光学测头在飞机发动机叶片检测中的应用

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1、光学测头在飞机发动机叶片检测中的应用ApplicationofOpticalProbeinAircraftEngineBladeInspection王淼安毕业于同济大学汽车工程专业．后赴德国留学．就读于德国慕尼黑工业大学机械制造专业．获硕士学位。曾在德国某光学测量仪器公司进行相关产品的测试研发工作．现在温泽测量仪器(上海)有限公司任产品经理。在航空制造领域中，飞机发动机技术占据了至关重要的位置，其中发动机叶片的加工与检测尤为困难。虽然如此，由于叶片的加T质量对飞行安全的重要性尤甚，因此对其品质的

2、检测较其他机械零部件要严格复杂得多。叶片在工作状态下有很高的空气动力学要求，因此叶片的形状有几个显著特点：第一，叶片的型面32航空制造技术·2010年第13期温泽测量仪器(上海)有限公司王淼安MAXOS／CORE在硬件方面以独特的白光点光源测头，克服了传统触发式测头采点速度慢、测量微小物体时容易产生测头半径补偿方向错误的不足，同时也规避了其他光学测头具有的散斑效应以及反射光信号强度等问题，适用于任何表面的叶片测量而无须喷涂。是空间自由曲面，每个截面高度的型线轮廓形状不尽相同，并且同时呈扭转上升状

3、；第二，叶片的后缘部分相对厚度较薄，尤其是出气边半径非常微小。这2个特点给叶片测量造成了一定的网难。目前的叶片检测主要依赖于传统的接触式三坐标测量机。接触式三坐标测量机自1956年问世以来，已经经过了50多年的发展，广泛应用于生产车间及科研部门。随着工业技术的不断进步，对测量设备的各方面要求也不断提高，三坐标测量机在此过程中也经历了无数次的技术创新以适应更高的测量要求。尽管如此，当今三坐标测量机依然在某些方面遇到了一定的技术瓶颈。这些瓶颈的产生不能简单地归结于技术创新的不足，其主要原因在于接触式

4、三坐标测量机的硬件结构和测量原理上的限制。传统测头应用中出现的问题传统三坐标测量机配备最多的是触发式测头，用触发式测头测量物体时，测针以一定速度接触物体表面，从而使测针的位置产生偏离，产生的电信号触发测头记录一个物体表面测点的空间坐标。由此带来的第一个问题就是测量速度较慢。其原因在于，触发式测头的采点方式是非连续的，测头在一次采点完成后需退回一段距离，让测针归位后才能进行第二次采点；而且采点时接触物体表面的速度不能太快，若测针接触物体速度过快使得测针的位置偏离过大，则信号会被认为是发生了碰撞而采

5、点失败。基于此，可以用扫描式测头代替触发式测头，扫描式测头采用的是连续采点方式，因此采点速度得到较大提升。限制测龟速度的第二个原因在于，如果被测物体具有比较复杂的几何形状，那么测针需要变换若干次指向才能完成整个测量，并且测针的每个指向都需进行校准。如果要克服这一不足，从而进一步提高测量速度的话，需要给=三坐标测量机配备高端的多轴旋转扫描测头，该项新技术能够以连续方式高速扫描物体进行采点。接触式测量所用的测针尖端一般为红宝石球，测头采点所得的空间坐标为红宝石球的球心位置。而测针与物体表面的实际接触

6、位置并非球心，所以物点的坐标必须根据红宝石球的半径进行补偿。由此带来了接触式测量的第二个问题，即红宝石球的半径补偿方向错误。在测量叶片截面型线时，普遍的做法是将CAD模型沿喳直方向做等高切割，得到被测截面的名义轮廓，并在名义轮廓上根据曲线特征构造出疏密不同的测量点。例如叶片的前后缘变化相当大，为了避免在测量中损失这部分的几何特征，需要在这两部分增加测点密度。如前所述，三坐标测量机记录的坐标为测针红宝石球中心的空问坐标，如果测针接触被测物体表面的方向不是这个面的法线方向，会使接触点与待测点产生偏离

7、。如果以测针中心点坐标进行测针半径补偿，获得的坐标值误差会较大。测针半径补偿通常采用自动整体补偿的方式，其补偿方向是由三坐标测量机或是软件自动完成的。图l中显示了一组截面型线的测量结果，图l(a)为截面型线的整体测量结果，从图中可以看出，在曲率变化不大的叶盆和叶背部分测量结果相当不错，测点的排序整齐无错乱。图l(b)和图l(c)为叶片前后缘的测量结果放大图，图中显示了这部分测点分布错乱的情形。造成这种现象的原因在于，相对于叶片前缘和后缘微小的几何尺寸来说，叶片截面型线轮廓的实际值与名义值之间的偏

8、差较大，使得实际测点落在了T件以外较远处，造成测针无法如预期般采点。这样就会出现补偿错误，造成获得的几何特征与实际不符，如图1(b)中形成棒槌状，或如图1(c)中出现交错。(b)前缘测壁结果／．’，．：’．。．．．．’●●●●，(c)后缘测量结果图1接触测头截面型线测量结果此外，物体表面还存在一定不平度，形似连续的峰谷。和测针红宝石球的直径相比，峰谷的高度非常微小。当测针扫过物体表面时，红宝石球能够接触到凸起的峰尖部分，但不一定能够接触到物体表面某些微小的凹陷(如图2所示)，这样测得的物体实际轮