航空压气机叶片型面激光测量系统研究

　　1　引　　言

　　航空工业的关键是航空发动机工业,而叶片是航空发动机的心脏。高温高压气体依靠压气机叶片的增压生成,并通过涡轮叶片使涡轮运转。如图1,燃气涡轮压气机叶片数量众多、形状结构复杂、尺寸极化严重、技术要求严格、制造难度大。叶片检测贯穿了从毛料、机械加工到叶片组装的不同阶段,包括叶片型面检测和物理性能检测。叶片型面检测难点在于:测量精度要求高,尤其是进排气边缘检测非常困难;测量速度要求快,应尽量实现批量测量;要利于叶片设计、制造、检测一体化[1]。

　　研究压气机叶片型面检测具有重大理论意义和国防战略意义,是航空领域的重要课题。

　　2　系统方案设计

　　目前叶片型面检测方法有专用测具、电感测量、光学投影检测和三坐标测量。基于对叶片特点及现有测量方法不足的分析,本文提出叶片型面四坐标激光测量仪方案,确定测量精度0.01mm,测量速度4min/叶片。

　　系统设计的关键问题是:测量装备构型确定和系统精度分配建模。将系统指标合理分配至局部是系统设计的重要问题,其本质是多目标优化问题,而层次分析法则是解决此类问题的有效途径。

　　如图2,基于层次分析法研究移动桥式、串联式和改进方式(立柱移动型卧镗式框架结构)三种构型下的精度分配关系,建立影响因素的两两比较矩阵、进行一致性检验和调整、计算特征值和特征向量,最终确定装备构型和局部精度的优化解,为具体结构设计提供理论依据[2]。

　　图3为叶片测量仪系统方案,测头采用OTDS(激光三角法测头),分辨率1μ;主机采用改进方式,构型简单、稳定、精度高,xyz三轴藉合小、承载轻,有利于OTDS非接触、快速测量等优点的发挥;三轴重复定位精度< 0. 003mm,测量范围200mm×200mm×200mm;底层控制软件基于实验室TR008数控系统二次开发,数据处理部分基于MATLAB开发。

　　3　关键技术研究

　　图4为叶片测量包括的具体过程,下面着重研究涉及的关键技术。

　　3.1　自适应采样策略优化分析

　　采样即规划采样点数目和位置,协调OTDS沿x、y的运动和转台运动,本质为单目标非线性数学规划问题。

　　以路径最短(速度一定时,即采样时间最短)建立目标函数,约束条件包括:(1)采样点数目、位置与叶片形状相适应,相对于叶片中间区,边缘区的采样策略更加复杂;必须研究采样频率、采样点数目与曲率半径的关系,保证采样不失真;(2)OTDS测量范围;25mm <35mm。

　　叶片采样难点在于型面采样时分为叶盆中间区、叶背中间区、进气口边缘区和排气口边缘区四部分,各部分采样路径都要与曲率相适应,通过坐标变换组成完整的采样路径,具体表达为G代码文件。