CN104930983A - 用于测量叶片内部结构的测量方法及所用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量叶片内部结构的测量方法及所用夹具，涡轮叶片内部部件包括扰流柱和肋类结构，测量方法包括以下步骤：S1：将燃气涡轮一级导向叶片装夹在辅助夹具上，将夹具夹持在复合式光学坐标机的B转台上，调用TP200接触式测头测量夹具来建立初始坐标系，测量时按住操纵盒相应按键减少测力；S2：根据辅助夹具设计图，对初始坐标系进行平移与旋转，使测量坐标系与叶片检测坐标系一致；S3：调整B、C双转台，使待测扰流柱、肋与仪器机械坐标系Z轴夹角最小，目的在于减少投影误差；S4：利用复合式光学坐标机的光学镜头测量燃气涡轮一级导向叶片内腔中的扰流柱和肋类结构等结构参数。

Description

用于测量叶片内部结构的测量方法及所用夹具

技术领域

本发明涉及复合式光学坐标机测量领域，特别地，涉及一种用于测量叶片内部结构的机测量方法及所用夹具。

背景技术

航空发动机的性能很大程度上取决于叶片质量的好坏，燃气涡轮导向叶片数量多、形状复杂、要求高、加工难度大，而且属于故障多发型零件，一直以来是各发动机厂生产的关键。燃烧室中产生的燃气首先经过燃气涡轮导向叶片，该燃气温度提高，可以提高发动机单位体积的输出功率。但是燃气温度的升高，会给发动机的工作带来一系列严重的问题，所以需要提高涡轮叶片工作时的冷却效果，仅仅靠提高涡轮所用材料的性能已经无法满足对高输出功率的追求，高效、可靠的涡轮叶片尾缘冷却系统才是解决问题的关键所在。

现有技术中多采用带有内腔的叶片来实现对涡轮温度的降低。叶片内腔中带有如扰流柱、纵向肋和横向肋条等结构。扰流柱、纵向肋和横向肋可强化叶片内部的传热，能对冷空气进行干扰，使高压冷空气在叶片内腔中的停留时间增长，从而使冷空气与叶片内壁接触更充分，从而达到加强散热的目的。涡轮叶片内型结构的形状曲线最佳时能够使叶片的换热量达到最大，而关于涡轮叶片内型结构的测量，目前为止是国内的瓶颈技术。

由于扰流柱等结构位于叶片内腔中，而叶片内腔本身尺寸就已经很微小。设置于叶片内腔中的肋类结构局部高度仅为0.2mm，且带有空间角度。对于燃气涡轮一级导向叶片内腔的测量不仅包括对内腔中各部件的形状曲线测量，还包括对各部件的空间位置的测量，这就需要建立检测坐标系。叶片型面为三维曲面，叶片原点或积叠轴的准确位置难以确定，多需借助夹具间接找到叶片积叠轴的中心从而建立叶片检测坐标系。借助辅助夹具进行的测量属于三维测量，需要用到三坐标测量机。虽然利用三坐标机的接触测量可以测量辅助夹具，完成测量坐标系的建立，但是由于扰流柱、肋的形状非常微小，单独借助三坐标机的接触测头进行测量时，测量结果会受到干涉，因而无法快捷的获得准确的结果。

现有技术中对于这些微小形状的测量只有使用非接触式测量方法完成。其中万能工具显微镜无法直接对三维尺寸进行测量，无法完成对夹具基准的测量，也无法完成对叶片内腔其它三维尺寸的测量；激光测量仪只能扫描出较宏观的部件，不能测量叶片内腔拥挤排布的细微部件；还有一种基于CT扫描技术的计量仪器，能够完整的扫描出被测对象的三维立体结构，但是大部分只能扫描小直径的物体，燃气涡轮导向叶片的最厚部位已经超出小型CT扫描机的行程，而大型CT扫描机虽然能够满足燃气涡轮导向叶片内腔的扫描要求，但是价格昂贵，国内目前没有公司购买。

发明内容

本发明提供一种用于测量叶片内部结构的机测量方法及所用夹具，以解决现有技术中无法精确测量涡轮叶片内壁上扰流柱和肋类结构轮廓和尺寸的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量燃气涡轮一级导向叶片内腔结构部件的复合式光学坐标机测量方法，涡轮叶片内部结构包括扰流柱和肋类结构，包括以下步骤：S1：将燃气涡轮一级导向叶片通过辅助夹具夹持在复合式光学坐标机的B转台上，测量辅助夹具并据此建立初始坐标系；S2：依据辅助夹具的图纸，调整初始坐标系使其与叶片检测坐标系一致，得到测量坐标系；S3：分别调整B转台和C转台，使扰流柱和肋类结构与仪器机械坐标系中的Z轴夹角趋近于零；S4：利用复合式光学坐标机分别对扰流柱和肋类结构进行光学测量，得到扰流柱和肋类结构的空间位置参数。

进一步地，测量扰流柱空间位置参数时，S3步骤包括以下步骤：S311：先调整C转台，使扰流柱与仪器机械坐标系Y-Z坐标平面的夹角趋近于零；S312：再调整B转台，使扰流柱与仪器机械坐标系的Z轴平行。

进一步地，S311步骤包括以下步骤：将C转台旋转β角，使扰流柱与仪器机械坐标系中Y-Z坐标平面的夹角趋近于零；其中β角为扰流柱在叶片检测坐标系中与叶片检测坐标系的X轴所成角度。

进一步地，测量肋类结构空间位置参数时，S3步骤包括以下步骤：S321：先调整C转台，使肋类结构与仪器机械坐标系Y-Z坐标平面的夹角趋近于零；S322：再调整B转台，使肋类结构与仪器机械坐标系的Z轴平行。

根据本发明的另一方面还提供了一种如上方法所用的辅助夹具，叶片包括支持部和待测量部，支持部从待测量部的内缘沿待测量部的径向向中心延伸形成，支持部的底面上沿待测量部的轴向向外延伸形成外缘板，包括用于被夹持于复合式光学坐标机上的手柄和固接于手柄一端的支撑盘，支撑盘的外缘抵接于外缘板上，支撑盘上开设有与支持部上所开定位孔相连通的安装孔；支持部通过螺钉固定安装于支撑盘上。

进一步地，手柄的轴线通过叶片的积叠轴。

进一步地，安装孔的中心位于以叶片积叠轴为轴线，以66mm为半径的理论圆柱面上。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的测量方法通过采用接触式测量与非接触式测量相结合的方法，完美解决了精确测量涡轮叶片内壁上扰流柱和肋类结构轮廓和尺寸的技术问题。通过调用转台模块调整B、C转台角度，尽量消除掉待测部分的一个投影角，减少投影误差，使测量结果具有较好的重复性和精确度。

本发明提供的测量夹具，参考了燃气涡轮一级导向叶片的设计图，通过测量夹具的三个基准，找到涡轮叶片的积叠轴中心，解决了叶片原点或积叠轴的准确位置难以确定的问题。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例夹具侧视的示意图；

图2是本发明优选实施例夹具俯视的示意图；

图3是本发明优选实施例的扰流柱测绘结果示意图；

图4是本发明优选实施例的纵向肋的测绘结果示意图。

图例说明：

100、涡轮叶片；110、支持部；130、外缘板；120、待测量部；400、定位钉；300、支撑盘；200、手柄。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。(注意可选和优选混合使用)

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

为了找到燃气涡轮叶片的积叠轴并建立叶片检测坐标系，本发明还提供了一种燃气涡轮一级导向叶片的复合式光学坐标机测量方法用辅助夹具如图1所示，夹具包括手柄200和固定连接于手柄200一端上的支撑盘300。支撑盘300上开设安装孔，该安装孔开的数量可以根据待测叶片数量，已经测量仪器的容纳量进行调整。参见图1和2，涡轮叶片100包括支持部110和待测量部120，待测量部120为叶片主体其上分布有各待测结构。为便于测量时固定和确定积叠轴等相关参数，叶片的支持部110上开设有定位孔。

使用时，将支持部110上的定位孔与支撑盘300上的安装孔轴线重合的安放好，用定位钉400贯穿安装孔和定位孔，将叶片固定。同时外缘板的内壁抵靠于支撑盘300的大圆弧的外壁上。将手柄200伸入设B转台上的夹爪内。根据所用设备的不同，也可以为其他相应的转台。该定位孔与支撑盘300上的定位孔相连通。定位钉400可贯通支持部110和支撑盘300从而将涡轮叶片100固定于支撑盘300上。从而控制涡轮叶片100的测量位置。通过控制手柄200，待测量部120可自由旋转，从而完成后续处理工作。

优选，手柄200的轴线通过叶片100的积叠轴。按此设置，可以提高测量精度和测量效率。

更优选的，安装孔的中心位于以叶片100积叠轴为轴线，以66mm为半径的理论圆柱面上。理论圆柱面是指，夹具安装孔的中心处于以叶片积叠轴为圆柱轴线，半径为66mm绘制的圆柱作为理论圆柱上。按此设置，可以使叶片的设计图与采用夹具装夹后的叶片保持一致。便于将实际叶片转过的角度与图纸中的叶片相对应，从而提高测量精度。

本发明提供的方法包括以下步骤：

S0：校验测试头及转台；

S1：将燃气涡轮一级导向叶片装夹在辅助夹具上，将夹具夹持在复合式光学坐标机的B转台上，用置于坐标机工作台上的高度尺的靠尺来靠压夹具的支撑盘，直至不透光。调用TP200接触式测头测量辅助夹具来建立初始坐标系，测量时按住操纵盒相应按键减少测力；

S2：根据辅助夹具设计图，对初始坐标系进行平移与旋转，使测量坐标系与叶片检测坐标系一致；

S3：调整B、C双转台，使待测扰流柱、肋类结构与仪器机械坐标系Z轴夹角最小，目的在于减少投影误差；

S4：利用复合式光学坐标机的光学镜头测量燃气涡轮一级导向叶片内腔中的扰流柱和肋类结构的结构参数。

校验测试头包括校验光学镜头和接触测头，其中光学镜头是标准测头，校验完后将接触测头与标准测头进行关联，得到接触测头与光学测头的位置关系，以便后续进行相关测量。转台包括B转台和C转台。其中B转台可以旋转360°，C转台可以旋转180°。之后将B转台和C转台固定在各自的初始0°。通过复合式光学坐标机上的接触镜头测量出夹具的A、B、C基准。定位步骤包括以下步骤：以面B定为空间基准，以面A与面B的交线作为角向，面A与面B的交线与面C的交点定为坐标系的原点。所得坐标系为夹具坐标系。其中B转台与C转台之间的空间位置关系为：C转台的轴线垂直与B转台的轴线。

根据如图2所示的夹具的设计图纸，将上述夹具坐标系的原点位置平移一个理论距离，得到燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴原点。

然后在检测坐标系下对涡轮叶片内腔中的扰流柱和肋类结构进行测量。包括测量扰流柱的方法和测量肋类结构的方法，其中测量扰流柱的方法包括以下步骤：

S31：先调整C转台，使扰流柱与仪器机械坐标系Y-Z坐标平面的夹角趋近于零，目的在于消除掉一个投影角；

S32：再调整B转台，使扰流柱与仪器机械坐标系的Z轴平行；

S33：调用光学镜头测定各扰流柱的直径、间距、空间角、以及各排扰流柱之间的间距、各排扰流柱与叶片积叠轴的夹角等。

为了避免接触测头在测量过程中碰撞爪盘，而在测量扰流柱时仅需用到光学测量装置，因而在测量完基准后将接触测头取下，并且需调整C转台使其转过180角°。其中Y-Z坐标平面为仪器机械坐标系中固定不动的坐标平面，Z轴为仪器机械坐标系中固定不动的坐标轴，因而依次为转台的转动参考轴，可以提高转变过程中的精度，降低误差。

在测量过程中，为了避免复合式光学坐标机中接触探头在测量过程中碰撞爪盘，而在测量扰流柱时仅需用到光学测量装置，因而将接触测量装置去除。之后为了保证光学测量装置能捕捉到涡轮叶片的待测表面上的扰流柱，需调整C转台使其转过α角。调整后能减小测量的干扰。具体为：使扰流柱与仪器机械坐标系Y-Z坐标平面的夹角趋近于零。从而减小后续测量过程中，这些角度对测量扰流柱三维倾斜角度的影响。旋转该角度后，光学测量装置的传感器既不会干涉转台的爪盘，也可以将投影角度减少至最低。从而减少投影角度对测量坐标系下，余下角度的测量结果干扰。提高测量准确度。

之后根据图纸中扰流柱与图纸坐标系中X轴成β，将夹持叶片的B转台旋转β，使扰流柱与仪器机械坐标系的Z轴平行。从而使扰流柱整个剖面聚焦清楚，提高测量准确度。

之后通过光学测量装置对叶片上的每个扰流柱的直径按现有方法进行测量，之后再用Contour扫描轮廓，加Save_part_values程序进行操作，从而将扫描的数据保存在TXT格式的文档里。再依次通过用Mastercam和AutoCAD处理后保存CAD格式的图像。从而得出各扰流柱的直径、间距、空间角、以及各排扰流柱之间的间距、各排扰流柱与叶片积叠轴的夹角等参数。具体的扰流柱测绘的CAD数据处理后所得结果如图3所示。由图3可见，密布于叶片内腔表面的每个扰流柱与X轴所成角度、直径均可以得到。

优选的，测量肋类结构空间位置参数时，S3步骤包括以下步骤：

S321：先调整C转台，使肋类结构与仪器机械坐标系Y-Z坐标平面的夹角趋近于零，目的在于消除掉一个投影角；

S322：再调整B转台，使肋类结构与仪器机械坐标系的Z轴平行；

S323：通过光学镜头扫描测量肋类结构的形状曲线，将扫描得到的点坐标保存在一个指定路径的TXT文本文档里；

S324：对所得结果进行处理得到肋类结构的形状轮廓、肋类结构与积叠轴的夹角。由于肋类结构还包括纵向肋和横向肋，因而所得结果中还包括纵向肋的间距空间参数。

按此方法进行调整后在对肋类结构进行测量，可以有效消除三维肋类结构在坐标系中的Z面上的投影，从而将其转变为二维结构进行测量。采用该方法进行转变，可以有效降低转变过程中的误差，提高测量结果的准确性。

横向肋投影至测量坐标系中的角度包括α₁、α₂和α₃。α₁对应测量坐标系中的X坐标面、α₂对应测量坐标系中的Y坐标面和α₃对应测量坐标系中的Z坐标面。当然这种对应关系并不是唯一的，可以根据具体需要进行调整。仅需依序实现横向肋根据投影角度在任意2个坐标面内转过相应的投影角，使该坐标面内的投影角趋近于零即可。例如当横向肋的α₁＝59°时，将B转台转至59°消除掉该投影角后，用光学镜头测量横向肋的其他参数，测定横向肋与Z方向夹角为4.78°，该投影角又为横向肋与积叠轴的夹角。

测量纵向肋方法与横向肋相同，在此不详述。仅举例说明。例如纵向肋的一个投影角为16°，所以将B转台转至16°消除掉该投影角后，用光学镜头测量纵向肋的其他参数，并测得另外一个方向的投影角为13°44′。对于纵向肋的测试结果用Contour扫描轮廓，将扫描的数据保存在TXT格式的文档里，再依次通过用Mastercam和AutoCAD处理后保存CAD格式的图像。纵向肋的数据经处理后如图4所示。如图4所示，所得后一投影角13°44′即为纵向肋在测量坐标中得出的与X轴所成夹角。

为了验证上述方法对于涡轮叶片内腔中的各部件具有较高的测量准确性与重复性，将同一片燃气涡轮一级导向叶片经过两次装夹，在复合式光学坐标机上分别测得两组数据如下表1所示。

表1两次测量数据对比表

由表1可见，本发明提供的测量方法，可以有效减小重复测量产生的误差，具有较高的重复性，对于叶片内腔等结构具有较好的检测结果。

通过研究，解决了燃气涡轮一级导向叶片内腔的检测难题。从设计制造燃气涡轮一级导向叶片扇形件的专用测量夹具，并结合该夹具编制出了自动化叶片内腔形状与位置的测量程序，从而能高效率、高质量的完成燃气涡轮一级导向叶片内腔的测量，并能迅速完成数据处理分析得到叶片内腔形状的参数报告。

本发明燃气涡轮一级导向叶片内腔的测量方法的实施，并经过了多次实验、比对，解决了新机研制中叶片建模和保证航机关键重要件产品质量等方面起到了重要的作用。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于测量燃气涡轮一级导向叶片内腔结构部件的复合式光学坐标机测量方法，所述涡轮叶片内部结构包括扰流柱和肋类结构，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将所述燃气涡轮一级导向叶片通过辅助夹具夹持在所述复合式光学坐标机的B转台上，测量所述辅助夹具并据此建立初始坐标系；

S2：依据所述辅助夹具的图纸，调整所述初始坐标系使其与叶片检测坐标系一致，得到测量坐标系；

S3：分别调整B转台和C转台，使所述扰流柱和所述肋类结构与仪器机械坐标系中的Z轴夹角趋近于零；

S4：利用复合式光学坐标机分别对所述扰流柱和所述肋类结构进行光学测量，得到所述扰流柱和所述肋类结构的空间位置参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述扰流柱空间位置参数时，所述S3步骤包括以下步骤：

S311：先调整C转台，使所述扰流柱与所述仪器机械坐标系Y-Z坐标平面的夹角趋近于零；

S312：再调整B转台，使所述扰流柱与所述仪器机械坐标系的Z轴平行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S311步骤包括以下步骤：将C转台旋转β角，使所述扰流柱与所述仪器机械坐标系中Y-Z坐标平面的夹角趋近于零；其中所述β角为所述扰流柱在所述叶片检测坐标系中与所述叶片检测坐标系的X轴所成角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述肋类结构空间位置参数时，所述S3步骤包括以下步骤：

S321：先调整C转台，使所述肋类结构与所述仪器机械坐标系Y-Z坐标平面的夹角趋近于零；

S322：再调整B转台，使所述肋类结构与所述仪器机械坐标系的Z轴平行。

5.一种如权利要求1～4中任一项所述的用于测量燃气涡轮一级导向叶片内腔结构部件的复合式光学坐标机测量方法所用辅助夹具，所述叶片(100)包括支持部(110)和待测量部(120)，所述支持部(110)从所述待测量部(120)的内缘沿所述待测量部(120)的径向向中心延伸形成，所述支持部(110)的底面上沿所述待测量部(120)的轴向向外延伸形成外缘板(130)，

其特征在于，

包括用于被夹持于所述复合式光学坐标机上的手柄(200)和固接于所述手柄(200)一端的支撑盘(300)，所述支撑盘(300)的外缘抵接于所述外缘板(130)上，所述支撑盘(300)上开设有与所述支持部(110)上所开定位孔相连通的安装孔；

所述支持部(110)通过螺钉固定安装于所述支撑盘(300)上。

6.根据权利要求5所述的夹具，其特征在于，所述手柄(200)的轴线通过所述叶片(100)的积叠轴。

7.根据权利要求5所述的夹具，其特征在于，所述安装孔的中心位于以所述叶片(100)积叠轴为轴线，以66mm为半径的理论圆柱面上。