CN101881602B - 大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法 - Google Patents

Abstract

大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法，针对于大型动力装备的叶片装配中所普遍面临的问题，首先，采用高精度的轮廓数字化测量设备(如激光跟踪仪、数字经纬仪、关节式激光测量臂、手持式光笔、激光雷达等)，在叶片以及轮盘上有针对性地选择几何要素进行测量；然后，建立适当的坐标系；最后，在建立的坐标系下，由测得的点数据提取相关的几何特征(如叶身棱线、叶冠平面、榫头端面等)，进而分析叶片的装配误差，并对其进行相应的修正，从而提高大型复杂叶片类零件的装配精度。

Description

大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法

技术领域

本发明属于复杂曲面类零件精度检测技术领域，具体涉及一种针对于大型动力装备中广泛采用的大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法。

背景技术

目前，我国在汽轮机、燃气轮机、风力机、航空发动机等大型动力装备的制造上，自主创新能力弱、对外依存度高。因此，开展这一领域的研究工作，对突破相关技术瓶颈问题、打破发达国家的技术封锁有着重大而深远的战略意义，与国民经济的发展息息相关。

汽轮机、燃气轮机、风力机、航空发动机等大型动力装备均属于叶片式流体机械，它们在基本工作原理上有一个共同点：都是通过高温、高压的工作介质推动转子高速旋转，进而实现其他形式的能向机械能的转换，并带动负载做功。而转子主要的受力部件为一级级的叶轮，它也正是完成能量转换的核心部件。叶轮是由安装于转子主轴上沿周向均匀分布的大量叶片构成的。因此，叶片作为在大型动力装备上要广泛、大量采用的零部件，它的安装更是会直接关系到装备整机工作性能的好坏。

叶片是在大型动力装备中所广泛采用的零件，首先分析其结构：这里以燃气轮机的一级动叶片为例，如图1所示，它主要由三部分构成：叶身翼型面1——叶片承受气压作用的部分；叶根榫头2——是叶片的安装部分，用于连接转子叶片与轮毂，也是叶片承受作用力的主要部分；过渡平台3——连接叶片叶身翼型面和叶根榫头的过渡部分。而叶片是通过其榫头与转子上轮槽的配合实现装配的，如图2所示，进而形成一级级的叶轮。叶片的装配误差主要有：叶片绕积叠轴线转角θ的偏差；叶片绕垂直于转子轴线和其积叠轴线且与二者都相交的直线的转角偏差；叶片在转子轮盘径向的位置偏差；同级叶轮叶片中心积叠轴线间的夹角误差；榫头端面相对于同侧的轮盘端面的位置度误差。

通过分析，在叶片的装配误差中对装备整机性能影响较大的，主要为同一级叶轮上叶片中心积叠轴线间的夹角误差，以及叶片榫头端面相对于同侧的轮盘端面的位置度误差。在此将叶片的这两个装配误差分别定义为周向装配误差和轴向装配误差。

理论上，装配于转子某一级上的叶片是沿周向均匀分布的，叶片的中心积叠轴线汇聚于转子的中心，如图2所示，而在轴向，同一级叶片的榫头端面应在同一个平面内且与同侧的轮盘端面平齐。因此，如果在装配后相邻叶片中心积叠轴线的夹角偏差过大，或叶片在轴向的相对位置参差不齐，都会造成叶片在转子上的不均匀分布，进而导致工质不能均匀的流过并冲击叶轮，严重影响能量转换效率；此外在工作中，叶轮在高温高压工质的强力冲击作用下高速旋转。这也就意味着，叶片的这种不均匀分布，势必会影响整个叶轮的动平衡，这样叶轮在高速的旋转中就会出现偏心振动。这种振动所产生的周期性不平衡惯性力，不仅会增大运动副中的摩擦和构件中的内应力，还将引起整个转子及其基础的振动。如其频率接近于机械的固有频率，则不仅会严重影响到装备本身，还会使附近的工作机械以及厂房建筑受到影响甚至破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

第一步：坐标系的建立

首先，选用转子主轴上的辅助轴颈作为测量并建立坐标系的基准，具体的建立步骤为：

1)选择靠近叶片安装轮盘的一个轴颈作为测量对象；

2)分别对该轴颈靠近轮盘一侧的端面以及外圆柱面进行测量，获得对应的点数据；

3)对轴颈端面测量点数据做平面拟合，得到rOθ平面；

4)将轴颈外圆柱面测量点数据向步骤3)拟合得到的rOθ平面投影，并对投影点做圆拟合，圆心即为坐标系原点O；

5)z轴正向取为指向转子安装叶片的轮盘；

6)设竖直方向为θ转角的原始零位；

第二步：关键几何特征的提取与误差分析

1)周向装配误差

通过两个叶片上的对应几何特征提取两个叶片的实际夹角；

2)轴向装配误差

首先，对叶片榫头端面以及同侧的转子轮盘端面进行测量，得到两组点数据，

其次，对轮盘端面测量点数据做平面拟合得到轮盘端面；

最后，计算榫头端面测量点到轮盘端面的距离，得到此叶片的轴向装配误差。

所说的分别对该轴颈靠近轮盘一侧的端面以及外圆柱面进行测量，在测量过程中选测多组数据，拟合计算后再做均化处理，获得对应的点数据。

所说的周向装配误差提取方法有三种

第一种：

1)选择叶身翼型面的一条棱线作为待提取特征；

2)分别对两个叶片的棱线进行测量，得到两组点数据；

3)分别对两组点数据做曲线拟合，得到两个叶片的棱线；

4)将两条棱线向柱坐标系的rOθ平面上投影，并做相应的坐标变换，得到柱坐标系下的两条平面曲线；

5)设定一个r₀值，在rOθ平面上以O为圆心、r₀为半径做圆，交两投影曲线于P_A、P_B两点，计算P_A、P_B在柱坐标系下的转角θ_A和θ_B；

6)两个转角θ_A、θ_B之差θ_p即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θ_t进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。

第二种周向装配误差提取方法如下：

1)对待检测的两个叶片的叶冠平面进行测量，得到两组点数据；

2)对两组点数据做平面拟合，得到两个叶冠平面π₁、π₂的方程及其法矢n₁、n₂：

π_i：A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0，(i＝1，2)       (1)

n_i＝{A_i，B_i，C_i}，(i＝1，2)             (2)

其中，A_i、B_i、C_i为平面的法矢在x、y、z三个坐标轴上的分量；(-D_i/A_i)、(-D_i/B_i)、(-D_i/C_i)分别为平面在x、y、z三个坐标轴上的截距。

3)两个法矢的夹角，即为两个叶冠平面所夹二面角的补角，而待求的装配误差为叶片沿转子周向的夹角误差；

4)分别在两叶冠平面的测点中任选一点设为P₁(x₁，y₁，z₁)、P₂(x₂，y₂，z₂))，由对应法矢得两叶冠平面的法线方程：

$\frac{x-x_i}{A_i}=\frac{y-y_i}{B_i}=\frac{z-z_i}{C_i},(i=\mathrm{1,2})---\left(3\right)$

5)将两条法线向柱坐标系的rOθ平面投影，并做相应的坐标转换，得到柱坐标系下的两条投影直线；

6)设定一个r₀值，以O为圆心、r₀为半径做圆，交两投影直线于P′_A、P′_B两点，计算P′_A、P′_B在柱坐标系下的转角θ′_A和θ′_B；

7)两个转角θ′_A、θ′_B之差θ′_P即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θ_t进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。

第三种周向装配误差提取方法如下：

1)对叶片过渡平台的两个平面进行测量，得到两组点数据；

2)分别对两组点数据做平面拟合，得到两个平面π₃、π₄的方程：

π_i：A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0，(i＝3，4)        (4)

其中，A_i、B_i、C_i为平面的法矢在x、y、z三个坐标轴上的分量；(-D_i/A_i)、(-D_i/B_i)、(-D_i/B_i)分别为平面在x、y、z三个坐标轴上的截距

3)计算两个平面的交线方程，得到过渡平台棱线：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{3}x+B_{3}y+C_{3}z+D_3=0\\ A_{4}x+B_{4}y+C_{4}z+D_4=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

4)对另一个叶片做同样的处理，得到对应的过渡平台棱线；

5)将两条棱线分别向柱坐标系的rOθ平面上投影，并做相应的坐标转换，得到柱坐标系下的两条投影直线；

6)设定一个r₀值，以O为圆心、r₀为半径做圆，交两投影直线于P″_A、P″_B两点，计算P″_A、P″_B在柱坐标系下的转角θ″_A和θ″_B；

7)两个转角θ″_A、θ″_B之差θ″_P即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θt进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。

本发明针对于大型动力装备的叶片装配中所普遍面临的问题，首先，采用高精度的轮廓数字化测量设备(如激光跟踪仪、数字经纬仪、关节式激光测量臂、手持式光笔、激光雷达等)，在叶片以及轮盘上有针对性地选择几何要素进行测量；然后，建立适当的坐标系；最后，在建立的坐标系下，由测得的点数据提取相关的几何特征(如叶身棱线、叶冠平面、榫头端面等)，进而分析叶片的装配误差，并对其进行相应的修正，从而提高大型复杂叶片类零件的装配精度。

附图说明

图1是燃机叶片的结构示意图；

图2是叶片装配示意图；

图3是转子主轴示意图；

图4是叶片几何特征图；

图5轴向装配误差图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

第一步：坐标系的建立

在本发明中，所依据的原始信息就是叶片关键几何特征的测量点数据。因此，选择合理的方式有效的建立坐标系，对后续的精度分析至关重要，也是本发明首先要解决的问题。

大型动力装备的转子属于回转类零件，考虑到将来要提取的几何特征信息，在本发明中选择建立柱坐标系。而一个柱坐标系的建立，需要确立的元素主要有如下几个：坐标系原点O、rOθ平面、z轴正向以及r轴原始0位置。本发明采用如下的方法确定这些关键元素并建立柱坐标系：

转子主轴的基本结构如图3所示。用于安装叶片的转子轮盘4上有一系列沿周向分布的轮槽5，通过叶根榫头2与轮槽5的配合实现叶片在转子轮盘4上的装配，进而形成一级级的叶轮(图3中只表示了一级)。主轴6上除了转子轮盘4还有若干个辅助轴颈，如图3中的A轴颈与B轴颈。由于对轮盘测量不甚方便，尤其是其外圆柱面。加之在装配了叶片后所产生的一些遮挡，测量难度较大。考虑到这一因素，本发明选用转子主轴6上的辅助轴颈作为测量并建立坐标系的基准，在此选择A轴颈，如图3中所示建立柱坐标系。

具体的建立步骤为：

1)选择靠近叶片安装轮盘的一个轴颈作为测量对象，如图3中的A轴颈；

2)利用高精度的测量设备(如激光跟踪仪、关节式测量臂等)分别对该轴颈靠近轮盘一侧的端面以及外圆柱面进行测量，获得对应的点数据。

3)对轴颈端面测量点数据做平面拟合，得到的即为rOθ平面；

4)将轴颈外圆柱面测量点数据向上一步拟合得到的rOθ平面投影，并对投影点做圆拟合，圆心即为坐标系原点O；

5)z轴正向取为指向转子安装叶片的轮盘；

6)设竖直方向为θ转角的原始零位。

在第2步对轴颈端面和外圆柱面的测量中，理论上分别测量三个点即可。但是，考虑到轴颈端面平面度误差以及轴颈外圆柱面圆柱度误差的影响，在测量过程中可以选测多组数据，拟合计算后再做均化处理，即可获得满意的结果。

第二步：关键几何特征的提取与误差分析

在完成了柱坐标系的建立，接下来的工作就是关键几何特征的提取以及装配误差的分析。

一、周向装配误差

叶片的周向装配误差，究其定义可知，其实质为一沿转子周向的转角。如果理论上两个叶片A和B沿转子周向的夹角为θ_t，那么可以认为叶片A可以通过绕转子主轴转过θ_t角准确到达叶片B的位置，是一种刚体运动。故实际夹角可通过分析两个叶片上的对应几何特征来提取，基于此方案，本发明提出了如下的三种周向装配误差提取方法：

第一种：基于叶身前、后缘棱线的提取方法

叶片叶身翼型面的前、后缘棱线，通常为空间曲线(也有的是平面曲线或直线)，如图4所示。鉴于此，提出了如下的方法：

1)选择叶身翼型面的一条棱线即叶身棱线7(前、后缘棱线均可)作为待提取特征；

2)利用高精度轮廓测量设备(如激光跟踪仪、关节式测量臂等)，分别对两个叶片的棱线进行测量，得到两组点数据；

3)分别对两组点数据做曲线拟合，得到两个叶片的棱线；

4)将两条棱线向柱坐标系的rOθ平面上投影，并做相应的坐标变换(测量坐标系向新建立的柱坐标系的坐标变换)，得到柱坐标系下的两条平面曲线；

5)设定一个r₀值，在rOθ平面上以O为圆心、r₀为半径做圆，交两投影曲线于P_A、P_B两点，计算P_A、P_B在柱坐标系下的转角θ_A和θ_B；

6)两个转角θ_A、θ_B之差θ_p即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θ_t进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。

第二种：基于叶冠的提取方法

如图4所示，叶身翼型面的顶部(通常称为叶冠)是一平面即叶冠平面8。通过分析可知，两个叶片的叶冠平面所夹二面角的补角，即为对应两叶片的空间夹角，进而可得到叶片的周向装配误差：

1)利用高精度轮廓测量设备(如激光跟踪仪、关节式测量臂等)，对待检测的两个叶片的叶冠平面进行测量，得到两组点数据；

2)对两组点数据做平面拟合，得到两个叶冠平面π₁、π₂的方程及其法矢n₁、n₂：

π_i：A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0，(i＝1，2)        (1)

n_i＝{A_i，B_i，C_i}，(i＝1，2)              (2)

其中，A_i、B_i、C_i为平面的法矢在x、y、z三个坐标轴上的分量；(-D_i/A_i)、(-D_i/B_i)、(-D_i/C_i)分别为平面在x、y、z三个坐标轴上的截距。

3)两个法矢的夹角，即为两个叶冠平面所夹二面角的补角(而待求的装配误差为叶片沿转子周向的夹角误差)；

4)分别在两叶冠平面的测点中任选一点(这里设为P₁(x₁，y₁，z₁)、P₂(x₂，y₂，z₂))，由对应法矢可得两叶冠平面的法线方程：

$\frac{x-x_i}{A_i}=\frac{y-y_i}{B_i}=\frac{z-z_i}{C_i},(i=\mathrm{1,2})---\left(3\right)$

5)将两条法线向柱坐标系的rOθ平面投影，并做相应的坐标转换，得到柱坐标系下的两条投影直线；

6)设定一个r₀值，以O为圆心、r₀为半径做圆，交两投影直线于P′_A、P′_B两点，计算P′_A、P′_B在柱坐标系下的转角θ′_A和θ′_B；

7)两个转角θ′_A、θ′_B之差θ′_P即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θ_t进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。

第三种：基于过渡平台几何特征的提取方法

通过分析叶片的组成结构可知，叶片主要由三大部分组成：叶身、榫头、以及连接叶身和榫头的过渡平台，而叶片是通过榫头与轮盘上轮槽的配合实现在转子上的装配。因此，叶片的周向装配误差，究其根源是榫头与轮槽的不当配合导致的。由于装配后榫头压力面与轮槽平面紧密接触，几乎无法对它们进行测量。而这一周向装配误差，在连接叶身翼型面和叶根榫头的过渡平台(如图1所示)上有着准确的反映。通过分析过渡平台的结构发现：过渡平台上有很多规则的几何特征，如图4中所示的平面以及直线，本发明通过分析此特征提取叶片的周向装配误差：

1)利用高精度轮廓测量设备(如激光跟踪仪、关节式测量臂等)，对叶片过渡平台的两个平面10(如图4中所示)进行测量，得到两组点数据；

2)分别对两组点数据做平面拟合，得到两个平面π₃、π₄的方程：

π_i：A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0，(i＝3，4)      (4)

其中，A_i、B_i、C_i为平面的法矢在x、y、z三个坐标轴上的分量；(-D_i/A_i)、(-D_i/B_i)、(-D_i/B_i)分别为平面在x、y、z三个坐标轴上的截距

3)计算两个平面的交线方程，得到图4中所示过渡平台棱线9：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{3}x+B_{3}y+C_{3}z+D_3=0\\ A_{4}x+B_{4}y+C_{4}z+D_4=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

4)对另一个叶片做同样的处理，得到对应的过渡平台棱线；

5)将两条棱线分别向柱坐标系的rOθ平面上投影，并做相应的坐标转换，得到柱坐标系下的两条投影直线；

6)设定一个r₀值，以O为圆心、r₀为半径做圆，交两投影直线于P″_A、P″_B两点，计算P″_A、P″_B在柱坐标系下的转角θ″_A和θ″_B；

7)两个转角θ″_A、θ″_B之差θ″_P即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θt进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。

二、轴向装配误差

根据叶片轴向装配误差的定义，其实质为榫头端面相对于轮盘端面的位置度误差。要提取的几何特征为叶片的榫头端面以及与其同侧的轮盘端面，如图5所示。

本发明提出了如下的分析方法：

1)利用高精度轮廓测量设备(如激光跟踪仪、关节式测量臂等)，对叶片榫头端面以及同侧的转子轮盘端面进行测量，得到两组点数据；

2)对轮盘端面测量点数据做平面拟合得到轮盘端面；

3)计算榫头端面测量点到轮盘端面的距离，得到此叶片的轴向装配误差。

在被检测的转子某一级叶轮上选择按一定规律分布的叶片，按照上述方法，分析选定叶片的周向装配误差和轴向装配误差。在得到了叶片的装配误差后，有针对性的采取适当的措施对安装的叶片进行调整和修正，从而提高叶片的装配精度、有效改善装备整机的工作性能。

Claims (5)

1.大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法，其特征在于：

第一步：坐标系的建立

首先，选用转子主轴上的辅助轴颈作为测量并建立坐标系的基准，具体的建立步骤为：

1)选择靠近叶片安装轮盘的一个轴颈作为测量对象；

2)分别对该轴颈靠近轮盘一侧的端面以及外圆柱面进行测量，获得对应的点数据；

3)对轴颈端面测量点数据做平面拟合，得到rOθ平面；

4)将轴颈外圆柱面测量点数据向步骤3)拟合得到的rOθ平面投影，并对投影点做圆拟合，圆心即为坐标系原点O；

5)z轴正向取为指向转子安装叶片的轮盘；

6)设竖直方向为θ转角的原始零位；

第二步：关键几何特征的提取与误差分析

1)周向装配误差

通过两个叶片上的对应几何特征提取两个叶片的实际夹角；

2)轴向装配误差

首先，对叶片榫头端面以及同侧的转子轮盘端面进行测量，得到两组点数据，

其次，对轮盘端面测量点数据做平面拟合得到轮盘端面；

最后，计算榫头端面测量点到轮盘端面的距离，得到此叶片的轴向装配误差。

2.根据权利要求1所述的大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法，其 特征在于：所说的分别对该轴颈靠近轮盘一侧的端面以及外圆柱面进行测量，在测量过程中选测多组数据，拟合计算后再做均化处理，获得对应的点数据。

3.根据权利要求1所述的大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法，其特征在于：所说的周向装配误差提取方法如下：

1)选择叶身翼型面的一条棱线作为待提取特征；

2)分别对两个叶片的棱线进行测量，得到两组点数据；

3)分别对两组点数据做曲线拟合，得到两个叶片的棱线；

4)将两条棱线向柱坐标系的rOθ平面上投影，并做相应的坐标变换，得到柱坐标系下的两条平面曲线；

5)设定一个r_O值，在rOθ平面上以O为圆心、r_O为半径做圆，交两投影曲线于P_A、P_B两点，计算P_A、P_B在柱坐标系下的转角θ_A和θ_B；

6)两个转角θ_A、θ_B之差θ_p即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θ_t进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。

4.根据权利要求1所述的大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法，其特征在于：所说的周向装配误差提取方法如下：

1)对待检测的两个叶片的叶冠平面进行测量，得到两组点数据；

2)对两组点数据做平面拟合，得到两个叶冠平面π₁、π₂的方程及其法矢n₁、n₂：

π_i：A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0，(i＝1，2)        (1)

n_i＝{A_i，B_i，C_i}，(i＝1，2)              (2)

其中，A_i、B_i、C_i为平面的法矢在x、y、z三个坐标轴上的分量；(-D_i/A_i)、(-D_i/B_i)、(-D_i/C_i)分别为平面在x、y、z三个坐标轴上的截距； 

3)两个法矢的夹角，即为两个叶冠平面所夹二面角的补角，而待求的装配误差为叶片沿转子周向的夹角误差；

4)分别在两叶冠平面的测点中任选一点设为P₁(x₁，y₁，z₁)、P₂(x₂，y₂，z₂)，由对应法矢得两叶冠平面的法线方程：

(i＝1，2)                       (3)

5)将两条法线向柱坐标系的rOθ平面投影，并做相应的坐标转换，得到柱坐标系下的两条投影直线；

6)设定一个r_O值，以O为圆心、r₀为半径做圆，交两投影直线于P_A′、P_B′两点，计算P_A′、P_B′在柱坐标系下的转角θ_A′和θ_B′；

7)两个转角θ_A′、θ_B′之差θ_P′即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θ_t进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。

5.根据权利要求1所述的大型复杂叶片类零件的装配精度检测方法，其特征在于：所说的周向装配误差提取方法如下：

1)对叶片过渡平台的两个平面进行测量，得到两组点数据；

2)分别对两组点数据做平面拟合，得到两个平面π₃、π₄的方程：

π_i：A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0，(i＝3，4)        (4)

其中，A_i、B_i、C_i为平面的法矢在x、y、z三个坐标轴上的分量；(-D_i/A_i)、(-D_i/B_i)、(-D_i/C_i)分别为平面在x、y、z三个坐标轴上的截距；

3)计算两个平面的交线方程，得到过渡平台棱线：

4)对另一个叶片做同样的处理，得到对应的过渡平台棱线； 

5)将两条棱线分别向柱坐标系的rOθ平面上投影，并做相应的坐标转换，得到柱坐标系下的两条投影直线；

6)设定一个r_O值，以O为圆心、r_O为半径做圆，交两投影直线于P_A″、P_B″两点，计算P_A″、P_B″在柱坐标系下的转角θ_A″和θ_B″；

7)两个转角θ_A″、θ_B″之差θ_P″即为两叶片的在转子周向的实际夹角，将其与理论上两叶片的夹角θ_t进行比对，即可得到叶片的周向装配误差。 

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