至航空叶片三坐标自动测量研究现状和发展趋势
行业资讯发布时间：2023-02-09
3坐标丈量技术的不断发展增进了丈量行业的进步和变革，也对3坐标丈量技术提出了更高要求。在航天航空领域，面向智能制造的高精度动态实时丈量技术和飞机大尺寸数字化丈量关键技术不断被讨论和研究，其中航空叶片3坐标丈量技术的研究方向主要是：①自动化、智能化;②实时监控、可视化;③高速、高精度、高稳定性。
航空发动机叶片几何形状复杂、尺寸跨度大、加工精度要求高等特点决定其成了航空发动机中加工制造的难点，同时也对航空发动机叶片加工质量检测精度和检测效力提出了更高要求。航空发动机叶片检测技术已逐渐从定性检测到定量检测，从接触式检测到非接触式检测，从传统手工检测到自动数字化检测，从2维比对检测到多自由度组合检测，从单1规格大批量检测到多规格小批量检测。航空发动机叶片质量检测方法众多，如标准样板法、自动绘图丈量法、光学投影丈量、电感丈量法、坐标丈量法、激光丈量法、机器视觉丈量法等，其中，3坐标检测凭仗通用性强、重复性好、稳定性强、检测精度高等优势在航空叶片制造企业中被广泛利用，但此种方法要求丈量时处于恒温环境下且采样效力较低。本文将介绍和评析航空叶片3坐标自动丈量研究现状和发展趋势，并基于3坐标丈量机提出1种改进型航空叶片自动丈量与控制系统。
1 叶片3坐标自动丈量研究现状
基于CAD数模的自动丈量
基于CAD数模的3坐标丈量是产品设计、加工、丈量1体化进程中的重大突破。CMM的丈量能力和可操作性在很大程度上取决于丈量软件的功能，丈量软件决定了CMM可采取的丈量方式和利用范围。目前很多叶片丈量软件都具有基于CAD模型脱机编程功能，比如海克斯康PC-DMIS、蔡司Calypso等，并能读入多种文件格式，如IGE使用适当的添加剂来改性聚合物—木粉表面S、DXF、STL及VDA等格式，也能够兼容UG、Pro/E或CATIA等CAD格式文件。
CMM可实现基于CAD数模的叶片自动丈量，待测点的散布和收集、丈量路径优化及丈量程序生成是自动丈量中的关键问题。杨雪荣等结合ARCO CAD丈量软件，实现了对基于CAD数模零件进行自动丈量;周保珍等基于UG CAD提出了沿待测点矢量方向丈量的方法，并给出了自动生成DMIS丈量程序的方法步骤;刘勇等在前人的成果上基于UG CAD数模给出了叶片自动丈量路径计划系统的操作流程;S.G.Zhang等基于CAD数模特点，在CMM平台上设计了1套检测进程计划原型系统，能极大减少判断探针方向的时间;Hui-Chin Chang等基于汽轮机叶片CAD数据库，系统通过简单3角函数计算在短时间内能自动生成无碰撞检测路径，并输出DMIS格式文件。
在对3坐标丈量系统进行研究总结后，丈量程序生成方法主要有以下几种：
①脱机编程。此方法根据待测件的几何特点和公差要求，用DMIS语言手动编写丈量程序，以指点CMM自动丈量。但此方法对操作人员专业水平要求较高，编程所需时间长。
②自学习编程。此方法合适没有CAD数模和设计图纸的情形下，操作较为简单便捷，合适产品大批量丈量。在手动丈量1次后，3坐标丈量软件系统会自动记录测头运动和操作并保存为丈量程序，对相同批次的产品可实现自动重复丈量。但此时丈量软件需要与CMM联机才能完成程序的编制，CMM其他任务将会被占用。
③自动编程。此方法将CAD数模导入到CMM丈量软件中，将工件坐标系与理论坐标系进行对齐后，检测员基于CAD模型进行丈量路径计划，丈量软件系统依照GD T设计要求，自动生成DMIS程序，动态虚拟摹拟路径无误后自动保存。也可利用3维软件2次开发功能、C#编程语言或VB编程语言等工具，根据3维软件生成的丈量前置文件开发格式转换程序，直接生成DMIS格式文件，大幅提高丈量效力。
在无图纸的情况下实现叶片的批量丈量，可基于光学扫描仪完成叶片初始点云数据的收集，然后利用Geomagic Design Direct设计软件进行逆向建模，获得初始CAD模型，并导入PC-DMIS丈量软件中，以引导CMM进行丈量路径自动计划。基于CAD数模的交互自动编程较手工编程而言，效力更快、更清晰直观、方便验证，而且也便于对丈量点进行收集和编辑。目前，基于CAD数模自动丈量已被国内外先进的CMM丈量软件普遍采取。
自动定位夹具
目前，由于航空叶片形状复杂且规格繁多，检测时并没有与之兼容的通用定位夹具。国内很多航空叶片制造企业基于3坐标检测普遍都采取简单支持固定的方式，以下降制造本钱，而且每次只能对单个叶片进行丈量，每次都需要对待测叶片进行装夹和粗定位，致使叶片检测效力极低。
针对以上难点，不断展开叶片专用夹具研究，叶建友等提出了柔性相变材料夹具为叶片自动化丈量提供保障。定位件和夹紧体位置灵活可调，1套柔性相变材料夹具能装夹1定尺寸范围内任意形状的零件。但该夹具存在准备周期长、刚性不足、手工操作繁琐等问题，同时，仍只能对单1叶片实现定位夹紧，在提升检测效力方面效果其实不显著。容器里相变材料反复进行固液态两相变换，膨胀和收缩不可避免，必将影响到夹具的装夹精密度和稳定性。
陈林等设计了1套叶片丈量气动专用夹具，利用榫根抵面、侧面及内径相面进行6点定位并对底平面实现磁力夹紧，有益于实现叶片丈量自动化。该套夹具具有刚性强、定位精准、操作简单等特点，但对具有轴颈型榫根或枞树型榫根的叶片没法实现固定支持，且仍只能对单1叶片进行丈量。
通过研析现有文献和对叶片企业的实地调研，针对航空叶片夹具设计提出参考规则：①夹具在对工件进行装夹时，能保证工件位置的正确性;②基于某1特点，夹具可对同1规格叶片进行多片装夹定位;③夹紧操作不能损伤叶片;定位要可靠;夹具系统稳定性强，操作简便快速;④使用3坐标丈量机进行丈量时，夹具必须保证探针对待测叶片的空间可达性且不产生碰撞;⑤夹具应避免使用吸铁等带有磁性的材料，避免工件或探针收到磁性作用而影响丈量结果。
自动丈量系统
当前，国内很多叶片加工企业在检测环节没有实现模块化和系统化，特别是在信息同享和自动控制方面能力不足。具体表现在：①丈量数据过度离散化，可追溯性较差;②丈量进程人机交互多，自动化程度低;③工序质量控制能力弱，产品报废率高。
在工业4.0智能制造的大背景下，海克斯康团体推出了自动化、智能化的丈量系统。全部自动化丈量系统分为几个物理单元：3坐标丈量机、自动控制系统及管理软件、料架系统、零件辨认系统、机器人系统、机器人外围系统及安全防护系统。通过信息系统把各单元串连起来，构成有效的集成单元，对丈量信息高效管理，并对工序进程进行有效的数据反馈，明显提升生产效力。
智能化作为自动化的利用，智能丈量系统在工业4.0中扮演重要角色，雷尼绍公司推出搭载第2代REVO多传感器5轴丈量系统的大型龙门式3坐标丈量机有以下特点：①分辨率提高近20倍;②可加载不同的丈量模块;③不但可以丈量大工件大尺寸，也能够丈量大工件小尺寸;④采取螺旋扫描，收集点的效力高。
叶片3坐标自动丈量发展趋势
3坐标丈量技术的不断发展增进了丈量行业的进步和变革，也对3坐标丈量技术提出了更高要求。在航天航空领域，面向智能制造的高精度动态实时丈量技术和飞机大尺寸数字化丈量关键技术不断被讨论和研究，其中航空聚乳酸就是通过将乳酸中的羟基和羧基脱水聚合构成高份子叶片3坐标丈量技术的研究方向主要是：①自动化、智能化;②实时监控、可视化;③高速、高精度、高稳定性。
2 叶片自动丈量夹具设计
叶片检测现状
以叶片的叶型丈量进程为例，无锡某航空叶片企业的检测进程需要的人机交互操作较多，如待检叶片信息的输入，待检叶片的装夹及粗定位、抽调对应的丈量程序、PDF文件名及保存路径的输入等，该企业现有检测流程如图1所示。
图1 现有叶型检测流程
在检测进程中，若没有及时的人机交互，CMM就会停机等待操作指令。由于该检测流程仅面向单个叶片，检测效力极为低下，根本没法满足正常的叶片检测需求。
针对上述实际问题有以下解决方案：①增加3坐标丈量机和检测人员数量;②增强企业叶片数控加工系统的可靠性;③引进全进程自动化在线控制检测系统;④优化叶片现有3坐标丈量机夹具。
方案①中通过增加检测装备和人力投入明显不符合企业低本钱的要求，在装备保护和人员管理上也会耗费巨大;方案②虽然可以改良叶片加工稳定性和精度，减少了叶片检测的任务量，但对中小型企业来讲，短时间内很难突破关键技术瓶颈，对企业资金能力、技术能力、检测环境等都提出了更高要求，实行难度大;方案③为目前先进的自动化检测技术，可以实现100检测并实现零废品率，1定程度上可以下降生产本钱，但中小型企业生产范围小，1次性投入太大;方案④是建立在现有装备和人力不变的情况下，通过优化叶片检测夹具来实现叶片丈量效力的提升，明显这个方案更加适用于中小型企业。通过对该企业CMM检测进程的实地调研，来找到适合的解决方案。具体改进后的叶片叶型检测流程见图2。
图2 改进后叶型检测流程
通过电子扫描槍对该待检测叶片工序流转卡进行扫描获得叶片ID号，系统自动在产品工艺数据库中根据叶片ID号检索相干加工工序信息。选择检测对应工序名后，系统自动从该数据库中检索对应工序的丈量程叙文件地址，从FTP服务器下载丈量程序到Calypso丈量软件指定文件夹，并保存待检测叶片相干信息至指定文本文件作为该叶片自动保存地址。运行Calypso软件并调取对应丈量程序，叶型丈量完成后调取Blade Pro分析软件的同时运行自动保存利用程序，该利用程序捕捉到系统保存窗体的弹出并获得文本文件中保存地址和名称，实现丈量报告的自动命名和保存。生成的PDF文件自动上传到FTP服务器，作为该企业的工艺资料储备。生成的TXT文件经过自动转换后导入MySQL工艺数据库，可实现丈量数据的查询和SPC分析。对在可控范围内的丈量数据，在逆向工程中进行特点数据提取实现叶片3维建模，以指点无图纸工件进行CMM丈量路径计划，并生成丈量程序完成自动化丈量。
自动丈量夹具方案
由于该企业3坐标丈量机叶片专用夹具1次只能对单1叶片进行装夹定位，针对燕尾型榫根叶片叶型丈量，提出1种多片自动丈量专用夹具，该装置主要由夹具体、气缸、气缸座、基座、定位销钉、夹紧块、带有9个楔形块结构的矩形轴组成，单元结构如图3所示。
图3 夹具单元结构
该夹具能实现9片叶片联装联测，由本来单个支持工位线性地扩大成9个联测装夹工位。该工装夹具利用蔡司Calypso和PDFFactory配合连续丈量，并多保存9份检测报前后完成了7x50合金厚板、7x52叠层板、铝锌镁钪等多项科技创新成果鉴定告，减缓企业CMM检测能力不足和效力低下的问题。
采取两个定位销钉和1个紧固螺钉连接夹具体与基座;9个夹具体线性散布在基座上，保证间隔不干涉叶片装夹;矩形轴两端均采取滑动副，并带有9个楔形块，楔形块和夹紧块配合构成滑动副。
夹具装夹方式是：夹具体楔形面和燕尾型榫根楔形面配合，摹拟叶片装配状态，限制了榫根5个自由度;用定位销钉对榫根侧面进行定位，限制了榫根1个自由度;通过启动气缸推动矩形轴移动，从而使楔形块推动夹紧销钉向上移动，实现对9片叶片同步进行装夹。单个榫根装夹图如图4所示。
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图4 单个榫根装夹
以榫根楔形面的中分面工件丈量坐标系的XOZ平面，以给定值来肯定XOY平面和YOZ平面，以此建立工件丈量坐标系，且该坐标系与建立CAD数模的理论坐标系保持1致。
在对9片叶片进行检测路径计划时，只需要在DMIS文件中在片叶片工件坐标系基础上连续偏置1个固定值便可得到其他叶片的工件坐标系。
该夹具具有以下特点：①定位装置尺寸链短，对丈量精度影响较小;②多叶片可同步装夹和拆卸，实现批量丈量;③采取气动夹紧，实现自动夹紧丈量。
图5 建立叶片工件坐标系
小结
本文对航空叶片自动化丈量技术研究现状和发展趋势展开论述，总结了基于CAD数模的检测路径计划方法和DMIS文件生成方法和自动丈量夹具设计基本准则，结合相应实例对叶片自动检测系统未来趋势做了总结论述，并针对某航空叶片企业实际情况给出了相应解决方案，提出了改进型叶型丈量夹具，极大提高了检测效力。
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