CN111982029A - 一种涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法，其特点是采用定位装置把涡轮叶片固定到五轴精密平移台上，根据UG模型将叶片旋转至加工姿态并移动到CCD视场中心位置，将光纤末端作为照明光源从气膜孔入口较均匀射入插入涡轮叶片内部通道，使得叶片内部孔口轮廓清晰，外部孔口使用环形冷光源照明，然后通过软件模拟气膜孔内、外孔口的轮廓并记录坐标，便可精密测量出气膜孔空间方位角的误差。本发明与现有技术相比具有方法简便，检测精度高的特点，为有效控制航空发动机叶片气膜孔等加工质量，提供了一种可靠的测量方法，可广泛应用在其他类似结构的机械产品的精密测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体的说是一种涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法。
背景技术
航空发动机是推动飞机和整个航空工业发展的关键。如今，航空发动机不断向更高水平发展，其效率和推重比持续提高，这对涡轮叶片的服役温度提出了更高的要求。目前，涡轮叶片主要选择镍基单晶高温合金材料，同时在叶片结构设计上采用气膜孔冷却的方式来提高叶片的耐高温性，即通过在单晶叶片叶身开若干排气孔，将冷却介质以冷箱射流的形式注入到主气流中并覆盖于叶身表面，形成温度较低的冷气膜，从而实现隔热和冷却的作用。因此气膜冷的加工精度与质量对于涡轮叶片的使用寿命显得尤其重要，提高气膜孔的加工精度，就必须具有精密的检测系统。
目前，国内在涡轮叶片气膜孔的空间方位角误差测量的研究基本是空白，还没有一套成熟的检测方法和测量系统，这对我国加工精度的提高带来了巨大的困难。所以，设计一种涡轮叶片气膜孔的空间方位角误差测量方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法，采用定位装置和五轴精密平移台对叶片空间进行准确定位，通过CCD对气膜孔内外孔口进行清晰成像，借助软件拟合实现涡轮压片气膜孔方位角误差的精确检测，为有效控制航空发动机叶片气膜孔等加工质量，提供了一种可行的测量方法。
本发明的目的是这样实现的：一种涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法，采用定位装置把涡轮叶片固定到五轴精密平移台上，根据UG模型将叶片旋转至加工姿态并移动到CCD视场中心位置，将光纤末端作为照明光源插入涡轮叶片内部通道，调整光纤将照明光能从气膜孔入口较均匀射入，使得叶片内部孔口轮廓清晰，外部孔口使用环形冷光源照明，通过软件模拟气膜孔内、外孔口的轮廓并记录坐标，便可以精密测量出气膜孔空间方位角的误差。
所述五轴精密平移台为X/Y/Z三维直线平移台加上A轴与B轴两个旋转平移台，通过控制器来进行精密的空间移动。
所述定位装置包括叶片夹具和三维扫描仪，叶片夹具的主要作用是将涡轮叶片与五轴平移台固定，三维扫描仪的作用是调节叶片旋转中轴与叶片中心，使之重合，这样为之后的叶片空间方位角误差的精密测量提供了保障。
所述调节叶片旋转中轴与叶片中心的具体调节方法如下：
使用三维扫描仪垂直于叶片端面多次扫描：360度扫描n次，每次旋转360/n度，得到每个旋转角度的点云，集合点云后做对比分析得出旋转圆心，在垂直维度上与已知叶片几何中心对比，得到误差后进行调节，调节后的误差极限约50um。
所讲述的涡轮叶片气膜孔的空间方位角误差测量的方法，将CCD安装在行程300mm的Z轴上，调节CCD焦平面与平移台XOY平面平行；所述n>10次。
所述UG模型将叶片旋转至理论方位角的姿态并移动到CCD视场中心位置，将光纤末端作为照明光源插入涡轮叶片内部通道，调整光纤使得照明光能从气膜孔入口较均匀射入，使得叶片内部孔口轮廓清晰，外部孔口使用环形照明冷光源照明，通过软件模拟气膜孔内、外孔口的轮廓并记录坐标，便可以精密测量气膜孔空间方位角的误差。
所述涡轮叶片气膜孔空间方位角误差的测量过程如下：
1）利用定位装置将涡轮叶片固定到五轴精密平移台上。
2）使用三维扫描仪垂直于叶片端面多次扫描：360度扫描n次，每次旋转360/n度，其中 n>10次，得到每个旋转角度的点云，集合点云后做对比分析得出旋转圆心，在垂直维度上与已知叶片几何中心对比，得到误差后进行调节，调节后的误差极限约50um。
3）将CCD安装在行程300mm的Z轴上，调节CCD焦平面与平移台XOY平面平行。
4）根据UG模型将叶片旋转至理论方位角的姿态并移动到CCD视场中心位置，将光纤末端作为照明光源插入涡轮叶片内部通道，调整光纤将照明光能从气膜孔入口较均匀射入，使得叶片内部孔口轮廓清晰，外部孔口使用环形照明冷光源照明。
5）通过移动Z轴，使得CCD对气膜孔内外孔口进行清晰成像，利用软件模拟气膜孔内、外孔口的轮廓圆并记录坐标，便可以精密测量出气膜孔空间方位角的误差。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
1）本发明选择了精密的五轴电动平移台作为涡轮叶片空间方位角变换的辅助设备，解决了气膜孔旋转定位问题，为之后的CCD拍摄提供了理想条件。
2）本发明使用了叶片定位装置，通过使用三维扫描仪，能够调节叶片旋转中轴与叶片中心重合，减小误差，为之后的叶片空间方位角误差的精密测量提供了保障。
3）本发明使用光纤末端作为照明光源插入涡轮叶片内部通道，使得叶片内部孔口轮廓清晰，为之后的内部孔口轮廓成像提供了理想条件。
4）本发明在测量涡轮叶片气膜孔方位角误差方面具有创新性，该方法不仅适合气膜孔的测量，也可在其他类似结构的机械产品中得到广泛应用。航空发动机气膜孔方位角测量能够分析气膜孔技术状态，提高航空发动机叶片气膜孔加工工艺水平，其社会效益和经济效益难以估算。
附图说明
图1为测量装置结构示意图；
图2为叶片固定在夹具上的示意图；
图3为无损式光纤内部照明的局部影像图；
图4为气膜孔所测外部孔轮廓影像图；
图5为气膜孔所测内部孔轮廓影像图。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明作进一步详细描述和说明：
实施例1
本发明的具体测量过程如下：
参阅附图1，将叶片夹具9装配到测量装置结构上，该测量装置包括X轴平移台1、Y轴平移台2、A旋转轴3、B旋转轴4、Z轴平移台5、CCD相机6和三维扫描仪7。
参阅附图2，将叶片8固定在叶片夹具9上面，为了提高加工精度，优化加工效果，叶片夹具的设计及生产必须严格契合同型号的叶片。对叶片旋转中轴与叶片中心进行调节，该调节主要靠三维扫描仪7和叶片夹具9的多微调节底座10。该多维调节底座10通过四个螺丝可以在x-y方向二维调节叶片轴心，同时利用竖直方向加工的三个螺钉，可以微调叶片轴心的方位角。使用三维扫描仪7垂直于叶片8端面扫描12次，每次旋转360/n度，得到每个旋转角度的点云，集合点云后做对比分析得出旋转圆心，在垂直维度上与已知叶片几何中心对比，得到误差后通过调节多维调节底座来进行微调，经过多次反复调节，最后可以得到叶片旋转中轴与叶片中心的误差极限约50um。
参阅附图1，将CCD6安装在行程300mm的Z轴5上，CCD相机6与Z轴5方向是平行，通过移动Z轴5可以不断改变CCD相机6到叶片的垂直距离，根据UG模型将叶片旋转至理论方位角的姿态并移动到CCD相机6视场中心位置。
参阅附图3，将光纤末端作为照明光源插入涡轮叶片内部通道，调整光纤使得照明光能从气膜孔入口较均匀射入，使得叶片内部孔口轮廓清晰，外部孔口使用环形照明冷光源照明。
参阅附图4，通过移动Z轴5，使得CCD相机6对气膜孔外孔口进行清晰成像，在待测气膜孔外部孔口拟合轮廓圆，记录圆心坐标A（X1,Y1）。
参阅附图5，控制Z轴5向下移动对应待测孔的深度距离D，对气膜孔内孔口进行清晰成像，在气膜孔内部孔口拟合轮廓圆，记录圆心坐标B（X2,Y2）。
通过记录坐标A和B，便可以精密测量出气膜孔空间方位角的误差。若气膜孔空间方位角没有误差，则：X1=X2；Y1=Y2；若气膜孔的空间方位角有误差，则：X1≠X2，Y1≠Y2。
上述实施例测得的气膜孔空间方位角误差如下：
A旋转轴3误差为：arctan (（Y1-Y2）/D)；
B旋转轴4误差为：arctan (（X1-X2）/D)。
以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法，其特征在于采用定位装置把涡轮叶片固定到五轴平移台上，根据UG模型将叶片旋转至加工姿态并移动到CCD视场中心位置，将光纤末端作为照明光源从气膜孔入口均匀射入，通过软件模拟气膜孔内外孔口的轮廓并记录坐标，气膜孔空间方位角误差的具体测量包括如下步骤：
1）利用定位装置将涡轮叶片固定到五轴精密平移台上；
2）使用三维扫描仪垂直于叶片端面进行360度扫描n次扫描，每次旋转360/n度，得到每个旋转角度的点云，集合点云后做对比分析得出旋转圆心，在垂直维度上与已知叶片几何中心对比，得到误差后进行调节，调节后的误差极限为50um，其中 n>10次；
3）将CCD安装在行程300mm的Z轴上，调节CCD焦平面与平移台XOY平面平行；
4）根据UG模型将叶片旋转至理论方位角的姿态并移动到CCD视场中心位置，将光纤末端作为照明光源从气膜孔入口均匀射入，使得叶片内部孔口轮廓清晰，外部孔口使用环形冷光源照明；
5）通过移动Z轴，使CCD对气膜孔内、外孔口进行成像，利用软件模拟气膜孔内、外孔口的轮廓圆记录坐标，即可测量气膜孔空间方位角的误差。
2.根据权利要求1所述涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法，其特征在于所述五轴平移台为X/Y/Z三维直线平移台加上设有A轴与B轴两个旋转平移台，并由控制器进行叶片的空间移动。
3.根据权利要求1所述涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法，其特征在于所述定位装置包括：叶片夹具和三维扫描仪，所述叶片夹具将涡轮叶片与五轴平移台固定；所述三维扫描仪调节叶片旋转中轴与叶片中心，并使之重合。
4.根据权利要求1所述涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法，其特征在于所述CCD安装在五轴平移台的Z轴上，调节CCD焦平面与平移台XOY平面平行。
5.根据权利要求1所述涡轮叶片气膜孔空间方位角误差测量方法，其特征在于所述UG模型将叶片旋转至理论方位角的姿态并移动到CCD视场中心位置。
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