复合式叶片型面测量系统的误差分析与补偿-中国工程科学.pdf

复合式叶片型面测量系统的误差 分析与补偿 1，2 1，2 1，2 1，2 李 兵 ，陈 磊 ，丁建军 ，蒋庄德 （1.西安交通大学机械工程学院，西安 710049 ；2.西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049 ） [摘要] 针对具有复杂型面的叶片类零件检测中所面临的数字化测量问题，提出了一种复合式的测量原理与 方法。分别采用接触式的电感原理和非接触式的激光三角原理测量叶片的叶根基准以及叶身型面，并基于此 原理设计研制了叶片型面四坐标测量系统。研究中结合该系统的机械结构特征，对影响其测量精度的各项几 何误差进行了系统的分析，并提出了基于激光干涉测量的误差提取与补偿方法。实验结果表明，应用提出的 误差分析与补偿方法可有效获取叶片型面四坐标测量系统的几何误差并显著提高其测量精度。 [关键词] 叶片型面；复合式测量原理；误差分析；误差补偿；激光干涉测量 [中图分类号] TH721 [文献标识码] A [文章编号] 1009-1742(2013)01-0039-06 1 前言 2 复合式叶片型面测量方法 以汽轮机、燃气轮机、航空发动机等为代表的 2.1 物体三维轮廓的高精度测量 叶轮机械在航空、航天、汽车、能源等领域有着广泛 叶片的叶身型面在结构上属于自由曲面，而针 的应用。作为组成叶轮机械的关键零件，叶片的质 对此类零件的测量方法主要有两大类，即接触式与 量将直接影响叶轮机械整体性能的优劣以及运行 非接触式，如图1所示。 [1~3] 的安全性 。而叶片上与工作介质相互作用并实 接触式测量通过测头传感器与被测零件的表 现能量转换的是其型面部分，也称为叶身。出于空 面相接触以获取表面点的坐标值，目前应用最为广 [7] 气动力学方面的考虑，叶片的叶身型面通常都设计 泛的接触式测量设备是三坐标测量机（CMM ）；非 [4] 成复杂的自由曲面，且对其制造精度要求极高 。 接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等原 尽管国内外许多学者针对物体三维轮廓的高精度 理，将物理模拟量通过适当的算法转换为零件表面 [5 ，6] [8 ，9] 数字化测量这一问题开展了大量的研究工作 ，但 点的坐标值 。 由于叶片零件形状复杂且对测量的精度和效率都 2.2 叶片的结构特征 要求很高，目前还没有同时满足高效率和高精度的 叶片在结构上主要由叶身、缘板和榫头3 部分 通用测量方法。 组成，如图2a 所示。叶身型面是叶片的主体，其形 鉴于此，本文通过分析叶片零件的组成结构与 状通常都设计成具有高气动性能的空间自由曲面； 特征，提出了一种复合式的叶片型面快速、高精度 榫头部分用于实现叶片在转子轮盘上的固定，也称 测量原理与方法，并基于此原理开发了叶片型面高 为叶根；缘板为叶身型面和叶根榫头之间的过渡部 [10] 精度测量系统。针对该复合式叶片型面测量系统， 分 。叶片通过其叶根榫头与转子轮盘上