張瓊元，楊功顯，趙代銀，鄧涼虹

（東方汽輪機(jī)有限公司 長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng)，618000）

?

大尺寸重型燃機(jī)葉片三坐標(biāo)測(cè)量方法

張瓊元，楊功顯，趙代銀，鄧涼虹

（東方汽輪機(jī)有限公司 長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng)，618000）

由于重燃葉片尺寸大，且目前沒(méi)有明確的測(cè)量基準(zhǔn)，文章在一般的6點(diǎn)找正方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了精建坐標(biāo)系的過(guò)程。對(duì)兩種找正方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，精建坐標(biāo)系更接近葉片的理論坐標(biāo)系，在精建坐標(biāo)系下進(jìn)行尺寸檢測(cè)，其測(cè)量的結(jié)果具有更高的可信度和可重復(fù)性。

重型燃機(jī)葉片，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，粗建坐標(biāo)系，精建坐標(biāo)系

0　引言

重型燃機(jī)由于其效率高、排放低等優(yōu)點(diǎn)，已成為最具市場(chǎng)應(yīng)用前景的第三代動(dòng)力機(jī)械。渦輪葉片作為重型燃機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其幾何形狀復(fù)雜，而且工作環(huán)境惡劣、轉(zhuǎn)速快，對(duì)精度要求極高。重燃葉片采用無(wú)余量整體精密鑄造的方法，在壓蠟、組模、澆注等工序中都存在一定的變形、收縮，為了有效地控制葉片制造的精度，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，葉片的測(cè)量工作顯得十分重要。

葉片尺寸的檢測(cè)一直是葉片制造過(guò)程中面臨的難點(diǎn)之一。對(duì)于尚處于自主研發(fā)階段的重型燃機(jī)葉片，工藝不同，其變形和收縮量也不同，難以找到相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)、線(xiàn)、面作為測(cè)量基準(zhǔn)，且由于其尺寸較大，綜合變形也較大，使得其測(cè)量工作難度更大。目前，國(guó)內(nèi)常用的葉片測(cè)量方法有標(biāo)準(zhǔn)樣板法、白光三維掃描法、三坐標(biāo)測(cè)量、工業(yè)CT［1］以及激光測(cè)量［2］等。其中，標(biāo)準(zhǔn)樣板法操作簡(jiǎn)單，效率高，適用于批量生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，但是該方法主要依靠人工操作，測(cè)量誤差較大，而且只能定性判斷，不能定量地表示變形大小。白光三維掃描儀受光學(xué)及投影裝置的限制，只適用于測(cè)量尺寸較小、精度要求一般的板件。工業(yè)CT成本較高，對(duì)操作人員要求較高，難以在工廠(chǎng)廣泛使用。激光測(cè)量速度快，操作方便，但其掃描精度稍差，而且由于蠟?zāi)１砻娣浅９饣?，在掃描前通常需要在蠟?zāi)１砻鎳姙⒁粚语@像劑，以便探測(cè)到蠟?zāi)１砻?，且在掃描結(jié)束后再將顯像劑用清水去除，在這一過(guò)程中，會(huì)引起蠟?zāi)Ｐ碌淖冃巍?/p>

三坐標(biāo)測(cè)量具有精度高、測(cè)量方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，適合葉片等復(fù)雜自由曲面零件的精密測(cè)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的功能也越來(lái)越豐富，可以根據(jù)用戶(hù)的需要集成相應(yīng)的專(zhuān)用測(cè)量軟件，針對(duì)不同的葉片編寫(xiě)不同的測(cè)量程序，在測(cè)量時(shí)調(diào)用相應(yīng)的程序即可，使得測(cè)量更加方便、快捷。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已普遍采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行檢測(cè)［3-5］。但對(duì)于大尺寸精鑄葉片的三坐標(biāo)測(cè)量，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有有效、可靠的測(cè)量方法，為了保證自主研發(fā)的重燃葉片的尺寸精度，有必要對(duì)其測(cè)量方法進(jìn)行研究、探索。

1　找正

找正是三坐標(biāo)測(cè)量中最為重要的一步，所建立測(cè)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接影響到測(cè)量結(jié)果的可靠性。由于重燃葉片正處于研發(fā)階段，其精鑄工藝在不斷調(diào)整、變化，為了研究精鑄過(guò)程從蠟?zāi)５借T件的變形規(guī)律，在找正的過(guò)程中應(yīng)考慮到精鑄工藝的影響，即找正的方法應(yīng)保證測(cè)量的可重復(fù)性、可比較性。

某級(jí)重燃葉片的形狀如圖1所示，其總長(zhǎng)約550 mm。對(duì)于葉根，在設(shè)計(jì)蠟?zāi)Ｄ＞邥r(shí)已經(jīng)考慮了加工余量的問(wèn)題，而且由于不同的精鑄工藝，其平面度和表面精度不同，所以葉根大面不能作為找正的基準(zhǔn)元素。對(duì)于葉頂，由于其尺寸很小，變形較大，而且精鑄工藝可能會(huì)造成葉頂出現(xiàn)夾砂、澆不足等現(xiàn)象，因此，葉頂也不能作為找正的基準(zhǔn)元素。

圖1　某級(jí)重燃葉片示意圖

綜上，只能采用葉身和緣板作為找正的測(cè)量元素。但由于葉身和緣板都是自由曲面，且本身也存在一定的變形，為了提高測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系的精度，需要進(jìn)行2次找正：粗建坐標(biāo)系和精建坐標(biāo)系，具體步驟如下：

（1）在葉身進(jìn)汽邊、出汽邊確定5點(diǎn)，在緣板上確定1點(diǎn)，根據(jù)這6點(diǎn)采用RPS迭代的方法粗建坐標(biāo)系；

（2）在第一步建立好的坐標(biāo)系下，在三維模型上選取2個(gè)截面型線(xiàn)，分別靠近葉頂和葉根，并在實(shí)物上進(jìn)行測(cè)量；

（3）對(duì)測(cè)量的兩檔截面型線(xiàn)的實(shí)測(cè)值和理論值進(jìn)行最佳擬合。根據(jù)最佳擬合時(shí)旋轉(zhuǎn)、偏移的方向和大小，對(duì)粗建的坐標(biāo)系進(jìn)行修正，精建坐標(biāo)系。

由于正處于研發(fā)之中的重燃葉片目前還沒(méi)有明確的基準(zhǔn)，在找正過(guò)程中，葉身和緣板上6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的確定是一個(gè)難題。如果這6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)選取不當(dāng)，會(huì)造成迭代過(guò)程出現(xiàn)不收斂的情況，導(dǎo)致粗建坐標(biāo)系失敗。一般而言，在確定6點(diǎn)時(shí)需遵循一定的原則，即：1）3點(diǎn)確定坐標(biāo)系的一個(gè)面，且3點(diǎn)的法向方向（即三坐標(biāo)測(cè)針的回退方向）應(yīng)盡可能與所確定的坐標(biāo)系的面的法向方向一致；2）2點(diǎn)確定坐標(biāo)系的一個(gè)軸，且2點(diǎn)的法向方向應(yīng)盡可能與該軸的方向一致；3）最后1點(diǎn)確定原點(diǎn)位置，且該點(diǎn)的法向方向應(yīng)盡可能與第三軸的方向一致。

2　測(cè)量

在精建坐標(biāo)系之后，需要先提取待測(cè)截面型線(xiàn)的理論值，再利用葉片專(zhuān)用軟件進(jìn)行測(cè)量，以便測(cè)量結(jié)束后對(duì)實(shí)測(cè)值和理論值進(jìn)行分析、對(duì)比。試驗(yàn)采用2種找正方法進(jìn)行測(cè)量并對(duì)比，為了保證2次測(cè)量的可重復(fù)性、可對(duì)比性，在測(cè)量之前，先在待測(cè)葉片葉身上標(biāo)記三檔截面型線(xiàn)，以使每次測(cè)量的截面相同。測(cè)量方法如下：

（1）采用一般的PRS 6點(diǎn)找正方法，不進(jìn)行“精建坐標(biāo)系”。找正后，將測(cè)針移動(dòng)至待測(cè)的截面型線(xiàn)標(biāo)記處，在測(cè)量軟件中觀(guān)察此時(shí)測(cè)球的三維坐標(biāo)值，并根據(jù)此坐標(biāo)值在葉片三維理論模型中提取該截面型線(xiàn)的理論值。然后進(jìn)入葉片測(cè)量專(zhuān)用軟件，調(diào)出事先編寫(xiě)的測(cè)量程序，開(kāi)始葉片截面的測(cè)量。

（2）采用本文找正方法精建工件坐標(biāo)系，之后測(cè)量過(guò)程同（1）。

在測(cè)量前固定葉片時(shí)，應(yīng)盡量保證葉片三維模型的坐標(biāo)軸方向與機(jī)器的坐標(biāo)軸方向相同或者經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)90°、180°后方向相同，這樣可以減少測(cè)量時(shí)的系統(tǒng)誤差。

3　分析

3.1不同找正方法對(duì)比

用2種方法分別測(cè)量后，由于在三坐標(biāo)測(cè)量軟件中不能將2次的測(cè)量結(jié)果直接進(jìn)行對(duì)比，需要保存測(cè)量數(shù)據(jù)并導(dǎo)入到三維軟件UG中進(jìn)行分析。以靠近葉頂處的截面Z=420 mm為例，2種方法測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

由于在測(cè)量前已經(jīng)在相應(yīng)的截面處做了標(biāo)記，這樣可以保證使用不同的測(cè)量方法時(shí)所測(cè)量的截面相同。從圖2可以看到，對(duì)于2種不同的找正方法，提取得到的理論型線(xiàn)幾乎完全重合，這表明2種找正方法所建立的坐標(biāo)系在葉身高度方向上的定位是一致的。相比于理論型線(xiàn)，2種方法的實(shí)測(cè)型線(xiàn)都順時(shí)針扭轉(zhuǎn)了一定的角度，說(shuō)明葉片沿著Z向（高度方向）發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)。對(duì)于進(jìn)汽邊，2種方法的實(shí)測(cè)型線(xiàn)扭角基本相同；對(duì)于出汽邊，精建坐標(biāo)系下的實(shí)測(cè)型線(xiàn)扭角較小，這主要是由于精建坐標(biāo)系時(shí)對(duì)工件坐標(biāo)系進(jìn)行了修正，更貼合理論坐標(biāo)系。其他2個(gè)截面的實(shí)測(cè)結(jié)果與截面1具有相同的變化規(guī)律。

圖2　不同找正方法下截面1理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

3.2精建坐標(biāo)系方法的可重復(fù)性

采用精建坐標(biāo)系的方法找正、測(cè)量某一截面，重復(fù)2次，對(duì)比2次測(cè)量結(jié)果。為了便于分析，將截面型線(xiàn)離散為150個(gè)點(diǎn)，并計(jì)算2次測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的差值（距離），其結(jié)果如圖3所示。

圖3　2次測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的差值

從圖3可以看到，葉盆、葉背離散點(diǎn)之間的差值很小，均在0～0.04 mm誤差范圍之內(nèi)，而測(cè)量值與理論值之間的誤差一般在1 mm左右，重復(fù)測(cè)量誤差相比于測(cè)量值與理論值之間的誤差非常小，不超過(guò)4%。進(jìn)汽邊、出汽邊處差值之所以較大，主要是由于葉盆、葉背區(qū)分不夠合理，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)測(cè)頭脫離工件表面，測(cè)桿和工件接觸，使得測(cè)量得到的點(diǎn)并不是工件表面上的點(diǎn)。

3.3組模后蠟?zāi)５淖冃?/p>

葉片蠟?zāi)哪＞咧腥〕鲋?，先豎直放置一段時(shí)間，待其完全冷卻后，開(kāi)始組模。在冷卻、組模的過(guò)程中，由于不均勻收縮、壓蠟時(shí)的應(yīng)力釋放、組模工的操作等原因，都會(huì)使得蠟?zāi)．a(chǎn)生一定的變形。本文采用精建坐標(biāo)系的方法，測(cè)量了組模后蠟?zāi)Ｈ~身的一組截面，以截面Z=330 mm和Z=450 mm為例，其實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比如圖4所示。

圖4　組模后蠟?zāi)Ｈ~身截面型線(xiàn)實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比

圖4中，紅色表示增厚，綠色表示減薄。從圖中可以看到，2個(gè)截面均沿著Z向發(fā)生了一定程度的扭轉(zhuǎn)，即進(jìn)汽邊向葉盆側(cè)扭轉(zhuǎn)，出汽邊向葉背側(cè)扭轉(zhuǎn)。由于蠟?zāi)＠鋮s時(shí)發(fā)生了收縮，所以葉背的扭轉(zhuǎn)量與葉盆的扭轉(zhuǎn)量并不相同。對(duì)于截面Z=330 mm，其扭角約為0.89°，最大正負(fù)偏差分別為1.499 mm、-1.331 mm；截面Z=450 mm的扭角約為0.37°，最大正負(fù)偏差分別為1.032 mm、-1.873 mm。由于組模后蠟?zāi)．a(chǎn)生的變形，將會(huì)通過(guò)后續(xù)工序傳遞至葉片鑄件，所以在組模前后，一定要特別注意對(duì)蠟?zāi)３叽缂捌渥冃蔚目刂啤?/p>

4　結(jié)論

（1）本文針對(duì)精鑄重燃葉片的特點(diǎn)，在尚沒(méi)有測(cè)量基準(zhǔn)的條件下，對(duì)一般的RPS 6點(diǎn)找正方法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用本文找正方法能夠建立較為準(zhǔn)確的工件坐標(biāo)系，測(cè)量結(jié)果可靠性較高。

（2）采用本文找正方法，重復(fù)測(cè)量誤差小，可重復(fù)性好，該方法可以用于重燃葉片研發(fā)過(guò)程中葉片尺寸變形的測(cè)量。

（3）通過(guò)對(duì)蠟?zāi)Ｈ~身型線(xiàn)的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其橫截面一方面由于冷卻產(chǎn)生了收縮，另一方面沿著Z向發(fā)生了一定程度的扭轉(zhuǎn)，不同截面的扭轉(zhuǎn)量不同。

［1］程云勇，張定華，毛海鵬，等.一種基于工業(yè)CT的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片生產(chǎn)檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2004，（1）：27-30.

［2］徐驊，張秋菊.針對(duì)葉片型面檢測(cè)的激光測(cè)量系統(tǒng)的規(guī)劃及相關(guān)研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（1）：76-80.

［3］藺小軍，單晨偉，王增強(qiáng)，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18（1）：125-131.

［4］印玉明，李明，卓軍，等.基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)渦輪葉片測(cè)量的研究與實(shí)踐［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2004，（1）：63-64，71.

［5］Eun-Yong Heo，Dong-Won Kim，Jong-Yeong Lee，et.al. Computer-aided measurement plan for an impeller on a coordinate measurement machine with a rotating and tilting probe［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2008，6（24）：788-795.

Measurement of Large Heavy-duty Gas Turbine Blade by Using Coordinate Measuring Machine

Zhang Qiongyuan，Yang Gongxian，Zhao Daiyin，Deng Lianghong
（State Key Laboratory of Long-Life High Temperature Materials，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Since the size of the heavy-duty gas turbine blade is large and at present there is no specific measurement basis，a new measurement using CMM was proposed.The ordinary coordinate system using the method of six points is improved.Two methods are compared and it indicates that the refined coordinate system is much more close to the theory coordinate system.The measurement result with the refined coordinate system has higher credibility and repeatability.

heavy-duty gas turbine blade，CMM，rough coordinate，refined coordinate

TB92

A

1674-9987（2016）03-0046-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.011

張瓊元（1987-），男，碩士，畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事燃機(jī)葉片研發(fā)工作。