一种航空发动机整体叶盘叶型参数检测的测量路径规划方案

樊金侠

（中国航发四川燃气涡轮研究院，四川 绵阳 621000）

0 引言

整体叶盘是把发动机转子的叶片和轮盘设计成一个整体，采用整体加工或焊接（叶片和轮盘材料可以不同）方法制造而成。整体叶盘是现代航空发动机的一种新型结构部件，对于提高其性能具有重要作用。整体叶盘的叶片型面质量对发动机的气动性能有着至关重要的影响[1]。整体叶盘叶型参数目前普遍采用三坐标测量机进行检测，由于整体叶盘叶片数量多、叶片弯扭严重、叶片之间的气流通道狭窄，检测空间受限，叶型参数检测难度较大[2]。一般情况下，1 个整体叶盘需要检测多个叶片，1 个叶片需要检测多个截面，检测耗费时间久。那么如何规划测量路径，提升检测效率成为了一个具有现实意义的问题。科学、合理的路径规划不仅可以高效获取检测数据，还可以为计算叶型各参数提供准确数据[3]。

1 测量基本原理及过程

三坐标测量机根据基准特征建立测量坐标系，基准特征一般包括基准面、基准孔等，通过测量软件驱动测针在被测叶片截面处采集全截面数据点，叶片分析软件根据采集的数据点依照一定的计算方法计算各叶型参数，如叶型轮廓度、积叠点位置度、弦长、弦线角、扭转误差、叶型厚度等。

图1 整体叶盘示意图Fig.1 Overall leaf chart

图2 单截面分区分段示意图Fig.2 A single-section partition segment ation diagram

值得指出的是，不同的商业软件在计算各叶型参数时具有一定的差异性。首先，测量数据点与理论数据点拟合时使用的基层算法不同；其次，各叶型参数的计算方法也略有不同，并且同一个叶型参数提供了多种计算方法。在实际使用中，应根据具体的检测技术要求选择适用的、合理的计算方法。

2 测量路径规划

2.1 建议使用转台配合三坐标测量机进行测量

整体叶盘叶片叶型参数一般会抽检多个叶片。叶片一般均匀分布，1 个叶片需要使用多个测针角度才能完成检测，多个叶片需要使用的测针角度会成倍增加，而且不同角度之间会累积测量误差。因此，建议使用转台，以定中心的基准找同心零件，测量第一个叶片后，旋转360×（n-1）/N（N：被测整体叶盘叶片总数量；n：被测叶片相对于第一个叶片的顺序号）后再测量下一片。需要说明的是，旋转过转台后，需要重新以基准特征建立测量坐标系，避免转台引入测量误差。

2.2 叶片测量路径规划

1）单截面分区分段

基于整体叶盘叶片结构特点，无法一次扫描一个完整截面，因此可考虑将完整截面分成若干段。通过大量检测经验的积累，发现将叶片检测截面分为4 段是一个不错的选择，具体的分段方法如图2 所示。基本上所有的整体叶盘叶片都可以完成全截面的数据采集，具有普遍适用性。（据了解，有些同行将叶片检测截面分为3 段进行编程测量，可以完成叶片数据采集，但是对不同结构的整体叶盘普遍适用性相对较差，尤其是整体叶盘叶片十分弯扭、叶片之间检测空间狭小时，很难3 段完成全截面数据采集，因此本文选择了4 段。）

以图2 所示叶片为例进行说明，叶片的单截面分为4段：LECC、CCTE、TECV 和CVLE，以字母点代替其名称表示为LECC（ABC 段）、CCTE（CDE 段）、TECV（DEF段）、CVLE（FAB 段），其中，叶背上的F 点和叶盆上的C 点可根据实际情况左右移动，保障每一个扫描段1 个测针角度可完成所有截面的数据采集，且不影响测针顺畅地运行即可。4 段扫描分别在前缘和后缘处存在交叉，因为海克斯康PC-DMIS 配备的叶片模块有这一要求，其他公司的测量设备和软件若无该要求可不交叉。

测针运行路径（方向）为LECC 扫描段、CCTE 扫描段、TECV 扫描段、CVTE 扫描段，或反向亦可。

2）分区控制扫描速度

由于叶片前缘和后缘曲率变化较大，因而在前缘和后缘处测针的扫描速度应较低，从而保障测针在该区域采集数据点时不会脱离叶片表面或出现抖动情况。叶盆和叶背区域的曲率变化较小，相对较平缓，因此测针在叶盆和叶背上扫描速度可相对较快，从而提高检测效率。

为了实现前缘后缘和叶盆叶背扫描速度的不同，可将叶型分为高速运行区域和低速运行区域，但与4 段分区不同，可通过引入扫描控制点来实现。

具体方法如下：以图2 所示为例，在LECC 扫描段之前，编辑测量语句，使测量速度为低速；在扫描语句LECC中设置控制点B，经过控制点B 之后，扫描速度变为高速；在CCTE 扫描语句中添加控制点C，经过控制点C 之后，扫描速度变为低速。剩余的两个扫描段同样方法设置即可。

3）分区控制测点密度

由于叶片前缘和后缘曲率变化较大，所以在前缘和后缘处测点应较密，否则会出现折现、过度不平滑和失真等情况。叶盆和叶背区域的曲率变化较小，相对较平缓，因此测针在叶盆和叶背测点可相对稀疏，可减少测量时间和测量数据计算的时间。

图3 测针运行路径规划示意图Fig.3 Pin run path planning schematic

图4 扫描段设置样例Fig.4 Scan segment setting example

通过上述分析可发现，扫描速度的高低和测点密度稀疏的分布可相同，可与分区控制扫描速度的控制点合并使用，不需要重复设置控制点，从而避免了编程的复杂性。

具体方法如下：以图2 所示为例，在LECC 扫描段之前，编辑测量语句，使测点密度为高密度；在扫描LECC 语句中设置控制点B，经过控制点B 之后，测点密度变为低密度；在CCTE 扫描语句中添加控制点C，经过控制点C 之后，测点密度变为高密度。剩余的两个扫描段按照同样方法设置即可。

4）安全运行

通过上述方法每一个单独的扫描段均可以实现扫描采集数据，需规划使所有测量扫描段连贯起来完成叶片所有截面的数据采集。可通过在每一个扫描段之间添加安全点或安全高度，保障测针安全、平滑运行。利用循环语句，测针将LECC 扫描段的所有截面测量完，再依次测量下一个扫描段。

一般整体叶盘的叶根处检测空间最小，叶尖处检测空间稍大，测针角度叶根可测，其余截面基本可测，因此建议测量其中一个扫描段时，可从叶根往叶尖依次测量[4]。

测针运行路径规划如图3 所示。以LECC 段进行说明：测针首先在叶尖上方安全处运行到移动点1 处，再运行至2 处（若能保证不会碰到叶片，可以合并1 和2 为1 个移动点），测针按照扫描LECC 的设定进行扫描运行至叶盆中部位置后，测针移动到3 处，再运行至4 处，然后进行下一个截面的LECC 的扫描。当全部LECC 扫描结束后，测针运行至5 处（5 的高度在叶尖上方安全处），到达5 处可以旋转测针角度以准备测量下一个扫描段，其他的扫描段按照此思路设计即可。

扫描段样例参如图4 所示。根据本文测量路径规划的方案，设计了图4 所示的测量程序段，可供使用者借鉴。

3 结语

介绍了一种基于接触式扫描测头测量整体叶盘叶片叶型参数的测量路径规划的方案，该方案通过多年测量经验总结而得，在实际检测中多次使用，取得了较好的效果，且不同型号的整体叶盘皆可采用此方案，具有一定的通用性，同时减少了重复编程的难度和复杂性。该方案亦可推广应用于非接触式扫描测量中，具有广泛的实际应用价值。