航空发动机叶片型面的光谱共焦测量技术

在航空领域中，叶片是发动机的关键零件，其几何形状特征对于发动机的动力性能有着至关重要的影响。随着我国航空工业的飞速发展，迫切需要研制出高性能的航空发动机，这就对叶片的质量和数量都提出了较高要求。然而，要制造出大量符合设计要求的叶片，对其进行精确而高效的测量就成为叶片制造过程中的必要环节，而且测量的精度直接决定着制造的精度。一般说来，为了保证发动机具有良好的动力性能，叶片的型面特征都是根据流体动力学原理进行设计的，因而叶片多呈现为弯扭上升的形态特征，而且数量众多、形态各异，这就给批量叶片的检测带来了巨大难题。

叶片型面属于空间自由曲面，而空间自由曲面的检测和逆向工程历来是几何量精密测量领域的一项重要研究课题。目前，对于叶片等复杂曲面零件的测量，大多采用传统的三坐标测量机，由于采用接触式测头，因而速度慢、效率低、易发生干涉效应、不能对软质材料和超薄物体进行测量，而且存在测端半径补偿误差等，这些因素使得测量机在空间自由曲面测量中的应用受到了很大限制，不能够很好地完成叶片等批量零件的高精高效检测任务。因此，迫切需要研制和开发出新型的测量设备。

近年来，随着测量技术的进步，越来越多的非接触式测量技术被引入到航空航天等领域中，并且得到了卓有成效的应用，极大地弥补了接触式测量设备的局限。在众多种类的非接触式测头中，基于激光三角反射原理的测距传感器已经实现商品化，并以其响应速度快、采样频率高、测量精确、性价比高等优点，较为成功地解决了某些接触式测量难以或无法解决的问题。目前，国外对于叶片等复杂曲面零件的测量已经形成了较为完善的方法，并且已经开发出了成熟的产品和设备，从而在叶片的加工、测量等方面实现了自动化、智能化。而目前国内在高精度光学扫描测量技术和设备方面还处于起步阶段，尚未达到工程实用的要求，而国外的高性能叶片测量装备对我国军工制造企业封锁和禁运。

在这样的背景下，航空工业精密所依托自身在精密、超精密制造技术以及精密测量、测试技术等领域的丰富经验和技术积累，在航空发动机叶片型面的精密测试技术方面开展了卓有成效的研究，正在进行非接触式的光谱共焦扫描测量系统的推广应用。该测量系统采用新型的激光扫描测头作为前端传感器，并结合了专用的叶片测量软件，可以实现被测叶片型面指定截面的几何参数测量与评价，从而为当前我国航空发动机制造过程中存在的叶片等复杂零件的测量效率低和精度差等问题提供了一项技术解决方案。

光谱共焦测量系统以传统的三坐标测量机作为系统平台，并采用新型的非接触式激光扫描测头WIZprobe来替代传统的接触式探头，从而将测量机的移动空间范围大、定位精度高、通用性强等的优点与激光扫描测头的非接触、响应快、采样频率高等的优点结合起来，以为广大用户提供方便、快速和可靠的高精度测量解决方案。平台精度为3.0+3.5×L |μm（L为被测零件的长度），系统测量精度（平台精度+测头精度）为14μm（2σ）三个直线轴的行程范围可根据具体需求进行选择，因而可以应用于多种复杂曲面零件的测量和质量控制。在叶片的测量过程中，能够准确测量叶片型面的所有轮廓尺寸，并与理论CAD模型进行比较和评价。同时，为了检测不同几何形状和尺寸的叶片，还可以提供多种规格的三轴运动平台以及可备选择的旋转工作台。

在测头方面，采用激光扫描测头来完成高精度的扫描测量和几何数据采集。测头的体积小，并且兼容PH10M测头座，既能够与三坐标测量机系统结合，也可以作为独立的产品应用于工业生产线。基于独特的环形光三角法测量原理，可以通过一个超环面透镜同时进行不限数量的三角法测量，从而将激光技术与图像处理相结合，具有适应性强和测量精度高等优势。同时，基于实时闭环的自适应控制技术，测头的激光功率和CCD灵敏度可以进行自动调整和校准， |因而在测量过程中，测头可以根据不断变化的外界条件实时进行自动校准，使测量精度受材质、颜色和表面加工形式等因素的影响较小。航空工业精密所正在进行应用推广的非接触式光学坐标测量机，其运动控制系统和测量软件具有国外同类产品类似的功能和性能，还集成有很多专用于航空发动机叶片的附加软件模块，从而实现了叶片等复杂曲面零件的高效精密测量，可以满足当前我国航空发动机研制和生产单位对批量叶片的检测需求。

叶片作为发动机的相关重要部件之一，其在航空发动机制造中所占比重约为30%。由于叶片形状复杂、尺寸跨度大（长度从20mm~800mm）、受力恶劣、承载最大，且在高温、高压和高转速的工况下运转，使得发动机的性能在很大程度上取决于叶片型面的设计制造水平。为满足发动机高性能、可靠性及寿命的要求，叶片通常选用合金化程度很高的钛合金、高温合金等材料制成；同时由于叶片空气动力学特性的要求，叶型必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。随着航空发动机性能要求越来越高，各大主机生产厂对叶片加工精度要求也越来越高。目前，航空发动机的叶片制造方法主要有电解加工、铣削加工、精密锻造、精密铸造等。其中，数控铣削加工由于加工精度高、切削稳定、工艺成熟度高等优点而被广泛应用。然而由于叶片零件壁薄、叶身扭曲大、型面复杂，容易产生变形，严重影响了叶片的加工精度和表面质量。如何严格控制叶片的加工误差，保证良好的型面精度，成为检测工作关注的重点。叶片型面是基于叶型按照一定积累叠加规律形成的空间曲面，由于叶片形状复杂特殊、尺寸众多、公差要求严格，所以叶片型线的参数没有固定的规律，叶片型面的复杂性和多样性使叶片的测量变得较为困难。传统的检测方法无法科学地指导叶片的生产加工，随着汽轮机、燃气机等制造业的发展，要求发动机不断更新换代，提高发动机的安全性和可靠性；先进技术的体现在于叶片的改进与创新，从而必须提高叶片制造技术水平，同时要求叶片加工测量实现数字化，体现其精准度，精确给出叶片各点实际数值与叶片理论设计的误差。且随着我国航空发动机制造企业的迅猛发展，发动机叶片数量大、种类多，检测技术面临着前所未有的机遇和挑战。

目前，在国内的叶片检测过程中，传统的标准样板测量手段仍占主导地位，效率低下、发展缓慢，严重制约着设计、制造和检测的一体化进程。为适应快速高效检测要求，目前西方发达国家已普遍采用三坐标测量机对叶片进行检测。由于航空发动机叶片的数量大、检测项目多，三坐标检测技术的引入很大程度地改善了叶片制造过程中检测周期长、检测结果不准确以及由于和外方检测方式不一致所导致的检测结果差异过大的问题。三坐标检测所特有的适用性强、适用面广、检测快速、结果准确的这一优点，使得三坐标测量机在叶片生产企业得到广泛应用。近年来，随着我国航空工业的发展，三坐标测量机在叶片生产主机厂家逐渐得到普及。但由于叶片型面复杂、精度要求高，不同厂家的测量方式、测量流程和数据处理方式不同，导致叶片的测量结果不一致，测量工作反复，严重制约着叶型检测效率的提高。

叶型检测难点具体表现为：

（1）测量精度和效率要求高。叶片型面的测量精度直接反映制造精度，通常要求测量精度达到10μm，甚至1μm。因此对测量环境要求严格苛刻，通常需要专门的测量室。叶片是批量生产零件，数量成千上万，应尽可能提高测量速度和效率。生产车间和测量室之间的反复运输和等待，使得检测效率低下。

（2）测量可靠性要求高。叶片测量和数据处理结果应反映叶片的实际加工状态，这样才能保证叶片的制造质量。

（3）数据处理过程复杂。叶片图纸上不但有叶型、弦长、前缘后缘半径等尺寸误差要求，还有叶片的形状轮廓、弯曲、扭转、偏移等形位误差要求。利用三坐标测量机获取的测量数据存在噪点，通常需要对原始的测量点集进一步简化，提取不同的尺寸和特征参数；还需进行复杂的配准运算，迭代求解叶片的形位误差。其中算法选用不同得到的误差评定结果各有差异，导致整个处理过程复杂。

叶片测量新技术

（1）基于数字样板叶型检测方法。

标准样板是根据叶片的理论型线设计制造的与叶型截面对应的母模量具，使用叶片固定座（即型面测具）把叶片固定后，用处于理想位置的叶盆标准样板和叶背标准样板检查叶盆、叶背型面间隙，并反复调整叶片空间位置，以型线的吻合度作为衡量其是否合格的依据。叶型设计图多以透光度，或相对误差来表示，如±0.15mm。这个比对误差实际上并不是单纯的形状误差，而是形状误差、尺寸误差、位置误差三者的综合体。