CN106342170B - 空心涡轮叶片壁厚自动测量方法 - Google Patents
空心涡轮叶片壁厚自动测量方法Info
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Abstract
本发明属于材料无损检测与评价领域，涉及空心涡轮叶片壁厚自动测量方法。将超声测厚仪及超声探头与包括五轴机械扫描装置、电机控制单元、计算机控制与测量单元的五轴机械自动扫描系统相配合，利用叶片的外型面轮廓数据和测量位置引导超声探头与叶片做相对运动，使超声探头发出的超声束在水箱中沿叶身被测量点法向量垂直入射，并保持工作距离，计算机控制与测量单元记录测量点的厚度值并进行分析。本发明采用计算机控制的多轴机械系统，使超声探头能够自动对准叶片测量点，并可实现数据自动读取、自动分析，显著地提高叶片壁厚测量的准确度和检测效率。
Description
技术领域
本发明属于材料无损检测与评价领域，涉及空心涡轮叶片壁厚自动测量方法。
背景技术
当前国内的叶片壁厚检测主要采用超声测厚仪手工检测方式。手工检测方式是将超声探头固定，操作人员手拿叶片，调整叶片姿态让超声束对准测量点；或者将叶片放置好，操作人员手拿探头，调整超声探头姿态对测量点进行对准测量，然后从超声测厚仪上读取厚度值。这种方式存在着如下问题：
1、测量准确度差。超声测厚要求超声信号垂直入射叶片的被测表面，而叶片空间型面复杂，用手动调整叶片姿态时位置不够准确，另外，在手动调整叶片姿态时，很难保证对同一个检测点的两次重复定位一致，导致测量结果的重复性比较差。如对同一叶片的同一点，两次测量相差达0.06mm以上。
2、检测效率低。手动检测操作需要两个人：一人负责调整叶片或探头姿态，另一人负责观察记录数据。对于某型号发动机的一个典型涡轮叶片的70个点，需要两个人30分钟的检测时间，效率很低。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够对航空发动机空心涡轮叶片的壁厚进行超声自动测量的空心涡轮叶片壁厚自动测量方法。
本发明的技术解决方案是：将超声测厚仪及超声探头与包括五轴机械扫描装置、电机控制单元、计算机控制与测量单元的五轴机械自动扫描系统相配合，利用叶片的外型面轮廓数据和测量位置引导超声探头与叶片做相对运动，使超声探头发出的超声束在水箱中沿叶身被测量点法向量垂直入射，并保持工作距离计算机控制与测量单元记录测量点的厚度值并进行分析。利用叶片外型面轮廓数据和测量点位置，计算机控制与测量单元求出在叶片外型面上测量点的法向量，并根据五轴机械扫描装置坐标系与叶片坐标系之间的位置关系，利用空间坐标转换，得出测量位置在五轴机械扫描装置的X、Y、Z、R、A轴的坐标值，计算机控制与测量单元将坐标值及运动参数传递给电机控制单元的轴运动控制卡以控制五台电机的位移量，实现叶片与超声探头的相对运动。所述的五轴机械扫描装置包括X、Y、Z三个方向平移轴，R、A两个方向旋转轴和水箱，其中X、Y、Z三个轴相互垂直，R轴以转台中心为旋转中心绕Z轴方向旋转，A轴以超声探头回转中心为旋转中心绕X轴方向旋转；超声探头通过安装架固定在五轴机械扫描装置的A轴上，电机带动超声探头实现在A方向旋转，整个A轴刚性连接并固定在Z轴平移台上，在空间坐标系中做X、Y、Z轴方向的平移运动；叶片固定在五轴机械扫描装置的转台上做R方向的旋转运动，R轴转台封装在水箱中由水箱外的电机带动旋转；超声探头和叶片置于水箱中，水箱中的水位高于叶片最高的测厚高度。计算机控制与测量单元通过数据采集卡采集超声测厚仪的厚度输出信号并转换成厚度值进行记录。
本发明所达到的有益效果是：本发明采用计算机控制的多轴机械系统，使超声探头能够自动对准叶片测量点，并可实现数据自动读取、自动分析，显著地提高叶片壁厚测量的准确度和检测效率。
本发明提供了一种航空空心涡轮叶片壁厚超声自动测量的方法，改善目前航空空心涡轮叶片的壁厚手工检测现状，显著提高航空发动机空心涡轮叶片的壁厚测量准确性和效率，增强了叶片壁厚检测的可靠性。本发明也可扩展用于其它具有曲面空心结构实体的壁厚测量。
附图说明
图1为涡轮叶片壁厚自动检测方法的检测系统原理图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
将超声测厚仪3及超声探头2与包括五轴机械扫描装置1、电机控制单元7、计算机控制与测量单元5的五轴机械自动扫描系统相配合，利用叶片6的外型面轮廓数据和测量位置引导超声探头2与叶片6做相对运动，使超声探头2发出的超声束在水箱4中沿叶身被测量点法向量垂直入射，并保持工作距离，工作距离约为超声探头焦距长的距离，计算机控制与测量单元记录测量点的厚度值并进行分析。
利用叶片6外型面轮廓数据和测量点位置，计算机控制与测量单元5求出在叶片6外型面上测量点的法向量，并根据五轴机械扫描装置1坐标系与叶片6坐标系之间的位置关系，利用空间坐标转换，得出测量位置在五轴机械扫描装置1的X、Y、Z、R、A轴的坐标值，计算机控制与测量单元5将坐标值及运动参数传递给电机控制单元7的轴运动控制卡以控制五台电机的位移量，实现叶片6与超声探头2的相对运动。
所述的五轴机械扫描装置包括X、Y、Z三个方向平移轴，R、A两个方向旋转轴和水箱4，其中X、Y、Z三个轴相互垂直，R轴以转台中心为旋转中心绕Z轴方向旋转，A轴以超声探头2回转中心为旋转中心绕X轴方向旋转；超声探头2通过安装架固定在五轴机械扫描装置1的A轴上，电机带动超声探头2实现在A方向旋转，整个A轴刚性连接并固定在Z轴平移台上，在空间坐标系中做X、Y、Z轴方向的平移运动；叶片6固定在五轴机械扫描装置1的转台上做R方向的旋转运动，R轴转台封装在水箱4中，由水箱4外的电机带动旋转；超声探头2和叶片6置于水箱4中，水箱4中的水位高于叶片6最高的测厚高度。计算机控制与测量单元5通过数据采集卡采集超声测厚仪3的厚度输出信号并转换成厚度值进行记录。
以下对各部分的原理及实施方式做详细的介绍：
1、五轴机械扫描装置1
五轴机械扫描装置1原理如图1所示，包括X、Y、Z三个方向平移轴，R、A两个方向旋转轴和水箱4。其中X、Y、Z三个轴互为垂直关系，R轴是以转台中心为旋转中心绕Z轴旋转方向，A轴是以超声探头回转中心为旋转中心绕X轴旋转方向。超声探头2通过安装架固定在五轴机械扫描装置的A轴上，通过涡轮蜗杆机构由一台电机带动实现A方向旋转，整个A轴通过刚性连接固定在Z轴平移台上，可以在空间坐标系中做X、Y、Z轴方向的平移运动，实现超声束入射角度对叶片6垂直方向仰角的适应对准和X、Y、Z方向的位置对准；叶片6通过夹具固定在五轴机械扫描装置1的转台上做R方向的旋转运动，实现超声信号入射角度对叶片6圆周方向曲率变化的适应对准，R轴转台封装在水箱4中，通过水箱4外的涡轮蜗杆机构由一台电机带动旋转。超声探头2和叶片6浸入水中，水箱4中的水位应高于叶片最高的测厚高度，利用水浸耦合使得超声波更稳定可靠。
2、电机控制单元7
电机控制单元7采用多轴运动控制卡对五台电机进行控制。计算机控制与测量单元5通过调用多轴运动控制卡的驱动函数实现对多轴运动控制卡的操作，从而实现对机械扫描装置五个轴X、Y、Z、A、R的灵活控制。
3、超声测厚仪3与超声探头2
超声测厚仪3与超声探头2是测量单元，超声测厚仪3与超声探头2通过探头线连接。超声测厚仪3输出代表厚度值的信号，计算机控制与测量单元5通过数据采集卡对厚度信号实时采集并转化为厚度值进行记录。
4、计算机控制与测量单元5
计算机控制与测量单元5根据叶片6外型面轮廓数据及测量点位置，利用三次样条拟合出叶片各截面的曲线方程，以及过测量点沿叶身纵向变化的外型面曲线方程，根据这些方程，求出测量点处的法线方程，并利用五轴机械扫描装置1坐标系与叶片6坐标系之间的位置关系，通过空间坐标转换，计算出超声探头2和叶片6的运行轨迹，即在测量位置上，五轴机械扫描装置1X、Y、Z、R、A轴的坐标值。计算机控制与测量单元5把坐标值等运动参数传递给电机控制单元7的运动控制卡控制五台电机协调运动，通过调整叶片6与超声探头2之间的相对位置使得在每个测量点上超声束沿法向量垂直入射被测表面并保持工作距离。到达测量点，软件通过数据采集卡获取超声测厚仪3输出的厚度信号并转换成厚度值自动记录，然后进行下一点的测量，所有点测量完毕，软件可生成测量报告，并根据公差对测量结果进行分析。
Claims (3)
1.一种空心涡轮叶片壁厚自动测量方法，其特征在于，将超声测厚仪(3)及超声探头(2)与包括五轴机械扫描装置(1)、电机控制单元(7)、计算机控制与测量单元(5)的五轴机械自动扫描系统相配合，利用叶片(6)的外型面轮廓数据和测量位置引导超声探头(2)与叶片(6)做相对运动，使超声探头(2)发出的超声束在水箱(4)中沿叶身被测量点法向量垂直入射，并保持工作距离，计算机控制与测量单元记录测量点的厚度值并进行分析；所述的五轴机械扫描装置包括X、Y、Z三个方向平移轴，R、A两个方向旋转轴和水箱(4)，其中X、Y、Z三个轴相互垂直，R轴以转台中心为旋转中心绕Z轴方向旋转，A轴以超声探头(2)回转中心为旋转中心绕X轴方向旋转；超声探头(2)通过安装架固定在五轴机械扫描装置(1)的A轴上，电机带动超声探头(2)实现在A方向旋转，整个A轴刚性连接并固定在Z轴平移台上，在空间坐标系中做X、Y、Z轴方向的平移运动；叶片(6)固定在五轴机械扫描装置(1)的转台上做R方向的旋转运动，转台封装在水箱(4)中，由水箱(4)外的电机带动旋转；超声探头(2)和叶片(6)置于水箱(4)中，水箱(4)中的水位高于叶片(6)最高的测厚高度；电机控制单元(7)采用多轴运动控制卡对五台电机进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用叶片(6)外型面轮廓数据和测量点位置，计算机控制与测量单元(5)求出在叶片(6)外型面上测量点的法向量，并根据五轴机械扫描装置(1)坐标系与叶片(6)坐标系之间的位置关系，利用空间坐标转换，得出测量位置在五轴机械扫描装置(1)的X、Y、Z、R、A轴的坐标值，计算机控制与测量单元(5)将坐标值及运动参数传递给电机控制单元(7)的多轴运动控制卡以控制五台电机的位移量，实现叶片(6)与超声探头(2)的相对运动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算机控制与测量单元(5)通过数据采集卡采集超声测厚仪(3)的厚度输出信号并转换成厚度值进行记录。
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