温泽--极小透平叶片测量案例研究

航空发动机是飞机制造中最为关键，也是技术最复杂、难度最高的部件之一，而透平叶片则是航空发动机中数量最多的零件。以典型的涡扇发动机为例，整个发动机由1级风扇段、13-14级压气机段和8-9级涡轮段组成，叶片总数可达数千片；叶片高度从风扇叶片的接近1000mm到最后级高压压气机叶片的小于20mm，差异极大。

对于加工和检测来说，极大和极小两种极端尺寸叶片无疑是更大的挑战，它们对加工和检测设备及方法都提出了更为严苛的要求。本案例针对航空发动机中的一种典型极小叶片的检测进行了测试，验证了某种光学测量设备对于极小叶片叶型检测的可行性与效果，并与其它几种检测方案从理论上做了对比。

[叶片实际照片]

测量难点

从上图可以看到，该叶片整体高度约13mm、叶型宽度约11mm、叶片中心处最大厚度约1mm，属于航空发动机叶片中最小的种类，尤其是叶片的边缘部分厚度仅有约0.2mm，给测量带来了诸多难点：

- 首先，由于叶片尺寸太小，给装夹就带来了非常大的困难。装夹部分太小容易造成夹持不稳，但装夹部分太大又会对测量造成干涉。

- 其次，如采用接触式测量，测针的选择也是一个很大的难题。对于此类极薄的叶片，如采用大测球会造成测量叶片前后缘时发生卡顿，且容易发生干涉；如采用小测球则容易产生半径补偿方向错误并导致型线紊乱现象。

- 再者，此类极薄叶片容易在测量顶部截面时，在测量力的作用下造成轻微叶片弯曲（如下图，测量叶盆时叶片受到测力影响朝叶背方向弯曲，反之亦然）。虽然弯曲变形量不大，但是考虑到叶片本身极薄，其相对变形量还是非常可观的，会对被测叶型的轮廓度与位置度都造成非常大的影响。

- 如果用光学测头扫描该叶片，则必须要求有非常高的分辨率，在叶片曲率急剧变化的前后缘处要有密度足够高的点覆盖，以便真实还原叶片前后缘的形状，才可准确分析叶型相关参数。

首先，光学测头对于物体表面状态一般都有所要求，太过光亮或颜色过深的表面都会对反光造成负面影响。第二，由于叶片几何形状的特殊性，对于光学测头的工作距离要有一定的要求。某些种类的光学测头虽然可以达到较高的测量精度，但它的工作距离非常近，极易和叶片发生碰撞；如果通过换镜头来得到较大的工作距离，又会明显地降低测量精度。第三个需要关注的是表面入射角的范围，在测量零件过程中，如果一直以法线方向去采点，难免会碰到盲区，在这种情况下就需要改变入射光的矢量方向。如果光学测头的入射光允许角度范围较小的话，会给测量造成不便。

特别是在测量叶片前后缘时，由于实际叶片型线难免与理论模型存在形状和/或位置偏差，导致根据理论模型设定的入射光方向无法与实际型线形成正交。如果测头允许的入射光角度范围越大，那该测头对于光线的容错性就越好；否则的话，入射光角度稍有偏差，测头就无法接收到反射光信号，造成测点缺失。

CORE白光叶片测量系统是一种光学非接触式点扫描测量设备，在硬件和软件方面针对叶片测量做了专门的设计和优化。CORE-DS的白光点测头使用白光作为光源，相比接触式测量具有更高的分辨率，其光点直径大小仅为35µm，能够检测到被测物体表面最微小的几何特征与缺陷，特别适合叶片进气边与出气边的测量。CORE使用白光测头进行测量，能够避免接触式测头在测量叶片过程中容易出现的测针半径补偿错误，从而使得测量结果更加准确。相比其它光学测量设备，CORE-DS的白光测头对物体表面的适用性很高，完全无需对物体表面做任何处理即可进行测量，可以测量的物体包括高光亮表面、黑色表面甚至是镜面物体，且可以做到光线与物体表面夹角低至5°。

从测量结果来看，此叶片的最大厚度为0.7mm、最大弦长为11mm、排气边半径仅有0.075mm。测试结果表明，CORE具有测量极小叶片的能力，且相比接触式测头与其它光学测头效果突出。

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德国温泽集团创立于1968年，是世界领先的计量解决方案制造商，产品涵盖三坐标测量机，齿轮测量中心，工业CT，模具设计制造，高速测量和数字化系统以及逆向工程等领域。公司为各行各业的客户提供专业的产品及服务。主要集中在汽车制造，航空航天，机械工程，机电制造及其配套领域。温泽今天已经发展成为在全球范围拥有16家子公司，销售及服务伙伴遍及50多个国家和地区的跨国集团。

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（温泽测量仪器(上海)有限公司）

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