基于模型大扭角叶片的三维矢量测量技术

作者:张露;陈雷;张积瑜;李景尧;高阳; 刊名:航空精密制造技术 上传者:王伟

【摘要】针对接触式坐标测量机测量大扭角叶片截面存在余弦误差的问题,提出了基于模型的矢量测量方法。本文对此方法的测量精度及测量效率等方面进行论述,并通过实例验证了基于模型的矢量测量方法在精度与效率等方面优势,实现了此测量方法的工程化应用。

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随着航空发动机性能要求越来越高,而发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的几何尺寸精度,因此各生产厂为了满足设计要求不断追求叶片的加工形状和微观的表面完整性,从而提高叶片加工精度。所以我们也提出了一种与之相适应的叶片高精度测量技术,保障产品制造质量达到设计要求,最终满足发动机在运行过程中空气动力学特性。传统的航空叶片测量方法以样板、电感仪测量为主,由于这些方法测量误差大、人为因素影响大、测量结果可靠性低,目前已经被坐标接触式测量所替代。这种方法测量精度有所提升,且测量自动化程度较高,检测结果重复性较好。但是在处理大扭角叶片时,二维截面接触式测量存在余弦误差。本文提出的基于模型的矢量测量方案,采用三维测量与补偿原理,可以有效的消除二维接触式测量中的余弦误差,并且大幅度提升了测量精度和效率,能真实的反映叶片实际的加工情况。数字化检测技术主要集中在基于模型测量技术的研究与应用方面。通过制定检测模型要求、规范模型的PMI标注信息,实现了模型信息的完整性和准确性。给设计模型赋予检测信息,使其在制造过程中传递了产品的设计信息与检测技术要求。基于模型的测量技术的应用,解决了坐标测量机无法准确测量不规则特征轮廓度的问题。1基于模型的测量技术1.1检测模型构建要求检测模型要求包含三维几何结构及其相关的PMI三维标注,这些信息对产品结构及技术要求进行了完整描述,并将传递到检测部门的模型作为产品整个测量过程中唯一的理论数据。完整的检测模型可省去传统纸质图纸输出,并将所有测量信息集成在模型上,也省去了在测量前二维图纸的识别过程。三维检测模型也可提供异形特征测量前的必备输入信息,并辅助测量,以满足测量精度与效率的要求。不足的是,大量采用三维测量模型,有可能会退化检测人员的识图能力。1.2模型在测量中的应用在发动机零件测量中应用检测模型,使测量流程达到数字化、自动化、智能化水平。检测部门和设计部门间通过三维检测模型传递设计信息,抛弃了原有的纸质图纸和文件,实现了数字化的检测流程。为了达到自动化测量,预先将利用模型进行脱机测量的编程及测试过程仿真(图1),使测量在无干预的情况下实现自动化检测流程。测量过程中,测量程序增加了及时提醒功能,能指导操作人员进行下一步的动作和规避有风险的操作行为,提升测量流程的智能化水平。2航空发动机叶片及测量方法2.1叶片几何特点及测量难点航空发动机叶片几何形状上具有三维扭转特征(图2),叶片表面有叶展方向倾角和叶片弦向倾角组成的三维曲面。根据设计要求,叶片截面测量应在指定的等高度截面上进行。而通常的坐标测量方式为未知测量,仅仅将测针球心调整到同一高度。而在大叶展倾角情况下,实际接触点与测量截面的偏差会超出公差要求。这就要求根据理论模型表面矢量方向,对测针球心运行轨迹进行修正,从而保证实际接触点位于设计要求的截面内。2.2二维测量误差来源三坐标测量机在截面扫描曲线时,仅修正了截面内测针半径偏差,而在叶展方向(图3)不进行矢量补偿与修正,因此叶片展向倾角影响是二维测量误差的主要来源。根据叶展角度补偿误差理论计算公式(公式1),具体计算数值见表1。接触测量中常用最小测针为2mm,如果叶片叶展倾角在10以上、设计轮廓度公差在0.1mm以下时,就应采用三维测量方式进行测量,以消除二维测量误差的存在。=r1cos-1(1)式中:补偿误差,mm;r测针半径,mm;被测点叶展扭角,rad。3基于模型的三维测量方法3.1基于模型矢量测量原理基于模型的矢量三维测量方法是利用模型的理论三维矢量对测量路径进行修正,形成对测量结果的三图1模型在测量中的应用图2航空叶片几何特

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