航空压气机叶片型面在线激光测量系统设计

　　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。如图1,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。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。叶片检测包括叶片型面检测和物理性能检测,贯穿了从毛料、机械加工到叶片组装的不同阶段[1,2]。

　　如图2,目前叶片型面检测方法包括专用测具检测、电感量仪、光学投影检测和接触式三坐标测量(CMM)[1],其共同缺点在于这些方法只能实现离线测量,难以满足制造过程中在线检测的高精度、高速度、开放性和可靠性的技术要求,不能适应叶片设计、制造与检测一体化的发展趋势[1,2]。研究航空压气机叶片型面在线测量技术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。

　　1系统方案的提出

　　如图2,非接触式三坐标测量是叶片型面在线测量的发展方向[1]。近年来,美国米勒(Metron)公司,俄罗斯萨留特机械制造生产企业开始了这方面的研究工作。在非接触式测头中,激光三角法测头(OTDS)结构简单,分辨率高,可以实现零接触测量,速度快,采样频率高,激光光斑小,可以测量微小结构,为实现叶片型面在线测量和最终实现叶片设计、制造与检测一体化提供了可能[3]。

　　本文提出基于OTDS的叶片型面在线测量方案。系统目标测量精度为0.01 mm,测量速度为4 min/叶片。要求能够适应不同尺寸叶片以及同一叶片不同制造阶段的测量要求。要求能够在叶片制造现场可靠地工作。下面对该方案系统设计中的关键问题进行研究。

　　2系统设计的关键问题

　　2.1基于AHP的系统构型确定

　　测量系统构型的核心是系统精度分配建模,并最终表现为装备构型。系统精度分配的本质是多目标优化问题,而层次分析法是解决此类问题的有效方法。层次分析法(Analytic Hierarchy Process:简称AHP)是美国运筹学家沙旦(T.L.Saaty)于70年代提出的,是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法。它将决策者的经验判断给予量化,对目标(因素)结构复杂且缺乏必要的数据情况下更为实用[4,5]。传统三坐标测量装备的常见构型包括移动桥式和串联式。本文针对叶片型面在线激光测量的特点,提出一种改进方式(立柱移动型卧镗式框架结构)。下面依据层次分析法,考察这三种构型,具体步骤如下:

　　(1)建立层次结构模型(图3);

　　(2)建立影响因素之间的两两比较矩阵;

　　(3)进行一致性检验和调整;

　　(4)计算特征值和特征向量。

　　通过上述三种构型的层次分析比较,可以确定系统构型的最优解为改进方式(立柱移动型卧镗式框架结构)。该构型结构简单稳定、xyz三坐标耦合小、承载轻、系统精度高,有利于OTDS非接触、快速测量等优点的发挥,同时也提高了系统工作的可靠性和稳定性[4,6,7]。系统构型的确定,为测量装备具体结构设计奠定了基础(图4)。