基于色散共焦传感器的航空叶片型线测量

发布时间：2020-09-11 14:29

　　叶片是航空发动机中最关键的零件,起气流导向和能量转换的作用,其形状相对于设计模型的偏差对发动机的能量转换效率有显著影响。因此,叶片的加工必须满足严格的公差要求,需通过测量来评定其加工质量是否符合设计要求。由于叶身型面是一种复杂的自由曲面,其检验可以转化为型线的测量和评定,而现有方法难以有效兼顾测量的精度、效率和完整性。针对以上问题,本文设计了基于色散共焦传感器的航空叶片型线测量系统。(1)针对航空叶片截面点云数据采集的问题,以三坐标测量机为基础,配合精密转台和非接触式色散共焦位移传感器,构建了四自由度叶片型线测量平台。根据叶片榫头和三坐标测量机的结构,分别设计了叶片夹具和色散探头夹具;并使用分区扫描的方案对叶片进行多视角测量,以获得叶身多截面轮廓线的点云数据。(2)针对多视角点云所在坐标系不同的问题,使用回转法实现了坐标系的统一。首先,提出了一种标定色散探头位姿的方案,并使用混合惩罚函数法进行求解;其次,标定了旋转轴和工件坐标系;最后,分析了系统的三维测量原理并建立坐标变换模型,将多视点云统一到工件坐标系下。(3)由于转台的定位精度相对较低,使用回转法将多视点云转换到同一坐标系后,存在点云分叉的现象。针对该问题,提出了一种基于重叠点云配准和迭代最近点算法的二次精准拼接方法。首先,基于曲线检查法和统计滤波算法进行去噪;其次,通过NURBS曲线拟合增采样;接着,迭代地计算相邻两段点云的重叠部分,并通过ICP算法对其进行配准以得到变换矩阵,进而实现多视点云的精准拼接;最后,使用极角法实现了截面点云的排序。(4)针对叶片截面点云分割和特征参数提取,提出了基于曲率特征和RANSAC原理的前后缘点云分割方法、特征参数提取算法。首先,根据截面点云的曲率粗略地分割出前后缘点云,再根据RANSAC原理实现前缘点云和后缘点云的准确分割,并对前后缘参数进行提取;接着,研究了弦线参数的提取,并利用弦线方程实现了叶盆点云和叶背点云的划分;最后,使用等半径法提取中弧线,并计算最大厚度。搭建基于测量方案的系统,进行系统标定与航空叶片型线测量实验,并与三坐标测量机的测量结果进行比较,实验表明测量系统的示值误差小于15μm。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V263.1;TP212
【部分图文】：

航空发动机叶片,航空发动机,零件,叶片

它是一种相当复杂的精密机械，如图 1-1 所示，其设计与制造水平直接影响飞机的安全、性能及寿命。图1-1 航空发动机叶片是航空发动机中最关键、数量最多的零件之一，长期工作于高温、高压、高载荷的恶劣环境下，该类零件起气流导向和能量转换的作用，直接影响发动机的工作性能。叶片在发动机中的重要地位使其必须满足极高的要求，从而给叶片设计、叶片材料和叶片制造等领域提出了重大的挑战。其中，叶片的高精度、高效率测量是叶片大批量制造的基础。在结构上，航空叶片通常包括叶根、缘板和叶身三部分[2]，如图 1-2 所示。叶片

航空叶片

来评定其加工质量是否符合设计要求。叶身型面的测量是叶片测量的难点之一，其检验可以转化为型线的测量和评定。图1-2 航空叶片通过调研，了解到国内某大型航空叶片生产商使用标准样板法和三坐标测量法检测叶片，通常测量 4-8 个不同高度的叶身截面。标准样板法操作简单、测量效率高，但该方法属于定性检测，依赖工人的主观判断和熟练程度，精度通常为 0.1mm-0.5mm；三坐标测量法的精度可以达到 1μm-3μm，但触发式扫描的效率很低，难以有效测量叶身的微小凹坑等，且仪器成本高。目前，航空叶片的测量存在以下挑战[1, 3, 4]：（1）测量精度要求高：高精度测量是高精度制造的基础，而制造精度对发动机的性能有显著影响。（2）测量效率要求高：一台发动机内部有大量叶片

标准样板,叶片

工人的主观判断及熟练程度，测量精度和可靠性很低，通常只能达到 0.1mm-0.5mm；每种型号的叶片需要制作多套样板，检测成本高，人工操作的劳动强度大。图1-3 标准样板法电感测量法[7]的基本原理如下：使用一组电感传感器分别测量标准叶片和待测叶片上位于同一高度的截面轮廓线，根据前后两组测量结果的偏差量来计算叶型误差、叶型弯扭等多项参数，如图 1-4 所示。该方法的优点是测量精度较高，通常可以达到20μm-40μm，且操作简单；缺点是作为一种相对测量方法，测量不同型号的叶片时需要准备相应的标准叶片和用于装夹定位的机械系统，测量周期长，不利于叶片加工和

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