航空发动机叶片型面的光学扫描测量技术

在航空领域中，叶片是发动机的关键零件，其几何形状特征对于发动机的动力性能有着至关重要的影响。随着我国航空工业的飞速发展，迫切需要研制出高性能的航空发动机，这就对叶片的质量和数量都提出了较高要求。然而，要制造出大量符合设计要求的叶片，对其进行精确而高效的测量就成为叶片制造过程中的必要环节，而且测量的精度直接决定着制造的精度。一般说来，为了保证发动机具有良好的动力性能，叶片的型面特征都是根据流体动力学原理进行设计的，因而叶片多呈现为弯扭上升的形态特征，而且数量众多、形态各异，这就给批量叶片的检测带来了巨大难题。

叶片型面属于空间自由曲面，而空间自由曲面的检测和逆向工程历来是几何量精密测量领域的一项重要研究课题。目前，对于叶片等复杂曲面零件的测量，大多采用传统的三坐标测量机，由于采用接触式测头，因而速度慢、效率低、易发生干涉效应、不能对软质材料和超薄物体进行测量，而且存在测端半径补偿误差等，这些因素使得测量机在空间自由曲面测量中的应用受到了很大限制，不能够很好地完成叶片等批量零件的高精高效检测任务。因此，迫切需要研制和开发出新型的测量设备。

近年来，随着测量技术的进步，越来越多的非接触式测量技术被引入到航空航天等领域中，并且得到了卓有成效的应用，极大地弥补了接触式测量设备的局限。在众多种类的非接触式测头中，基于激光三角反射原理的测距传感器已经实现商品化，并以其响应速度快、采样频率高、测量精确、性价比高等优点，较为成功地解决了某些接触式测量难以或无法解决的问题。目前，国外对于叶片等复杂曲面零件的测量已经形成了较为完善的方法，并且已经开发出了成熟的产品和设备，从而在叶片的加工、测量等方面实现了自动化、智能化。而目前国内在高精度光学扫描测量技术和设备方面还处于起步阶段，尚未达到工程实用的要求，而国外的高性能叶片测量装备对我国军工制造企业封锁和禁运。

在这样的背景下，航空工业精密所依托自身在精密、超精密制造技术以及精密测量、测试技术等领域的丰富经验和技术积累，在航空发动机叶片型面的精密测试技术方面开展了卓有成效的研究，正在进行非接触式的光学扫描测量系统——WIZblade（如图所示）的推广应用。该测量系统采用新型的激光扫描测头作为前端传感器，并结合了专用的叶片测量软件，可以实现被测叶片型面指定截面的几何参数测量与评价，从而为当前我国航空发动机制造过程中存在的叶片等复杂零件的测量效率低和精度差等问题提供了一项技术解决方案。

光学扫描测量系统WIZblade以传统的三坐标测量机作为系统平台，并采用新型的非接触式激光扫描测头WIZprobe来替代传统的接触式探头，从而将测量机的移动空间范围大、定位精度高、通用性强等的优点与激光扫描测头的非接触、响应快、采样频率高等的优点结合起来，以为广大用户提供方便、快速和可靠的高精度测量解决方案。WIZblade的平台精度为3.0+3.5×L |μm（L为被测零件的长度），系统测量精度（平台精度+WIZprobe测头精度）为14μm（2σ）三个直线轴的行程范围可根据具体需求进行选择，因而可以应用于多种复杂曲面零件的测量和质量控制。在叶片的测量过程中，WIZblade能够准确测量叶片型面的所有轮廓尺寸，并与理论CAD模型进行比较和评价。同时，为了检测不同几何形状和尺寸的叶片，还可以提供多种规格的三轴运动平台以及可备选择的旋转工作台。

在测头方面，WIZblade采用激光扫描测头WIZprobe来完成高精度的扫描测量和几何数据采集。WIZprobe测头的体积小，并且兼容PH10M测头座，既能够与三坐标测量机系统结合，也可以作为独立的产品应用于工业生产线。WIZprobe基于独特的环形光三角法测量原理，可以通过一个超环面透镜同时进行不限数量的三角法测量，从而将激光技术与图像处理相结合，具有适应性强和测量精度高等优势。同时，基于实时闭环的自适应控制技术，WIZprobe测头的激光功率和CCD灵敏度可以进行自动调整和校准， |因而在测量过程中，测头可以根据不断变化的外界条件实时进行自动校准，使测量精度受材质、颜色和表面加工形式等因素的影响较小。航空工业精密所正在进行应用推广的非接触式光学坐标测量机WIZblade，其运动控制系统和测量软件具有国外同类产品类似的功能和性能，还集成有很多专用于航空发动机叶片的附加软件模块，从而实现了叶片等复杂曲面零件的高效精密测量，可以满足当前我国航空发动机研制和生产单位对批量叶片的检测需求。

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