[发明专利]一种基于弦线的航空薄壁叶片加工扭曲度误差测量方法

说明书

技术领域

本发明属于叶片加工技术领域，更具体地，涉及一种用于测量叶片的加工扭曲度误差的方法。

背景技术

叶片在航空（如飞机发动机的整体叶轮）、核电（如汽轮机叶片）、舰船（如大型螺旋桨桨叶）等关系国计民生的行业中被广泛应用。叶片型面一般为复杂曲面，加工工序比较复杂，其型面品质对发动机的性能起着决定性的影响，享有航空发动机、汽轮机的“心脏“的美誉。

叶片这一类零件具有强扭曲、薄壁件、易变形、低损伤等技术特点，如何快速高效地检测其多轴数控加工质量一直是先进制造领域的前沿难点问题。目前，国内外主要采用人工卡板测量法和三坐标测量机（CMM）测量法来对叶片型面进行检测。这两种方法都是离线式检测方法，其测量速度慢、信息量少、人为误差大且存在过多不可测区域，极大地影响了叶片检测效率。随着光学测量技术的发展，可以通过非接触式测量方式来执行叶片型面的检测，相应克服传统人工卡板测量法和CMM测量法的不足，但非接触式测量的缺陷在于：它是以二维图像为输入，应用立体视觉、相位轮廓术等计算第三维坐标值，受测量距离限制，直接采集的反映叶片表面性状的点云同设计曲面在三维坐标下可能存在不同的尺度形变。

尤其对于航空发动机而言，薄壁叶片是航空发动机的重要零件，从性能上看，其决定了增压比，相应限制了涡轮前的温度。因此，薄壁叶片基本上决定了航空发动机热力循环的两个专业参数。薄壁叶片在发动机中的功能使命及其工作特点，决定了它为发动机中复杂（三维曲面件）、尺度跨度大（长度从20mm到700mm）、受力恶劣、承载最大的零件。它在高温、高压和高速状态下运转，通常主要由合金化程度很高的热强钢、钛合金以及高温合金等材料制成；为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求，叶片又必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。薄壁叶片的几何形状和尺寸决定着叶片的工作性能，而叶片的型面质量对航空发动机的二次流损耗有着较大的影响，直接影响着其能量转换效率。因此在航空发动机零部件的检测中，叶片型面误差的检测具有十分重要的意义。从目前的航空发动机薄壁叶片生产厂家的测量来看，大都偏重于叶片型线误差的检测，忽略了叶片型面扭曲的分析，而叶栅通道形状和初始气动参数控制了整个流场的流动，对叶片气动、强度振、动性能有重要影响。因此，在对航空发动机薄壁叶片型面加工质量进行分析与评估的过程中，如何根据叶片型面加工误差参数的定义，准确、便利地测量叶片扭曲度误差具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种一种用于叶片尤其是航空发动机薄壁叶片的加工扭曲度误差的方法，通过该方法，能够快速、准确地测量叶片在加工过程中的扭曲度误差，并将所测得的叶片型面扭曲度误差结果作为评价叶片加工质量好坏的重要指标，相应地，对满足叶片加工的“加工-测量”一体化过程具备重要意义。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于对航空发动机薄壁叶片测量其加工扭曲度误差的方法，该方法包括：

（1）为待测量的航空发动机薄壁叶片建模，对该叶片测量模型截取多个截面并生成相应的点云数据；此外，为作为比较基准的叶片设计模型同样截取相同数量的多个截面，并生成相应的点云数据；

（2）提取步骤（1）所生成的点云数据以获得凸包；

（3）根据步骤（2）所获得的凸包，分别求出有关叶片测量模型和叶片设计模型的各个截面的弦线参数也即弦线的两端点坐标，该过程具体包括以下子步骤：

（31）对各个凸包依次计算其相邻两点的距离，并确定其中距离最大的相邻两点；

（32）利用各个凸包通过拟合方式获得各个叶片截面的前、后缘图形，并对该前、后缘图形分别求得其两条外公切线的四个切点，从这四个切点中舍去通过步骤（31）所确定的相邻两点，由此将最终保留的两个点作为叶片测量模型和叶片设计模型各自的截面弦线两端点p_c1、p_c2和p_s1、p_s2，并获取相应的坐标值(x_c1，y_c1)、(x_c2，y_c2)和(x_s1，y_s1)、(x_s2，y_s2)；

（4）根据所求出的弦线参数，通过下列公式来计算将叶片测量模型的各个截面与叶片设计模型的相应截面重合时所需的旋转角度θ，该旋转角度θ也即待测量叶片的各个截面的扭曲度误差，由此完成对航空发动机薄壁叶片的扭曲度整体测量过程：