在可靠性、準(zhǔn)確性等性能方面稍遜于國外設(shè)備，但由于在價(jià)格和售后方面的優(yōu)勢，仍具有一定的市場占有率。在接觸式測頭研制領(lǐng)域，哈爾濱先鋒機(jī)電是國內(nèi)技術(shù)相對成熟的廠商，其推出的TP系列和EP系列的測頭在國產(chǎn)CMM中有著大量的應(yīng)用，此外國內(nèi)研制精密測頭的單位主要還有中國航天科工集團(tuán)第303所、北京機(jī)床研究所等。從總體而言，國內(nèi)在測頭研制領(lǐng)域遠(yuǎn)不及國外先進(jìn)水平，尤其是在精密掃描測頭和多軸測座系統(tǒng)研制方面。

我國在葉片類專用三坐標(biāo)測量軟件方面還處于探索起步階段，雖然市場尚無成熟的自主開發(fā)的商用葉片測量軟件系統(tǒng)，不過在分析軟件方面還是取得了一定的成果。臺(tái)灣中央大學(xué)開發(fā)的Rev CAD軟件[5]能夠基于坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)對航空葉片型面進(jìn)行分析和評定，但其僅能進(jìn)行二維層次的評價(jià)，無法實(shí)現(xiàn)可視化程度更高的三維偏差分析。北京航空航天大學(xué)席平等[6]基于UG平臺(tái)開發(fā)了一套能夠?qū)θ~片型面進(jìn)行誤差評定的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠顯著提高葉片的誤差檢測速度和分析質(zhì)量，但其功能單一，且在檢測報(bào)告輸出方面并不完善，無可視化的測量截面信息，如截面的理論輪廓、實(shí)際輪廓、公差帶、超差區(qū)域等信息。國內(nèi)首個(gè)功能較完善的葉片測量分析系統(tǒng)是西北工業(yè)大學(xué)陳志強(qiáng)等[7]基于葉片CMM測量數(shù)據(jù)開發(fā)的航空葉片自動(dòng)評價(jià)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對葉片的各關(guān)鍵評價(jià)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地提取，并且能夠進(jìn)行葉片三維偏差分析，且具有多樣化的檢測報(bào)告輸出功能，但與國外相應(yīng)軟件相比，該系統(tǒng)的模型配準(zhǔn)方式以及部分關(guān)鍵參數(shù)提取算法單一，同時(shí)軟件的可交互性仍有待提高。近期，電子科技大學(xué)開發(fā)了針對葉片型面進(jìn)行誤差評定與逆向重構(gòu)的軟件系統(tǒng)，并配套相關(guān)企業(yè)的CMM開展了系列工程化的應(yīng)用，該系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確地提取葉片型面的各特征參數(shù)與位置度誤差，還能基于實(shí)際重構(gòu)模型對葉片型面加工誤差進(jìn)行可視化分析。雖經(jīng)過多年的發(fā)展，但國內(nèi)葉片測量軟件在測量過程的規(guī)劃與控制方面功能仍較欠缺，葉片分析評定軟件大多還處于起步階段，且多數(shù)軟件適應(yīng)性較低，對葉片大小和扭曲程度較為敏感，并且分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與國外同類軟件相比仍有一定差距，因此這些分析軟件在國內(nèi)航空葉片的精密測量中并沒有得到較多的推廣和應(yīng)用。

綜上所述，葉片三坐標(biāo)檢測技術(shù)及設(shè)備在國外發(fā)展已較為成熟，商業(yè)化的精密三坐標(biāo)測量設(shè)備與葉片測量軟件的可選性高，并廣泛應(yīng)用于航空葉片質(zhì)量的檢測中。目前國內(nèi)研制的坐標(biāo)測量設(shè)備在可靠性、重復(fù)性方面與國外仍有一定差距，且尚無成熟的葉片專用的坐標(biāo)測量軟件，在葉片坐標(biāo)測量評價(jià)分析軟件方面，普遍智能化程度低、通用性差、功能單一且種類較少，并且多數(shù)仍處于試驗(yàn)階段，因此國內(nèi)在葉片的高精密坐標(biāo)測量時(shí)仍主要采用國外設(shè)備及相應(yīng)軟件系統(tǒng)。

2 葉片三坐標(biāo)檢測關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

在葉片三坐標(biāo)檢測的過程中，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括葉片的測量規(guī)劃、測量定位、數(shù)據(jù)處理分析和質(zhì)量評定4個(gè)方面。

2.1 葉片坐標(biāo)測量規(guī)劃技術(shù)

測量規(guī)劃的目的是得到完整的、合理可行的測量路徑，且是影響測量效率與評定結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。由于葉片通常為扭曲薄壁件，在對其測量的過程中測頭易受到前后緣的干擾，從而產(chǎn)生干涉點(diǎn)，這也是目前在葉片制造企業(yè)中存在的典型問題，因此目前葉片坐標(biāo)測量規(guī)劃的關(guān)鍵主要仍在測點(diǎn)布局和干涉檢查方面。

目前測點(diǎn)規(guī)劃主要在葉片等高截面型線上展開，測點(diǎn)的疏密應(yīng)盡可能與被測曲面曲率的變化一致。Pahk等[8]提出了弦長準(zhǔn)則規(guī)劃方法，通過控制相鄰兩點(diǎn)所構(gòu)成的弦線與截面線之間的最大距離來實(shí)現(xiàn)采點(diǎn)密度跟隨曲面曲率變化，但該方法在相對平坦的區(qū)域易出現(xiàn)采點(diǎn)密度過低的情況，鑒于此，I. Ainsworth等[9]將最小樣本密度準(zhǔn)則與弦長準(zhǔn)則相結(jié)合，通過設(shè)定相鄰點(diǎn)間的最大允許距離來實(shí)現(xiàn)對采點(diǎn)密度的控制，彌補(bǔ)了弦長準(zhǔn)則的缺陷，此外，還可通過控制型線切線方向變化的速度來實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)規(guī)劃。國內(nèi)學(xué)者還提出了基于容差控制的規(guī)劃方法[10]，結(jié)合曲率和加工誤差進(jìn)行規(guī)劃，使得測點(diǎn)分布更為科學(xué)合理，提高了評定結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對測點(diǎn)等高線規(guī)劃方法可能造成測量路徑線斷裂的問題，藺小軍等[11]提出了基于流道線的測點(diǎn)規(guī)劃方法，將氣流經(jīng)過葉片型面的近似路線作為測量截面，然后再根據(jù)截面型線曲率進(jìn)行測點(diǎn)規(guī)劃，等高法測量與流道線測量如圖2所示，通過對其分析可知，基于流道線所獲取的截面型線較等高截面型線更符合葉片曲面構(gòu)造方式，更適用于逆向工程中大扭曲葉片的實(shí)體造型，而基于等高截面的測量方法則更利于葉片型面質(zhì)量的評定。

干涉檢查操作是為了檢驗(yàn)葉片測量路徑的可行性,對檢測出的碰撞點(diǎn)通過調(diào)整檢測路徑或測頭姿態(tài)進(jìn)行規(guī)避。干涉檢查方法可分為靜態(tài)檢測和動(dòng)態(tài)檢測兩類。靜態(tài)檢查主要是驗(yàn)證測點(diǎn)的可測性，又可根據(jù)干涉判斷方式的不同,將其分為距離判斷和求交判斷兩類，如文獻(xiàn)[12]中采用層次八叉樹方盒近似模型，通過模型之間求交來判斷測頭是否發(fā)生干涉。動(dòng)態(tài)檢測主要是判斷測頭在測點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)以及空走時(shí)是否出現(xiàn)碰撞,根據(jù)檢測方式可分為離散和連續(xù)碰撞檢測兩類。離散算法按預(yù)設(shè)步長對采樣處進(jìn)行靜態(tài)干涉檢測來判斷碰撞,存在遺漏碰撞點(diǎn)的可能。連續(xù)碰撞檢測一般涉及到四維時(shí)空問題的精確建模,其中應(yīng)用較多的是掃描體法,該方法雖不會(huì)遺漏碰撞點(diǎn)，但由于缺少即時(shí)信息可能出現(xiàn)不發(fā)生碰撞時(shí)仍會(huì)檢測到相交的情況，如文獻(xiàn)[13]中，基于B-rep模型運(yùn)用掃描體求交算法實(shí)現(xiàn)了葉片的動(dòng)態(tài)碰撞檢測。檢測效率是決定碰撞檢測算法優(yōu)劣的關(guān)鍵性因素，目前提高效率的主要方法在于簡化檢測模型與減少干涉檢測時(shí)運(yùn)算的幾何模型數(shù)目兩個(gè)方面。如Lin等[14]提出將離散碰撞檢測算法與掃描體包圍盒相結(jié)合的方法，簡化了求交模型，通過基本幾何元素之間的相交檢查來完成碰撞檢測，極大地提升了檢測效率；劉達(dá)新等[12]在此基礎(chǔ)上，提出了利用軸向包圍盒的對邊界過濾的方法，減小了求交計(jì)算的復(fù)雜度?？梢钥闯觯壳叭~片測量路徑動(dòng)態(tài)干涉檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度還有待提高，相交檢測計(jì)算的復(fù)雜度仍然很高，導(dǎo)致計(jì)算效率低下，因此目前葉片測量路徑可行性的驗(yàn)證方法仍有待進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖2 葉片測量路徑Fig.2 Measuring path of blade

2.2 葉片坐標(biāo)測量定位技術(shù)

葉片精準(zhǔn)快速的定位是高效、高精度檢測的前提，定位的精度直接影響著后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與型面質(zhì)量評定。航空葉片通常是由葉身、榫根以及阻尼臺(tái)構(gòu)成，可用V型塊、吸鐵或?qū)Ｓ脢A具等裝置對其進(jìn)行測量定位，圖3所示為葉片通過專用夾具的定位方式。目前基于葉片結(jié)構(gòu)特征的定位夾具設(shè)計(jì)的理論和方法已較為成熟，單葉片的定位夾具設(shè)計(jì)可謂有規(guī)可循，但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮定位夾具對具有相似外形的不同型號(hào)葉片的兼容性，其設(shè)計(jì)應(yīng)該在保證定位精度的前提下盡量提高夾具的通用性[15]，從而降低檢測成本，這也是目前葉片工裝夾具發(fā)展的主要方向。

葉片三坐標(biāo)檢測所獲得的點(diǎn)云相對稀疏，具有測量點(diǎn)云與參考點(diǎn)云的初始姿態(tài)相似、位置相近的特點(diǎn)，其定位通常先在葉片特征面上采用6點(diǎn)定位法進(jìn)行粗定位，其中最經(jīng)典的是3-2-1定位法則，之后再進(jìn)一步通過迭代運(yùn)算對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精密定位[16]。目前研究重點(diǎn)主要是如何快速精準(zhǔn)地得到葉片測量坐標(biāo)系與理論模型坐標(biāo)系之間的變換矩陣。當(dāng)前測點(diǎn)匹配運(yùn)算通常采用遺傳算法[17]或ICP（Iterative Closest Point）算法[18]進(jìn)行計(jì)算。遺傳算法的全局搜索能力強(qiáng)，能夠得到全局最優(yōu)解，但其對初始種群和遺傳參數(shù)設(shè)置敏感，易出現(xiàn)收斂較慢或不收斂的情況，因此在具體匹配應(yīng)用中常采用加速策略提高計(jì)算效率，這也是該方法目前發(fā)展的主要方向，如遺傳算法結(jié)合最小二乘的求解方法。ICP算法對測量數(shù)據(jù)定位和輪廓誤差評估意義重大，其基本原理是定義點(diǎn)-點(diǎn)的平方距離，并最小化該距離函數(shù)和，目前主要問題是點(diǎn)-點(diǎn)距離匹配對初值敏感，易陷入局部最優(yōu)，導(dǎo)致精密定位和輪廓評估的不準(zhǔn)確。盡管國內(nèi)學(xué)者開展了ICP算法的改進(jìn)研究，如陳志強(qiáng)[7]、藺小軍等[19]通過改進(jìn)其目標(biāo)函數(shù)，分別解決了葉片定位過程中區(qū)域公差約束問題和變形問題，但只要是點(diǎn)-點(diǎn)距離，仍然難以克服初值敏感性問題。國際上，文獻(xiàn)[20]提出了TDM改進(jìn)算法，一定程度上降低了對初始值的敏感性；此外文獻(xiàn)[21]定義了點(diǎn)-曲面最近距離作為新的誤差度量，構(gòu)造了一種新的自適應(yīng)距離函數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)收斂速度和收斂穩(wěn)定性的最優(yōu)化，對葉片類復(fù)雜零件精密測量定位與輪廓評估具有重要意義。通過分析可知，針對有序點(diǎn)云測量數(shù)據(jù)的精確匹配技術(shù)仍有待進(jìn)一步優(yōu)化，其優(yōu)化過程應(yīng)綜合考慮匹配算法的精度和效率這兩個(gè)主要影響因素。

圖3 葉片夾具定位Fig.3 Fixture positioning of blades

2.3 葉片坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)

葉片三坐標(biāo)檢測技術(shù)中的數(shù)據(jù)分析處理主要涉及到數(shù)據(jù)去噪、平滑、測頭半徑補(bǔ)償?shù)炔僮?，其目的是為了降低?shù)據(jù)的測量誤差，提高后續(xù)評價(jià)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

葉片三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)通常為有序點(diǎn)云，其數(shù)據(jù)去噪的方法相對成熟，可通過人機(jī)交互、弦高差法[22]、曲線檢查法[23]以及平滑濾波[24]等方法實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互的方法適用于異常點(diǎn)與相鄰點(diǎn)偏距較大的情況，其處理效率和自動(dòng)化程度都較低，常用于點(diǎn)云的初步處理。弦高差法和曲線檢查法由于原理簡單、處理高效的特點(diǎn)在葉片去噪過程中有著廣泛的應(yīng)用，不過兩種方法都對給定閾值的大小敏感，易出現(xiàn)丟失特征點(diǎn)的問題，對此，學(xué)者們提出了考慮測點(diǎn)鄰域的去噪方法[25]，該方法能準(zhǔn)確地識(shí)別特征點(diǎn)和噪點(diǎn)，保證了點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征的完整性。數(shù)據(jù)濾波主要是對隱含在測量數(shù)據(jù)中的噪聲進(jìn)行平滑處理，降低或者消除噪聲對后續(xù)操作的影響，針對有序點(diǎn)云的濾波通常可采用標(biāo)準(zhǔn)高斯、中值或平均值濾波的方法，如文獻(xiàn)[24]中采用高斯濾波的方法對掃描線結(jié)構(gòu)的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑去噪處理。

測頭半徑補(bǔ)償處理是葉片三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)，這是由于補(bǔ)償精度直接影響著葉片型面的評估，同時(shí)也影響著葉片型面的重構(gòu)和再加工等操作。葉片進(jìn)行等高測量時(shí)，由于葉身截面型線上各測點(diǎn)的法向?qū)嶋H屬于三維范疇，按二維曲線進(jìn)行補(bǔ)償將引入補(bǔ)償余弦誤差，且測頭半徑越大，其余弦誤差也越大。而根據(jù)理論點(diǎn)法矢方向進(jìn)行采點(diǎn)時(shí)，由于實(shí)際型面與理論數(shù)模存在偏差，測點(diǎn)的實(shí)際高度就會(huì)與理論高度產(chǎn)生偏差，且其補(bǔ)償曲線易出現(xiàn)“鈍頭”、“打結(jié)”的現(xiàn)象，兩種補(bǔ)償偏差如圖4所示。針對上述情況，學(xué)者們提出了曲面擬合法進(jìn)行半徑補(bǔ)償[26]，其算法核心是先擬合出測頭球心曲面，再通過曲面偏置運(yùn)算得到實(shí)際測量曲面，進(jìn)而通過映射得到補(bǔ)償后的測量數(shù)據(jù)，該方法雖然消除了余弦誤差帶來的測量精度損失，但又引入了新的擬合誤差和偏置誤差。總而言之，現(xiàn)有的方法或多或少存在一些近似處理，且補(bǔ)償算法的自適應(yīng)性較差，針對不同類型的葉片其補(bǔ)償精度波動(dòng)較大，尤其是型面復(fù)雜的薄壁大扭曲葉片。

圖4 測頭半徑補(bǔ)償誤差Fig.4 Compensation error of stylus radius

2.4 葉片型面評定技術(shù)

葉片型面質(zhì)量的科學(xué)評定是檢測的最終目的，在葉型的設(shè)計(jì)圖紙中通常會(huì)給定評價(jià)參數(shù)的誤差要求，包括截面型值點(diǎn)坐標(biāo)、積疊點(diǎn)、緣半徑、葉厚、弦長等特征參數(shù)要求，還包括葉片型面的傾斜度誤差、彎曲度誤差等位置度參數(shù)要求。通過對相關(guān)文獻(xiàn)資料的調(diào)研，針對葉片截面的各特征評價(jià)參數(shù)的理論以及提取算法的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，在文獻(xiàn)[27-29]中，詳細(xì)介紹了葉片單截面各關(guān)鍵特征參數(shù)的提取方法，同時(shí)提出了包括傾斜度、彎曲度、扭曲度等多截面評價(jià)參數(shù)的提取算法，目前這些評定方法在葉片型面質(zhì)量檢測的過程中有著廣泛的應(yīng)用。但另一方面針對葉片整體型面評價(jià)參數(shù)的計(jì)算方法還有待進(jìn)一步優(yōu)化，這也是目前研究的重點(diǎn)方向。

葉片類自由曲面零件的曲面加工誤差通常用形位誤差中的面輪廓度誤差來描述，其計(jì)算具有代表性的數(shù)學(xué)模型可分為兩大類，一類是依照最小二乘法原則建立數(shù)學(xué)模型[30-31]，將測量曲面與理論曲面的偏差轉(zhuǎn)化成兩個(gè)曲面上對應(yīng)點(diǎn)距離的最小二乘法平方和，目前對該類方法的研究主要集中在對目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)方面，如ICP算法、奇異值分解優(yōu)化算法以及最速下降優(yōu)化算法等。由于根據(jù)點(diǎn)對之間二范數(shù)計(jì)算出的點(diǎn)到曲面的距離模型精度較低，以及最小二乘法易收斂于局部最優(yōu)解的原因，該類方法通常用于一般精度要求的曲面評定。另一類是基于最小區(qū)域原則建立的數(shù)學(xué)模型[32-33]，其目標(biāo)函數(shù)要求測量點(diǎn)到理論點(diǎn)距離中的最大值達(dá)到最小，可采用啟發(fā)式的算法來對其進(jìn)行優(yōu)化，如遺傳算法和粒子群算法等。在計(jì)算曲面輪廓度誤差的過程中，計(jì)算測量數(shù)據(jù)到設(shè)計(jì)數(shù)模的距離是關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，對此，Zhu等[33]提出了利用有向距離函數(shù)來計(jì)算該距離的算法，但由于該算法計(jì)算過于復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中通常利用一階泰勒展開式來代替其距離函數(shù)，并用序列線性規(guī)劃算法優(yōu)化其目標(biāo)函數(shù)。此外，Weber等[34]在分析現(xiàn)有最小二乘擬合算法和最小區(qū)域公差評價(jià)方法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種通用的基于線性逼近技術(shù)的形狀誤差評價(jià)方法，常用在復(fù)雜曲面零件表面加工質(zhì)量的檢測中。總的來說，目前針對葉片類復(fù)雜自由曲面的誤差評定，尚未形成一套完整、系統(tǒng)的評價(jià)方法，且多數(shù)誤差評定方法主要停留在截面曲線的層面，針對葉片型面的誤差評定算法還需不斷完善和改進(jìn)。

3 葉片坐標(biāo)檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

通過分析葉片三坐標(biāo)檢測技術(shù)所存在的問題，并且結(jié)合市場需求以及當(dāng)前技術(shù)環(huán)境，可以得出葉片接觸式的坐標(biāo)檢測技術(shù)正朝著智能化、復(fù)合化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，如圖5所示。

（1）檢測過程智能化。

葉片檢測的智能化主要是檢測過程與檢測分析的智能化，包括了葉片的自動(dòng)裝夾與拆卸、葉片的原位測量、測量過程的自動(dòng)化、測量策略自主化生成、測量測評報(bào)告的智能生成等，融入機(jī)器人技術(shù)、集成化以及人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測量硬件與軟件的智能化，能夠有效消除葉片測量過程中人為因素的影響。

（2）檢測方式復(fù)合化。

在眾多葉片測量技術(shù)手段中接觸式的坐標(biāo)測量技術(shù)仍是目前精度最高的一種，但為了保證測量精度，要求其測量過程平穩(wěn)，因此其測量效率往往低于非接觸式測量技術(shù)?；诠鈱W(xué)的非接觸式測量由于測量效率較高的特點(diǎn)目前得到了迅速發(fā)展，尤其是激光測量技術(shù)在葉片檢測中有著廣泛的應(yīng)用。在對葉片進(jìn)行測量過程中，應(yīng)綜合考慮精度與效率的因素，不同的測量方式具有不同的優(yōu)勢，但也存在一定的局限性，為了適應(yīng)不同測量工況和葉片應(yīng)用對象，葉片檢測在測量方式上呈現(xiàn)出復(fù)合化的趨勢，這也是當(dāng)前葉片測量設(shè)備朝著復(fù)合化方向發(fā)展的原因。通過應(yīng)用多測頭技術(shù)，支持接觸式與非接觸式融合的測量，能夠顯著提高測量效率，避免單一測量方式所引起的葉片局部區(qū)域失真。目前測量裝備復(fù)合化已經(jīng)有了良好的開端，少數(shù)國外企業(yè)已開發(fā)出了一些混合式測量設(shè)備。

圖5 葉片CMM檢測技術(shù)發(fā)展趨勢Fig.5 Development trend of CMM detection technology for blade

（3）檢測信息網(wǎng)絡(luò)化。

隨著第四次工業(yè)革命的到來和“中國制造2025”的提出，工業(yè)制造行業(yè)向信息化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)飛速發(fā)展的時(shí)代中，檢測信息的網(wǎng)絡(luò)化趨勢必將推動(dòng)葉片接觸式坐標(biāo)檢測技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展。在上下級多臺(tái)測量機(jī)之間、設(shè)計(jì)人員與制造人員以及客戶之間實(shí)現(xiàn)檢測信息共享，不僅能夠提高制造質(zhì)量并減少制造耗費(fèi)、降低生產(chǎn)成本，還能夠在產(chǎn)品全周期獲取葉片質(zhì)量信息，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯，及時(shí)改進(jìn)制造工藝，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的綠色智能化制造。例如，將測量技術(shù)與銑磨拋加工技術(shù)集成實(shí)現(xiàn)葉片自適應(yīng)加工技術(shù)，通過將測量信息與銑磨拋等設(shè)備共享，根據(jù)檢測結(jié)果自動(dòng)生成葉片再加工方案以及相應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)葉片的閉環(huán)模式加工，不僅可以大大縮短葉片制造周期，還能有效提高葉片加工精度與表面質(zhì)量，最終有效保證葉片制造過程的穩(wěn)定性與可靠性。

4 結(jié)論

目前我國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制領(lǐng)域雖然已經(jīng)取得了有目共睹的進(jìn)步，但仍與國際先進(jìn)水平有著不小的差距。2016年5月，中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)正式成立，以研制大涵道大推力高性能高可靠度的國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)為目標(biāo)，標(biāo)志著我國邁出了建設(shè)航空強(qiáng)國的重要一步。葉片作為影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵部件，對其制造質(zhì)量實(shí)現(xiàn)有效控制和科學(xué)測評的葉片先進(jìn)檢測技術(shù)已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過對航空葉片三坐標(biāo)測量技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析可以看出，雖然國內(nèi)做了很多研究工作，開發(fā)了一些測量設(shè)備和軟件系統(tǒng)，但是還有待于進(jìn)一步完善和改進(jìn)，主要在設(shè)備的穩(wěn)定性、測量精度與效率以及葉片測量分析軟件的準(zhǔn)確性及智能化程度等方面相對于國外仍有一定差距。針對葉片坐標(biāo)測量過程中的測量規(guī)劃、精密定位等關(guān)鍵技術(shù)問題仍沒有完全解決，從而制約了葉片型面測量精度與測量效率的提高。同時(shí)可以看出，為了提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，保證葉片型面制造質(zhì)量，推動(dòng)葉片的高精度、高效率測量，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的三坐標(biāo)檢測技術(shù)必將向著智能化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

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