CN101694374B - 燃气轮机叶片精度快速检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气轮机叶片精度快速检测装置及其检测方法，通过叶片定位装置对被测叶片进行定位；轮廓测量装置对称设置于叶片定位装置的两侧，用于采集叶片截面的轮廓数据，采用本发明使得获取叶身曲面数据的工作量大大减少；受人为影响因素小，获得数据速度快；采用测量笔接触式测量，测量精度高；离散截面轮廓数据的算法简单、成熟、精度高，易于后续的误差分析计算；截面轮廓高度和数量可选可调，灵活性大；机械结构简单，成本相对低廉而且测量精度有保障。

Description

燃气轮机叶片精度快速检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及精度检测设备及基于该检测设备的检测方法，更确切地说，是一种涉及燃气轮机叶片加工之后精度的快速检测装置及其检测方法。

背景技术

燃气轮机是一种将气体或液体燃料(如天然气、燃油)燃烧产生的热能转化为机械功的旋转式叶轮动力机械装置，广泛应用于能源、航空、交通、国防等领域，是适应我国能源结构调整和航空工业发展的关键重大装备。高温涡轮叶片处于燃气轮机温度最高(1400℃以上)、应力最复杂、环境最恶劣的部位，其价值占产品整机的近50％，是燃气轮机中的关键部件。叶片的加工精度就成为影响叶片寿命及性能的重要因素之一。

目前，对于燃气轮机动叶片的成品检测方法主要是样板检测法和光学投影检测法。样板检测法是根据叶片不同截面上的内弧和外弧形状设计出不同的样板来检测叶片精度。这种方法的缺点在于样板加工采用手工钳修，型线精度和轮廓度难以保证，样板加工过程中需要频繁使用三坐标测量机修正导致加工周期长。光学投影法适合检测小型叶片，普通光学量仪易受空气扰动而造成误差，而且使用光学比较仪时技术人员的劳动强度大。近年来采用光电经纬仪测量叶片误差以及三坐标测量机检测的方法得到了发展，它采用多台高精度电子经纬仪/全站仪为主要传感器，以空间前方交会和极坐标为基本原理，通过仪器测量空间点的角度和距离，实时获取目标点的三维坐标，以系统软件对各测站以及相应测量数据进行管理，对测量结果进行分析处理，获取被测物体的空间几何信息。这种检测方法的缺点在于对测量环境条件要求高，测量精度受操作人员影响极大。三坐标测量及检测叶片误差的方法对检测环境要求苛刻，一次性投资比较大，日常保养和维修要求比较高。这几种检测方法的共同缺点在于耗时较长。

基于以上现有的检测方法的缺点，需要一种检测装置及相应的检测的方法，能在达到3-5微米的检测精度的前提下快速甄别出不合格产品，提高检测效率，有利于生产效率的提高，同时受人为影响因素小。

发明内容：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃气轮机叶片精度快速检测装置，解决现有燃气轮机叶片检测技术存在的检测耗时长和精度难保证的问题。

本发明的另一个目的是提供一种利用燃气轮机叶片精度快速检测装置的检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种燃气轮机叶片精度快速检测装置，包括一个工作台和固定于工作台台面上的叶片定位装置，所述叶片定位装置由定位销、榫头定位元件和定位挡板组成，定位挡板垂直固定于榫头定位元件的一端，榫头定位元件设有固定叶片的置片槽，定位销垂直固定于定位挡板的内侧且伸入置片槽内，其特征是还包括轮廓测量装置，所述的轮廓测量装置对称设置于所述叶片定位装置的两侧，该轮廓测量装置中包含采集叶片截面轮廓数据的测量元件。

本发明进一步的技术方案是，所述轮廓测量装置还包括丝杠、导轨、轴承、轴承座和联轴器，所述丝杠的两端通过轴承座内的轴承支撑，所述导轨位于丝杠的下方，导轨的两端封闭于轴承座，所述测量元件的上部套装于丝杠上，测量元件的下端与导轨配合，所述联轴器装于丝杠的一端并与电机相连，所述测量元件由电机驱动沿丝杠在导轨上作直线运动，测量元件的运动轨迹与所述榫头定位元件上置片槽的走向一致。

本发明进一步的技术方案是，所述测量元件主要包括测量笔、弹簧、光栅尺测量器、光栅尺和套筒，所述套筒上部设有与所述丝杠套装的通孔，套筒中部设有与所述通孔相垂直走向的腔体，该腔体的中前部设有限位装置，所述测量笔的笔杆上设有限位板，限位板沿测量笔的周向设置，该限位板位于腔体限位装置的内侧，所述限位装置与限位板配合限制测量笔的位置，测量笔贯穿套筒的腔体，测量笔的尾部设有光栅尺，光栅尺对应面的套筒上设有配套的光栅尺测量器，所述弹簧套装于测量笔中段且限制于测量笔限位板与套筒腔体末端之间，测量笔的笔尖与被检叶片曲面保持接触，套筒的下端与导轨配合。

本发明进一步的技术方案是，所述的限位板设于测量笔前部1/3至1/2区间内，限位板将测量笔分为前后两段，前段为圆柱和圆锥，圆锥位于最前端，后段为棱柱，所述光栅尺设于测量笔尾部的棱柱面上，所述腔体的末端设有与测量笔后段棱柱相配合的棱柱孔，供测量笔后段尾部穿过。

本发明进一步的技术方案还在于，所述的限位装置为对称设置的螺杆。

本发明进一步的技术方案还在于，所述轮廓测量装置通过立柱固定于工作台上，立柱上设有调节螺栓，该调节螺栓与轮廓测量装置的轴承座配合以固定和调节轮廓测量装置。

本发明还提供了一种利用所述燃气轮机叶片快速检测装置的检测方法，包括以下步骤：

a.将待检燃气轮机叶片装夹于所述检测装置中，建立夹具坐标系P；

b.在已知的叶片三维数据中选择出两个截面A₁、A₂，得到其数据，分别为B₁、B₂，并且将这些数据作为基准；

c.启动轮廓测量装置，使两个轮廓测量装置在相同高度采集得到对应截面的轮廓数据，并存入计算机；

d.通过立柱调整轮廓测量装置的高度，改变测量截面，采集截面轮廓数据，并存入计算机；

e.根据步骤c得到A₁截面的轮廓数据B₃，根据步骤d得到A₂截面轮廓数据B₄；

f.将步骤b得到的数据B₁、B₂离散化，并分别从两个截面上选出6个特征点，记为P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈、P₉、P₁₀、P₁₁、P₁₂；在检测装置坐标系P中点P_i的坐标为(x_i，y_i，z₁)；

g.将步骤e得到的数据B₃、B₄离散化，分别从A₁、A₂两个截面实际测量得到的数据B₃、B₄中找到截面轮廓中对应位置的6个特征点，记为P′₁、P′₂、P′₃、P′₄、P′₅、P′₆、P′₇、P′₈、P′₉、P′₁₀、P′₁₁、P′₁₂；在检测装置坐标系中点P′_i的坐标为(x′_i，y′_i，z₂)；

h.根据步骤f，g得到的坐标数据，我们利用平面坐标转换公式来计算两个截面的误差，其中Δx，Δy为平面的平移误差，θ为扭转角度；点P_i，其基准坐标为(x_i，y_i，z_i)，按照截面位置误差计算得到的坐标假设为(x_i1，y_i1，z_i)，而实际测量得到坐标为(x′_i，y′_i，z_i)，按照最小二乘法来计算截面误差值：

$\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δx}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δy}\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{i1}\\ y_{i1}\\ 1\end{array}\right]$

${\mathrm{\Δt}}_1=\sqrt{{(x_i^{\′}-x_{i1})}^2+{(y_i^{\′}-y_{i1})}^2}$

$A=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i$

当A取得最小时，就得到截面的误差数据，由此可得A₁、A₂两个截面的误差分别为γ₁、γ₂；γ₁＝(Δx₁，Δy₁，θ₁)，γ₂＝(Δx₂，Δy₂，θ₂)；

i.根据步骤h得到的截面误差γ₁、γ₂，可以计算出叶片在平行于坐标系Z＝0平面的整体平移误差为

叶片的扭转误差为

本发明的有益效果是：本叶片精度快速检测装置，采用在叶片定位装置基础上设置轮廓测量装置，将叶片利用加工过后的高精度榫头定位并固定，通过由电机驱动沿丝杠、导轨运动的测量元件来获得叶片叶身截面的轮廓数据，使得获取叶身曲面数据的工作量大大减少，受人为影响因素小，获得数据速度快；采用测量笔接触式测量，测量精度高；离散截面轮廓数据的算法简单、成熟、精度高，易于后续的误差分析计算；截面轮廓高度和数量可选可调，灵活性大；同时，本发明机械结构简单，成本相对低廉而且测量精度有保障。

附图说明：

图1为本发明实施例中检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中检测装置的主视图；

图3为本发明检测装置中轮廓测量装置示意图；

图4为本发明检测装置中测量元件示意图；

图5为本发明检测方法中叶片测量界面选择示意图；

图6为本发明检测方法中截面轮廓数据离散化后得到数据点示意图；

图7为对比基准数据和本发明检测方法测量得到的数据计算误差的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明提供的燃气轮机叶片精度快速检测装置，包括工作台1和叶片定位装置，叶片定位装置固定于工作台1的台面中部，叶片定位装置是由定位销2、榫头定位元件3和定位挡板4组成，定位挡板4垂直固定于榫头定位元件3的一端，榫头定位元件3上设有配合叶片定位的置片槽31，定位销2垂直固定于定位挡板4的内侧且伸入置片槽内。叶片定位装置的两侧对称设置有轮廓测量装置，轮廓测量装置通过立柱16固定于工作台1的上方。

结合图3所示，轮廓测量装置由丝杠5、导轨6、测量元件7、轴承座8和联轴器9组成，轴承座8上设有轴承10，丝杠5的两端通过轴承座8内的轴承10支撑，导轨6位于丝杠5的下方，导轨6的两端封闭于轴承座8，联轴器9装于丝杠5的一端并与电机相连，测量元件7由电机驱动沿丝杠5在导轨6上作直线运动，测量元件7的运动轨迹与榫头定位元件3上置片槽31的走向一致。立柱16上设有调节螺杆17，调节螺杆17与轴承座8相配合以固定和调节轮廓测量装置，可以根据使用要求调整轮廓测量装置的高度。

结合图4所示，测量元件7主要包括测量笔11、弹簧12、光栅尺测量器13、光栅尺15和套筒14，测量笔11前部1/3至1/2区间内设有限位板111，限位板111将测量笔分为前后两段，前段为圆柱和圆锥，圆锥位于最前端，后段为棱柱，图中给出的是正四棱柱，是一种较为优先的方式，测量笔后段尾部的棱柱面上设有光栅尺15，光栅尺15的对应面上配套设有光栅尺测量器13，套筒14上部设有与丝杠5套装的通孔141，套筒中部设有与通孔141相垂直走向的腔体142，腔体142中前部的限位装置为上下对称设置两个限位螺杆143、144，限位螺杆143、144与限位板111配合限制测量笔11的位置，测量笔11贯穿套筒14的腔体142，测量笔11的前段穿过限位螺杆143、144并伸出套筒14，腔体142的末端设有与测量笔11后段棱柱相配合的棱柱孔145，供测量笔11后段尾部穿过，套筒14的下端与导轨6配合，光栅尺测量器13固定在套筒14上部末端的阶梯孔146内，弹簧12套装于测量笔11中段且限制于测量笔限位板111与套筒14的腔体142末端之间，测量笔11的笔尖始终与被检测叶片曲面保持接触。

本检测装置的工作过程：待检测叶片装入置片槽31中，定位销2、榫头定位元件3和定位挡板4配合将待检测叶片定位，建立夹具坐标系，为后续的轮廓数据测量提供方便。由于检测叶片过程中无加工力作用，因此由榫头定位元件3提供摩擦力来夹紧待检测叶片，待检测叶片放置完毕，启动轮廓测量装置，在步进电机的带动下，测量元件7匀速运动，依靠测量笔11保持与叶片曲面的接触达到测量轮廓数据的目的。测量元件7中弹簧12作用于测量笔11，保证测量笔11前端方向最远测量行程能达到叶片曲面最凹点，使其在测量过程中保证能始终接触叶片曲面。对称布置的轮廓测量装置分别采集叶片曲面上凸面和凹面的数据，处理之后可以得到一个完整截面的数据。在得到一个截面的数据之后调整轮廓测量装置的测量高度可以得到不同高度截面的轮廓数据。

参照图5、图6和图7所示，便于更好地理解和掌握本发明所提供的检测方法，包括以下步骤：

a.将待检燃气轮机叶片装夹于所述检测装置中，建立夹具坐标系P；

b.在已知的叶片三维数据中选择出两个截面A₁、A₂，得到其数据，分别为B₁、B₂，并且将这些数据作为基准；

c.启动轮廓测量装置，使两个轮廓测量装置在相同高度采集得到对应截面的轮廓数据，并存入计算机；

d.通过立柱调整轮廓测量装置的高度，改变测量截面，采集截面轮廓数据，并存入计算机；

e.根据步骤c得到A₁截面的轮廓数据B₃，根据步骤d得到A₂截面轮廓数据B₄；

f.将步骤b得到的数据B₁、B₂离散化，并分别从两个截面上选出6个特征点，记为P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈、P₉、P₁₀、P₁₁、P₁₂；在检测装置坐标系P中点P_i的坐标为(x_i，y_i，z₁)；

g.将步骤e得到的数据B₃、B₄离散化，分别从A₁、A₂两个截面实际测量得到的数据B₃、B₄中找到截面轮廓中对应位置的6个特征点，记为P′₁、P′₂、P′₃、P′₄、P′₅、P′₆、P′₇、P′₈、P′₉、P′₁₀、P′₁₁、P′₁₂；在检测装置坐标系中点P′_i的坐标为(x′_i，y′_i，z₂)；

h.根据步骤f，g得到的坐标数据，我们利用平面坐标转换公式来计算两个截面的误差，其中Δx，Δy为平面的平移误差，θ为扭转角度；点P_i，其基准坐标为(x_i，y_i，z_i)，按照截面位置误差计算得到的坐标假设为(x_i1，y_i1，z_i)，而实际测量得到坐标为(x′_i，y′_i，z_i)，按照最小二乘法来计算截面误差值：

$\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δx}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δy}\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{i1}\\ y_{i1}\\ 1\end{array}\right]$

${\mathrm{\Δt}}_1=\sqrt{{(x_i^{\′}-x_{i1})}^2+{(y_i^{\′}-y_{i1})}^2}$

$A=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i$

当A取得最小时，就得到截面的误差数据，由此可得A₁、A₂两个截面的误差分别为γ₁、γ₂；γ₁＝(Δx₁，Δy₁，θ₁)，γ₂＝(Δx₂，Δy₂，θ₂)；

i.根据步骤h得到的截面误差γ₁、γ₂，可以计算出叶片在平行于坐标系Z＝0平面的整体平移误差为

叶片的扭转误差为

以上实施例仅是本发明的一个较佳实施方式，详细说明了本发明的技术构思和实施要点，并非是对本发明保护范围的限制，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃气轮机叶片精度快速检测装置，包括一个工作台和固定于工作台台面上的叶片定位装置，所述叶片定位装置由定位销、榫头定位元件和定位挡板组成，定位挡板垂直固定于榫头定位元件的一端，榫头定位元件设有固定叶片的置片槽，定位销垂直固定于定位挡板的内侧且伸入置片槽内，其特征在于：还包括轮廓测量装置，所述的轮廓测量装置对称设置于所述叶片定位装置的两侧，该轮廓测量装置中包含采集叶片截面轮廓数据的测量元件；所述轮廓测量装置还包括丝杠、导轨、轴承、轴承座和联轴器，所述丝杠的两端通过轴承座内的轴承支撑，所述导轨位于丝杠的下方，导轨的两端封闭于轴承座，所述测量元件的上部套装于丝杠上，测量元件的下端与导轨配合，所述联轴器装于丝杠的一端并与电机相连，所述测量元件由电机驱动沿丝杠在导轨上作直线运动，测量元件的运动轨迹与所述榫头定位元件上置片槽的走向一致；所述测量元件主要包括测量笔、弹簧、光栅尺测量器、光栅尺和套筒，所述套筒上部设有与所述丝杠套装的通孔，套筒中部设有与所述通孔相垂直走向的腔体，该腔体的中前部设有限位装置，所述测量笔的笔杆上设有限位板，限位板沿测量笔的周向设置，该限位板位于腔体限位装置的内侧，所述限位装置与限位板配合限制测量笔的位置，测量笔贯穿套筒的腔体，测量笔的尾部设有光栅尺，光栅尺对应面的套筒上设有配套的光栅尺测量器，所述弹簧套装于测量笔中段且限制于测量笔限位板与套筒腔体末端之间，测量笔的笔尖与被检叶片曲面保持接触，套筒的下端与导轨配合。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片精度快速检测装置，其特征在于：所述的限位板设于测量笔前部1/3至1/2区间内，限位板将测量笔分为前后两段，前段为圆柱和圆锥，圆锥位于最前端，后段为棱柱，所述光栅尺设于测量笔尾部的棱柱面上，所述腔体的末端设有与测量笔后段棱柱相配合的棱柱孔，供测量笔后段尾部穿过。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片精度快速检测装置，其特征在于：所述的限位装置为对称设置的螺杆。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片精度快速检测装置，其特征在于：所述轮廓测量装置通过立柱固定于工作台上，立柱上设有调节螺栓，该调节螺栓与轮廓测量装置的轴承座配合以固定和调节轮廓测量装置。

5.利用权利要求4所述的燃气轮机叶片快速检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将待检燃气轮机叶片装夹于所述检测装置中，建立检测装置坐标系P；

b.在已知的叶片三维数据中选择出两个截面A₁、A₂，得到其数据，分别为B₁、B₂，并且将这些数据作为基准；

c.启动轮廓测量装置，使两个轮廓测量装置在相同高度采集得到对应截面的轮廓数据，并存入计算机；

d.通过立柱调整轮廓测量装置的高度，改变测量截面，采集截面轮廓数据，并存入计算机；

e.根据步骤c得到A₁截面的轮廓数据B₃，根据步骤d得到A₂截面轮廓数据B₄；

f.将步骤b得到的数据B₁、B₂离散化，并分别从两个截面上选出6个特征点，记为P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈、P₉、P₁₀、P₁₁、P₁₂；在检测装置坐标系P中点P_i的坐标为(x_i，y_i，z₁)；

g.将步骤e得到的数据B₃、B₄离散化，分别从A₁、A₂两个截面实际测量得到的数据B₃、B₄中找到截面轮廓中对应位置的6个特征点，记为P′₁、P′₂、P′₃、P′₄、P′₅、P′₆、P′₇、P′₈、P′₉、P′₁₀、P′₁₁、P′₁₂；在检测装置坐标系P中点P_i′的坐标为(x′_i，y′_i，z₂)；

h.根据步骤f，g得到的坐标数据，我们利用平面坐标转换公式来计算两个截面的误差，其中Δx，Δy为平面的平移误差，θ为扭转角度；点P_i，其基准坐标为(x_i，y_i，z_i)，按照截面位置误差计算得到的坐标假设为(x_i1，y_i1，z_i)，而实际测量得到坐标为(x′_i，y′_i，z_i)，按照最小二乘法来计算截面误差值：

$\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δx}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δy}\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{i1}\\ y_{i1}\\ 1\end{array}\right]$

${\mathrm{\Δt}}_i=\sqrt{{(x_i^{\′}-x_{i1})}^2+{(y_i^{\′}-y_{i1})}^2}$

$A=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_i$

当A取得最小时，就得到截面的误差数据，由此可得A₁、A₂两个截面的误差分别为γ₁、γ₂；γ₁＝(Δx₁，Δy₁，θ₁)，γ₂＝(Δx₂，Δy₂，θ₂)；

i.根据步骤h得到的截面误差γ₁、γ₂，可以计算出叶片在平行于坐标系Z＝0平面的整体平移误差为

叶片的扭转误差为 $\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2}\right).$

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