带公差约束的数字样板叶型检测方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSin／caOct，252013V01．34No．102411．2418ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．eduCRhkxb@buaa．edu．ca带公差约束的数字样板叶型检测方法胡述龙，张定华*，张莹，吴宝海西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安710072摘要：针对航空发动机叶片三坐标测量机(CMM)测量过程中误差检测与评定的问题，提出了一种带公差约束的数字样板叶型检测方法，以实现叶型误差的快速准确评定。在实物样板检测原理的基础上，分析叶型偏移、扭转与轮

2、廓度之间的耦合关系，建立公差约束条件。根据CAD设计模型构造数字样板，建立带公差约束的样板匹配数学模型，并利用拟牛顿法进行非线性优化求解，在设计公差的约束条件下实现叶片测量点与数字样板的精确匹配。最后通过对某叶片型面测量数据进行仿真分析和实例验证，表明该方法比最小二乘(LSQ)方法的误差评定结果更为精确可靠，且与实物样板检测结果一致。关键词：数字样板；设计公差；误差评定；公差约束；精确匹配中图分类号：V263．1；TP391．7文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)10—2411一08叶片是航空发动机的关键零件之一，其在航空发动机制造中所占比重约为30％，如何准确可靠地检测其

3、加工质量是目前研究的一个热点问题。目前国内常用的叶片检测方法有标准样板法、大型投影仪测量法、叶片自动绘图测量法、工业CT测量法、光学扫描仪法和三坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，CMM)测量法。三坐标测量机具有测量精度高、重复性好和自动化程度高等优点，适合叶片曲面的精密测量，在叶片制造企业开始得到广泛应用。然而，叶片的CMM测量数据处理过程复杂，不仅由于叶型截面特征参数和形位误差要求严格；而且检测图纸上只定义了叶型设计公差，并没有确定各项公差的具体计算方法[1]。对于这种型面复杂、功能特殊的叶片曲面的形位误差检测和评定，目前还没有国际通用的标准或技术，国内也尚

4、未形成规范的叶片检测标准和误差评定方法。在叶片曲面的误差检测和评定中，设计曲面和实测数据的匹配是一个重要的前提，因为曲面的设计坐标系和测量坐标系往往不一致，只有消除了由于基准不统一而导致的系统误差，才能进行误差评定心。3j。目前，自由曲面匹配技术在数控加工及检测领域应用广泛，国内外学者对其进行了大量研究。文献E4]～文献[6]研究了工件定位中的各种匹配算法，以Besl等提出的迭代最近点算法(ICP)最为经典；在此基础上，文献[7]～文献[9]研究了加工过程中的各种余量优化方法。文献[1]和文献[10]～文献[13]研究了自由曲面的误差评定中的匹配算法，其中文献[1]针对叶片测量数据先进行两步

5、定位，然后对叶片特征参数、轮廓和位置误差进行计算分析；Zhu等口叩对测量点的定位和轮廓度误差评定进行了研究。程云勇[141围绕涡轮叶片成型精度和质量问题，对叶片各项误差系统地进行了分析，以实现精确控形。收稿日期：2012-11-29；退修日期：2012·12-26；录用日期：2013-01-08；网络出版时间：2013-01．1711：44网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929．V．20130117．1144．001htmI基金项目：国家“973”计划(2013CB035802)；高等学校博士学科点专项科研基金(20106102120023)；中国博士后

6、科学基金(2012M512028)*通讯作者．Tel．：029—88493009E-mail：dhzhang@nwpu．edu．crl引用格武

7、HuSL，ZhangDH。ZhangY，eta1．Inspectionmethodofbladeshapebasedondigitizedtemplatewithdesigntolerancecon—straints．ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin／ca，2013t34(10)：2411-2418．胡述龙，张定华，张莹，等÷带公差约束的数字样板叶型检溯方法．航空学报．2013。34(10)：24{1-2418．航空学

8、报Oct．252013VoI．34No．10蔺小军等[15]针对叶片的CMM检测要求，系统地分析了叶型各项公差，并采用L—BFGS-B的精确匹配算法，计算叶型面轮廓度、位置度和扭转误差。以上研究注重改进配准算法模型和算法精度，对各项误差单独进行评定，未结合型面检测原则和公差设计要求对相互耦合的误差项进行深入研究。然而在实际工程应用中，由于样板法现场使用方便、检测可靠且费用较低，仍为主导的叶片型面检测方法。首先