航空发动机叶片型面测量方法评述
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图 1 标准样板法测量原理
标准样板法最早是用于叶片成品检测的方法 , 它 具有检测速度快 、操作简单 、便于现场使用等优点 , 在叶片加工过程中得到广泛使用 , 但它只能定性地检 测零件是否合格 , 测量精度低 ; 同时 , 一个样板只对
· 2 · 综 合 评 述
2009年第 29卷第 3期
应于某叶片相应截面的一条型线 , 因此标准样板数量 多 , 成本高 , 在对叶片检测要求越来越高的今天 , 其 仅适用于叶片的工序间型面检测 。 112 自动绘图测量法 [ 1 ]
随着叶片制造技术的发展 , 对叶片型面检测精度 要求不断提高 , 出现了一种机械式叶片截面型线自动 绘图测量法 。
自动绘图测量仪的测量原理如图 2 所示 。该仪器 主要由用于安装被测叶片的转盘 、用于安装绘图纸的 转盘 、测轮 、绘图笔臂 、钢带 、步进电机和转盘组成 。 测量时 , 叶片接电源的地线 , 在步进电机的驱动下 , 测轮与叶片之间保持一相对固定的高压放电间隙 , 使 测轮对叶片作非接触扫描测量 。随着测轮对叶片的扫 描 , 笔臂终端的绘图笔即可在绘图纸上绘出叶片型线 的实际轮廓的放大图 。
关键词 : 航空发动机 ; 叶片 ; 型面 ; 测量方法 ; 评述 中图分类号 : TH542; TP391172 文献标识码 : A 文章编号 : 1674 - 5795 ( 2009) 03 - 0001 - 03
Survey of M ea surem en t M ethod of Aero2eng ine Blade LU J ia2yan, X ION G Chang2you, H E X iao2m ei, MA L i2qun, CA IW ei
机器视觉技术能够完整测量被测物体表面形状 , 随着这种方法的不断成熟和发展 , 已开始应用于叶片 型面测量 。该方法通过机器视觉测量设备抓取到叶片 型面图 , 根据图像信息进行尺寸 、形状等的判别 。
依据不同的测量原理 , 机器视觉检测技术有不同 的实现方法 。常用于发动机叶片测量的是单目激光测 量技术 , 其工作原理为 : 用一束结构光以一定角度沿 一定方向逐次扫描 , 通过接受光路将照射被测叶片表 面的结构光分别成像在面阵 CCD 上 , 通过信息的辨识 和处理 , 得到被测表面形状信息 。
图 2 叶片自动绘图测量原理
自动绘图测量法不易受主观因素的影响 , 测量精 度较标准样板法高 。但由于仪器体积庞大且操作不方 便 , 只适合于零件抽检 , 应用范围有限 。 113 光学投影测量法
光学投影测量的原理如图 3 所示 。上下两组处于 同平面内的线光源分别照射在叶片某截面的叶盆和叶 背两表面上并产生散射 ; 镜头组对这些散射光成像 , 并在投影屏上显示该截面的轮廓投影像 。通过移动 、 投影和设置相对坐标原点 , 可以在仪器的数显表头上 读出影像任一点的坐标 [ 1 ] 。
Key words: aero2engine, blade, p rofile, measurement method, survey
0 引言
叶片是航空发动机中型面复杂 、尺寸跨度大 、受 力恶劣 、承载最大的零件 。叶片的几何形状和尺寸决 定着叶片的工作性能 , 而叶片的型面质量对发动机的 二次流损耗有着较大的影响 , 直接影响着其能量转换 效率 。因此在发动机零部件的检测中 , 叶片型面的检 测具有十分重要的意义 。随着发动机性能的不断提升 , 对叶片型面检测精度和检测效率的要求也越来越高 , 本文介绍了叶片型面的测量方法 , 从适用情况 、测量 精度 、测量能力及局限性等方面进行了归纳分析 , 并 对未来叶片型面测量的发展进行了预估 。
计测技术
综 合 评 述 · 1 ·
航空发动机叶片型面测量方法评述
陆佳艳 , 熊昌友 , 何小妹 , 马骊群 , 蔡薇
(北京长城计量测试技术研究所 , 北京 100095)
摘 要 :来自百度文库叶片的型面质量是影响发动机性能的一个重要因素 。基于叶片型面测量的重要性 , 本文对现行的检 测方法进行了分类总结 , 比较完整地评述了其适用情况 、测量精度 、测量能力及局限性等 , 针对未来叶片的发 展 , 提出了叶片型面测量技术的发展趋势 。
机器视觉技术的测量速度和效率都比较高 , 但在 生产和加工中 , 该项技术的测量精度相对比较低 , 还 不能满足高精度叶片的测量要求 。 117 激光测量法
伴随着激光测头的不断成熟 , 出现了采用激光测 量技术的叶片型面测量方法 , 比较典型的有四坐标激 光测量法和激光扫描测量法 。
四坐标激光测量系统主要是在三坐标测量机的结 构上多加了一个精密转台 , 配合非接触式激光测头进 行叶片型面测量 。如图 5 所示 , 激光测头安装在三个 相互垂直的运动轴上 , 叶片安装在旋转工作台上 。激 光测头实时读取叶型上点的坐标 , 从而得到叶片截面 轮廓线 [ 6 - 7 ] 。
(Changcheng Institute of M etrology & M easurement, Beijing 100095, China)
Abstract: The quality of the blade p rofile is important for the performance of aero2engine, so that the measurement of the blade p rofile is highly regarded1Several kinds of special measurement methods are p resented in this paper, which focus on the measurement about blade p rofile, and its app lication situation, test accuracy, test ability and lim itations etc1are surveyed also1
(下转第 36页 )
· 36· 计 量 、测 试 与 校 准
2009年第 29卷第 3期
较远 , 计算的航向精度也高一些 , 如果距离再近 , 计 算的航向精度也会低一些 , 因为计算的航向精度与两 个观测点的距离远近有关 , 但是 , 如果试验中航海型 GPS采用差分 GPS, 定位精度比试验中所采用的 GPS 的定位精度高出一倍以上 , 则航向精度也会提高 。而 一台这样的 GPS航向仪的价格预计在 8000 元左右 , 比一台标准磁罗经 还低 , 所 以 , 采 用 GPS进行 航向 测量是可行的 , 它不像陀螺罗经那样需要很长的启动 时间 , 也不像磁罗经不能形成电信号 , 在不同的船舶
光学跟踪投影仪分为单面跟踪和双面跟踪两种形 式 。单面光学跟踪投影仪一次只能够检测叶盆或叶背 单侧型面 ; 双面光学跟踪投影仪可同时检测叶盆 、叶 背型面 [ 2 ] 。
光学投影测量法常用于定性观察放大后的实际叶 片与标准叶片之间的符合程度 , 检测效率较高 、操作
图 3 光学投影测量原理
简便 , 但对于定量测量 , 其检测效率非常低 。用该方 法测量时受客观因素影响较多 , 如测量结果受叶片表 面反射能力及叶片弦宽的影响等 。测量精度较低 , 适 合于叶片半成品的型面检测 。 114 电感测量法 [ 1, 3 ]
计测技术
尺寸和形状误差的综合测量提供了新的手段 。该方法 通过坐标测量机测量叶片轮廓上各被测点的坐标值 , 采用数据建模等分析手段 , 可得到被测叶片几何尺寸 和形状误差等参数 。
坐标测量法是目前现有的叶片检测手段中精度最 高的一种 , 适合于叶片生产的最终检验 , 由于坐标测 量法要逐点测量叶片型面 , 测量效率非常低 , 且测量 成本高 , 一般要求实验室环境下测量 , 因此该方法的 使用受到一定的限制 。 116 机器视觉测量法 [ 4 - 5 ]
3 总结
现代叶片型面测量技术的发展取决于叶片型面的 精确测量需求 。面对未来高推重比新概念发动机的性 能需求 , 航空发动机叶片将朝着大尺寸 、空间任意积 叠及复合弯掠等方向发展 , 这将对叶片型面测量提出 更高的要求 [ 9 ] 。因此 , 叶片型面测量技术的研究重点 一是针对单个叶片 , 在保证高精度的同时如何快速便 捷地获取叶片整体形貌信息 , 如何更多地寻求高精度 高效率的三维检测方法 ; 另一个研究重点是针对整体 叶盘类复杂结构形式叶片 , 研究如何在不干涉的情况 下 , 高精 度 高 效 率 地 获 取 多 个 叶 片 整 体 形 貌 信 息 [ 10 - 12 ] 。从发展上看 , 多自由度组合测量 (如三坐标 测量机与二维扫描头的组合及三坐标测量机与转台的 组合等 ) 是整体叶盘类叶片测量的研究方向 。
激光扫描法是利用激光光束对叶片作高速扫 描 , 激光扫描头获取叶身型面大量点云数据 , 通过这些 空间点所组成的点云图来表达系统对叶身型面的采样结 果。然后以标准叶片的 CAD 数模作为参照 , 对所测叶片 的点云数据进行比对分析 , 评价叶片 ; 也可藉由 CAD软 件进行铺面 , 以得到完整的 CAD 模型 , 配合叶片的专业 评价软件 , 进而得到叶片的各项评价指标 [8 ] 。
电感测量法的出现 , 实现了对叶片形状误差、角向 误差的高效测量 , 满足了叶片生产节拍不断提高对测量 效率的要求 。电感测量法是将叶片分成若干个被测截 面 , 每个截面对应于一组电感传感器 , 每个传感器对应 于被测截面上的一个点 (见图 4) 。测量前按被测叶片型 面预先设置几组传感器的位置和测量方向 , 并用 “标准 叶片 ”对零。测量时 , 传感器组靠近并接触叶片表面 , 从各传感器测得与标准叶片的偏差量 , 就可以得到被测 叶片的形状误差、角向误差 、叶型厚度等参数 。
为叶片型面测量提供了新的手段 , 如机器视觉测量法 、 四坐标激光测量法和激光扫描测量法等 。 111 标准样板法
标准样板法是将标准样板和实际叶片对应检测截 面靠近 , 借助于照明灯光 , 根据样板与叶片之间漏光 间隙的大小 , 估计对应型线的误差 。图 1 为标准样板 法的测量原理 。其中标准样板是指根据叶片的理论型 线设计制造且与叶型截面相对应的母板量具 [ 1 ] 。
1 叶片型面的测量方法
叶片型面检测主要是指型面轮廓和几何尺寸 (包 括叶型厚度 、叶型弯扭 、叶片弦长 、前后缘位置等 ) 的检测 。传统的叶片型面测量方法大致可分为 : 标准 样板法 、自动绘图测量法 、光学投影测量法 、电感测 量法和坐标测量法等 。近几年 , 高新技术的不断发展 ,
收稿日期 : 2009 - 04 - 03; 收修改稿日期 : 2009 - 04 - 20 作者简介 : 陆佳艳 (1984 - ) , 女 , 硕士研究生 , 主要从事航空 发动机叶片参数测试技术研究 。
综 合 评 述 · 3 ·
图 5 四坐标激光测量示意图
相比于坐标测量法 , 四坐标激光测量法具有测量 速度快 、采样频率高等优点 , 此外 , 由于四坐标测量 法是利用激光进行测量 , 免去了探针 , 所以特别适合 于小而薄型叶片的测量 , 但其测量精度低于坐标测量 法 。激光扫描法具有快速准确的三维空间描绘能力 , 且测量精度高 , 检测速度快 ; 但其设备成本比较高 , 对操作者的能力要求比较高 。基于上述特点 , 激光扫 描法在生产现场的应用还比较少 。
2 叶片型面测量方法能力比较
叶片各检测手段都有特定的优势及局限性 。有的方 法能快捷地得到叶片型面轮廓特征 , 但对于位置参数的 测量却无能为力 , 如标准样板法 ; 有的方法能全面测量 出叶片各项指标 , 但测量效率低 、成本高 , 如坐标测量 法 。表 1为几种常用的叶片测量方法的能力比较 。
图 4 电感测量原理
电感测量法的测量效率及精度较高 , 对环境要求 低 , 可用于生产现场 。但对于不同规格的叶片需配置 不同的机械结构和标准叶片 , 且准备时间较长 , 成本 高 , 因此仅适用于大批量的叶片成品检验 。 115 坐标测量法 [ 1 - 3 ]
坐标测量技术的不断发展 , 为实现叶片型面几何
标准样板法最早是用于叶片成品检测的方法 , 它 具有检测速度快 、操作简单 、便于现场使用等优点 , 在叶片加工过程中得到广泛使用 , 但它只能定性地检 测零件是否合格 , 测量精度低 ; 同时 , 一个样板只对
· 2 · 综 合 评 述
2009年第 29卷第 3期
应于某叶片相应截面的一条型线 , 因此标准样板数量 多 , 成本高 , 在对叶片检测要求越来越高的今天 , 其 仅适用于叶片的工序间型面检测 。 112 自动绘图测量法 [ 1 ]
随着叶片制造技术的发展 , 对叶片型面检测精度 要求不断提高 , 出现了一种机械式叶片截面型线自动 绘图测量法 。
自动绘图测量仪的测量原理如图 2 所示 。该仪器 主要由用于安装被测叶片的转盘 、用于安装绘图纸的 转盘 、测轮 、绘图笔臂 、钢带 、步进电机和转盘组成 。 测量时 , 叶片接电源的地线 , 在步进电机的驱动下 , 测轮与叶片之间保持一相对固定的高压放电间隙 , 使 测轮对叶片作非接触扫描测量 。随着测轮对叶片的扫 描 , 笔臂终端的绘图笔即可在绘图纸上绘出叶片型线 的实际轮廓的放大图 。
关键词 : 航空发动机 ; 叶片 ; 型面 ; 测量方法 ; 评述 中图分类号 : TH542; TP391172 文献标识码 : A 文章编号 : 1674 - 5795 ( 2009) 03 - 0001 - 03
Survey of M ea surem en t M ethod of Aero2eng ine Blade LU J ia2yan, X ION G Chang2you, H E X iao2m ei, MA L i2qun, CA IW ei
机器视觉技术能够完整测量被测物体表面形状 , 随着这种方法的不断成熟和发展 , 已开始应用于叶片 型面测量 。该方法通过机器视觉测量设备抓取到叶片 型面图 , 根据图像信息进行尺寸 、形状等的判别 。
依据不同的测量原理 , 机器视觉检测技术有不同 的实现方法 。常用于发动机叶片测量的是单目激光测 量技术 , 其工作原理为 : 用一束结构光以一定角度沿 一定方向逐次扫描 , 通过接受光路将照射被测叶片表 面的结构光分别成像在面阵 CCD 上 , 通过信息的辨识 和处理 , 得到被测表面形状信息 。
图 2 叶片自动绘图测量原理
自动绘图测量法不易受主观因素的影响 , 测量精 度较标准样板法高 。但由于仪器体积庞大且操作不方 便 , 只适合于零件抽检 , 应用范围有限 。 113 光学投影测量法
光学投影测量的原理如图 3 所示 。上下两组处于 同平面内的线光源分别照射在叶片某截面的叶盆和叶 背两表面上并产生散射 ; 镜头组对这些散射光成像 , 并在投影屏上显示该截面的轮廓投影像 。通过移动 、 投影和设置相对坐标原点 , 可以在仪器的数显表头上 读出影像任一点的坐标 [ 1 ] 。
Key words: aero2engine, blade, p rofile, measurement method, survey
0 引言
叶片是航空发动机中型面复杂 、尺寸跨度大 、受 力恶劣 、承载最大的零件 。叶片的几何形状和尺寸决 定着叶片的工作性能 , 而叶片的型面质量对发动机的 二次流损耗有着较大的影响 , 直接影响着其能量转换 效率 。因此在发动机零部件的检测中 , 叶片型面的检 测具有十分重要的意义 。随着发动机性能的不断提升 , 对叶片型面检测精度和检测效率的要求也越来越高 , 本文介绍了叶片型面的测量方法 , 从适用情况 、测量 精度 、测量能力及局限性等方面进行了归纳分析 , 并 对未来叶片型面测量的发展进行了预估 。
计测技术
综 合 评 述 · 1 ·
航空发动机叶片型面测量方法评述
陆佳艳 , 熊昌友 , 何小妹 , 马骊群 , 蔡薇
(北京长城计量测试技术研究所 , 北京 100095)
摘 要 :来自百度文库叶片的型面质量是影响发动机性能的一个重要因素 。基于叶片型面测量的重要性 , 本文对现行的检 测方法进行了分类总结 , 比较完整地评述了其适用情况 、测量精度 、测量能力及局限性等 , 针对未来叶片的发 展 , 提出了叶片型面测量技术的发展趋势 。
机器视觉技术的测量速度和效率都比较高 , 但在 生产和加工中 , 该项技术的测量精度相对比较低 , 还 不能满足高精度叶片的测量要求 。 117 激光测量法
伴随着激光测头的不断成熟 , 出现了采用激光测 量技术的叶片型面测量方法 , 比较典型的有四坐标激 光测量法和激光扫描测量法 。
四坐标激光测量系统主要是在三坐标测量机的结 构上多加了一个精密转台 , 配合非接触式激光测头进 行叶片型面测量 。如图 5 所示 , 激光测头安装在三个 相互垂直的运动轴上 , 叶片安装在旋转工作台上 。激 光测头实时读取叶型上点的坐标 , 从而得到叶片截面 轮廓线 [ 6 - 7 ] 。
(Changcheng Institute of M etrology & M easurement, Beijing 100095, China)
Abstract: The quality of the blade p rofile is important for the performance of aero2engine, so that the measurement of the blade p rofile is highly regarded1Several kinds of special measurement methods are p resented in this paper, which focus on the measurement about blade p rofile, and its app lication situation, test accuracy, test ability and lim itations etc1are surveyed also1
(下转第 36页 )
· 36· 计 量 、测 试 与 校 准
2009年第 29卷第 3期
较远 , 计算的航向精度也高一些 , 如果距离再近 , 计 算的航向精度也会低一些 , 因为计算的航向精度与两 个观测点的距离远近有关 , 但是 , 如果试验中航海型 GPS采用差分 GPS, 定位精度比试验中所采用的 GPS 的定位精度高出一倍以上 , 则航向精度也会提高 。而 一台这样的 GPS航向仪的价格预计在 8000 元左右 , 比一台标准磁罗经 还低 , 所 以 , 采 用 GPS进行 航向 测量是可行的 , 它不像陀螺罗经那样需要很长的启动 时间 , 也不像磁罗经不能形成电信号 , 在不同的船舶
光学跟踪投影仪分为单面跟踪和双面跟踪两种形 式 。单面光学跟踪投影仪一次只能够检测叶盆或叶背 单侧型面 ; 双面光学跟踪投影仪可同时检测叶盆 、叶 背型面 [ 2 ] 。
光学投影测量法常用于定性观察放大后的实际叶 片与标准叶片之间的符合程度 , 检测效率较高 、操作
图 3 光学投影测量原理
简便 , 但对于定量测量 , 其检测效率非常低 。用该方 法测量时受客观因素影响较多 , 如测量结果受叶片表 面反射能力及叶片弦宽的影响等 。测量精度较低 , 适 合于叶片半成品的型面检测 。 114 电感测量法 [ 1, 3 ]
计测技术
尺寸和形状误差的综合测量提供了新的手段 。该方法 通过坐标测量机测量叶片轮廓上各被测点的坐标值 , 采用数据建模等分析手段 , 可得到被测叶片几何尺寸 和形状误差等参数 。
坐标测量法是目前现有的叶片检测手段中精度最 高的一种 , 适合于叶片生产的最终检验 , 由于坐标测 量法要逐点测量叶片型面 , 测量效率非常低 , 且测量 成本高 , 一般要求实验室环境下测量 , 因此该方法的 使用受到一定的限制 。 116 机器视觉测量法 [ 4 - 5 ]
3 总结
现代叶片型面测量技术的发展取决于叶片型面的 精确测量需求 。面对未来高推重比新概念发动机的性 能需求 , 航空发动机叶片将朝着大尺寸 、空间任意积 叠及复合弯掠等方向发展 , 这将对叶片型面测量提出 更高的要求 [ 9 ] 。因此 , 叶片型面测量技术的研究重点 一是针对单个叶片 , 在保证高精度的同时如何快速便 捷地获取叶片整体形貌信息 , 如何更多地寻求高精度 高效率的三维检测方法 ; 另一个研究重点是针对整体 叶盘类复杂结构形式叶片 , 研究如何在不干涉的情况 下 , 高精 度 高 效 率 地 获 取 多 个 叶 片 整 体 形 貌 信 息 [ 10 - 12 ] 。从发展上看 , 多自由度组合测量 (如三坐标 测量机与二维扫描头的组合及三坐标测量机与转台的 组合等 ) 是整体叶盘类叶片测量的研究方向 。
激光扫描法是利用激光光束对叶片作高速扫 描 , 激光扫描头获取叶身型面大量点云数据 , 通过这些 空间点所组成的点云图来表达系统对叶身型面的采样结 果。然后以标准叶片的 CAD 数模作为参照 , 对所测叶片 的点云数据进行比对分析 , 评价叶片 ; 也可藉由 CAD软 件进行铺面 , 以得到完整的 CAD 模型 , 配合叶片的专业 评价软件 , 进而得到叶片的各项评价指标 [8 ] 。
电感测量法的出现 , 实现了对叶片形状误差、角向 误差的高效测量 , 满足了叶片生产节拍不断提高对测量 效率的要求 。电感测量法是将叶片分成若干个被测截 面 , 每个截面对应于一组电感传感器 , 每个传感器对应 于被测截面上的一个点 (见图 4) 。测量前按被测叶片型 面预先设置几组传感器的位置和测量方向 , 并用 “标准 叶片 ”对零。测量时 , 传感器组靠近并接触叶片表面 , 从各传感器测得与标准叶片的偏差量 , 就可以得到被测 叶片的形状误差、角向误差 、叶型厚度等参数 。
为叶片型面测量提供了新的手段 , 如机器视觉测量法 、 四坐标激光测量法和激光扫描测量法等 。 111 标准样板法
标准样板法是将标准样板和实际叶片对应检测截 面靠近 , 借助于照明灯光 , 根据样板与叶片之间漏光 间隙的大小 , 估计对应型线的误差 。图 1 为标准样板 法的测量原理 。其中标准样板是指根据叶片的理论型 线设计制造且与叶型截面相对应的母板量具 [ 1 ] 。
1 叶片型面的测量方法
叶片型面检测主要是指型面轮廓和几何尺寸 (包 括叶型厚度 、叶型弯扭 、叶片弦长 、前后缘位置等 ) 的检测 。传统的叶片型面测量方法大致可分为 : 标准 样板法 、自动绘图测量法 、光学投影测量法 、电感测 量法和坐标测量法等 。近几年 , 高新技术的不断发展 ,
收稿日期 : 2009 - 04 - 03; 收修改稿日期 : 2009 - 04 - 20 作者简介 : 陆佳艳 (1984 - ) , 女 , 硕士研究生 , 主要从事航空 发动机叶片参数测试技术研究 。
综 合 评 述 · 3 ·
图 5 四坐标激光测量示意图
相比于坐标测量法 , 四坐标激光测量法具有测量 速度快 、采样频率高等优点 , 此外 , 由于四坐标测量 法是利用激光进行测量 , 免去了探针 , 所以特别适合 于小而薄型叶片的测量 , 但其测量精度低于坐标测量 法 。激光扫描法具有快速准确的三维空间描绘能力 , 且测量精度高 , 检测速度快 ; 但其设备成本比较高 , 对操作者的能力要求比较高 。基于上述特点 , 激光扫 描法在生产现场的应用还比较少 。
2 叶片型面测量方法能力比较
叶片各检测手段都有特定的优势及局限性 。有的方 法能快捷地得到叶片型面轮廓特征 , 但对于位置参数的 测量却无能为力 , 如标准样板法 ; 有的方法能全面测量 出叶片各项指标 , 但测量效率低 、成本高 , 如坐标测量 法 。表 1为几种常用的叶片测量方法的能力比较 。
图 4 电感测量原理
电感测量法的测量效率及精度较高 , 对环境要求 低 , 可用于生产现场 。但对于不同规格的叶片需配置 不同的机械结构和标准叶片 , 且准备时间较长 , 成本 高 , 因此仅适用于大批量的叶片成品检验 。 115 坐标测量法 [ 1 - 3 ]
坐标测量技术的不断发展 , 为实现叶片型面几何