航空發(fā)動機(jī)葉片幾何形狀復(fù)雜、尺寸跨度大应惠、加工精度要求高等特點(diǎn)決定其成為了航空發(fā)動機(jī)中加工制造的難點(diǎn)局该，同時(shí)也對航空發(fā)動機(jī)葉片加工質(zhì)量檢測精度和檢測效率提出了更高要求。航空發(fā)動機(jī)葉片檢測技術(shù)已逐步從定性檢測到定量檢測尘斧，從接觸式檢測到非接觸式檢測构胰，從傳統(tǒng)手工檢測到自動數(shù)字化檢測，從二維比對檢測到多自由度組合檢測派男，從單一規(guī)格大批量檢測到多規(guī)格小批量檢測莱衍。航空發(fā)動機(jī)葉片質(zhì)量檢測方法眾多，如標(biāo)準(zhǔn)樣板法帮寻、自動繪圖測量法乍狐、光學(xué)投影測量、電感測量法固逗、坐標(biāo)測量法澜躺、激光測量法、機(jī)器視覺測量法等抒蚜，其中掘鄙，三坐標(biāo)檢測憑借通用性強(qiáng)、重復(fù)性好嗡髓、穩(wěn)定性強(qiáng)操漠、檢測精度高等優(yōu)勢在航空葉片制造企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但此種方法要求測量時(shí)處于恒溫環(huán)境下且采樣效率較低饿这。本文將介紹和評析航空葉片三坐標(biāo)自動測量研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢浊伙，并基于三坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate Measuring Machine，CMM)提出一種改進(jìn)型航空葉片自動測量與控制系統(tǒng)长捧。

1 葉片三坐標(biāo)自動測量研究現(xiàn)狀

(1)基于CAD數(shù)模的自動測量

基于CAD數(shù)模的三坐標(biāo)測量是產(chǎn)品設(shè)計(jì)嚣鄙、加工、測量一體化進(jìn)程中的重大突破秩纹。CMM的測量能力和可操作性在很大程度上取決于測量軟件的功能幔时，測量軟件決定了CMM可采用的測量方式以及應(yīng)用范圍。目前很多葉片測量軟件都具備基于CAD模型脫機(jī)編程功能园撵，比如很杂停克斯康PC-DMIS、蔡司Calypso等，并能讀入多種文件格式桨农，如IGES询嘹、DXF、STL及VDA等格式捍刑，也可以兼容UG呜谓、Pro/E或CATIA等CAD格式文件。

CMM可實(shí)現(xiàn)基于CAD數(shù)模的葉片自動測量法洼，待測點(diǎn)的分布和采集洼荡、測量路徑優(yōu)化及測量程序生成是自動測量中的關(guān)鍵問題。楊雪榮等結(jié)合ARCO CAD測量軟件篮啦，實(shí)現(xiàn)了對基于CAD數(shù)模零件進(jìn)行自動測量;周保珍等基于UG CAD提出了沿待測點(diǎn)矢量方向測量的方法胯恤，并給出了自動生成DMIS測量程序的方法步驟;劉勇等在前人的成果上基于UG CAD數(shù)模給出了葉片自動測量路徑規(guī)劃系統(tǒng)的操作流程;S.G.Zhang等基于CAD數(shù)模特征挥萌，在CMM平臺上設(shè)計(jì)了一套檢測過程規(guī)劃原型系統(tǒng)绰姻，能極大減少判斷探針方向的時(shí)間;Hui-Chin Chang等基于汽輪機(jī)葉片CAD數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過簡單三角函數(shù)計(jì)算在短時(shí)間內(nèi)能自動生成無碰撞檢測路徑引瀑，并輸出DMIS格式文件狂芋。

在對三坐標(biāo)測量系統(tǒng)進(jìn)行研究總結(jié)后，測量程序生成方法主要有以下幾種：

①脫機(jī)編程憨栽。此方法根據(jù)待測件的幾何特征和公差要求帜矾，用DMIS語言手動編寫測量程序，以指導(dǎo)CMM自動測量屑柔。但此方法對操作人員專業(yè)水平要求較高屡萤，編程所需時(shí)間長。

②自學(xué)習(xí)編程掸宛。此方法適合沒有CAD數(shù)模和設(shè)計(jì)圖紙的情形下死陆，操作較為簡單便捷，適合產(chǎn)品大批量測量唧瘾。在手動測量一次后措译，三坐標(biāo)測量軟件系統(tǒng)會自動記錄測頭運(yùn)動和操作并保存為測量程序，對相同批次的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)自動重復(fù)測量禀丁。但此時(shí)測量軟件需要與CMM聯(lián)機(jī)才能完成程序的編制翼辱，CMM其他任務(wù)將會被占用。

③自動編程跨基。此方法將CAD數(shù)模導(dǎo)入到CMM測量軟件中吴烹，將工件坐標(biāo)系(即測量坐標(biāo)系)與理論坐標(biāo)系進(jìn)行對齊后，檢測員基于CAD模型進(jìn)行測量路徑規(guī)劃肾俯，測量軟件系統(tǒng)按照GD&T設(shè)計(jì)要求绊寞，自動生成DMIS程序，動態(tài)虛擬模擬路徑無誤后自動保存。也可利用三維軟件二次開發(fā)功能条赚、C#編程語言或VB編程語言等工具焰箩，根據(jù)三維軟件生成的測量前置文件(包含測量點(diǎn)信息和測頭信息)開發(fā)格式轉(zhuǎn)換程序，直接生成DMIS格式文件递思，大幅提高測量效率影晋。

在無圖紙的情況下實(shí)現(xiàn)葉片的批量測量，可基于光學(xué)掃描儀完成葉片初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集毕删，然后利用Geomagic Design Direct設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行逆向建模镜会，獲取初始CAD模型，并導(dǎo)入PC-DMIS測量軟件中终抽，以引導(dǎo)CMM進(jìn)行測量路徑自動規(guī)劃戳表。基于CAD數(shù)模的交互自動編程較手工編程而言昼伴，效率更快匾旭、更清晰直觀、方便驗(yàn)證圃郊，而且也便于對測量點(diǎn)進(jìn)行采集和編輯价涝。目前，基于CAD數(shù)模自動測量已被國內(nèi)外先進(jìn)的CMM測量軟件普遍采用持舆。

(2)自動定位夾具

目前色瘩，由于航空葉片形狀復(fù)雜且規(guī)格繁多，檢測時(shí)并沒有與之兼容的通用定位夾具逸寓。國內(nèi)很多航空葉片制造企業(yè)基于三坐標(biāo)檢測普遍都采用簡單支撐固定的方式居兆，以降低制造成本，而且每次只能對單個(gè)葉片進(jìn)行測量竹伸，每次都需要對待測葉片進(jìn)行裝夾和粗定位泥栖，導(dǎo)致葉片檢測效率極低。

針對以上難點(diǎn)袄优，不斷開展葉片專用夾具研究鹏愚，葉建友等提出了柔性相變材料夾具為葉片自動化測量提供保障。定位件和夾緊體位置靈活可調(diào)紫掷，一套柔性相變材料夾具能裝夾一定尺寸范圍內(nèi)任意形狀的零件味羡。但該夾具存在準(zhǔn)備周期長、剛性不足伯梧、手工操作繁瑣等問題院蜘，同時(shí)，仍只能對單一葉片實(shí)現(xiàn)定位夾緊惊眠，在提升檢測效率方面效果并不顯著纳傍。容器里相變材料反復(fù)進(jìn)行固液態(tài)兩相變換妄温，膨脹和收縮不可避免，勢必影響到夾具的裝夾精密度和穩(wěn)定性拧亡。

陳林等設(shè)計(jì)了一套葉片測量氣動專用夾具瓷莽，利用榫根底面、側(cè)面及內(nèi)徑相面進(jìn)行6點(diǎn)定位并對底平面實(shí)現(xiàn)磁力夾緊谤碳，有利于實(shí)現(xiàn)葉片測量自動化溃卡。該套夾具具有剛性強(qiáng)、定位精準(zhǔn)蜒简、操作簡單等特點(diǎn)瘸羡，但對于具有軸頸型榫根或樅樹型榫根的葉片無法實(shí)現(xiàn)固定支撐，且仍只能對單一葉片進(jìn)行測量搓茬。

通過研析現(xiàn)有文獻(xiàn)和對葉片企業(yè)的實(shí)地調(diào)研犹赖，針對航空葉片夾具設(shè)計(jì)提出參考規(guī)則：①夾具在對工件進(jìn)行裝夾時(shí)，能保證工件位置的正確性;②基于某一特征卷仑，夾具可對同一規(guī)格葉片進(jìn)行多片裝夾定位;③夾緊操作不能損傷葉片;定位要可靠;夾具系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)峻村，操作簡便快速;④使用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量時(shí)，夾具必須保證探針對于待測葉片的空間可達(dá)性且不發(fā)生碰撞;⑤夾具應(yīng)避免使用吸鐵等帶有磁性的材料系枪，避免工件或探針收到磁性作用而影響測量結(jié)果雀哨。

(3)自動測量系統(tǒng)

當(dāng)前磕谅，國內(nèi)很多葉片加工企業(yè)在檢測環(huán)節(jié)沒有實(shí)現(xiàn)模塊化和系統(tǒng)化私爷，特別是在信息共享和自動控制方面能力不足。具體表現(xiàn)在：①測量數(shù)據(jù)過度離散化膊夹，可追溯性較差;②測量過程人機(jī)交互多痒仇，自動化程度低;③工序質(zhì)量控制能力弱，產(chǎn)品報(bào)廢率高邀敲。

在工業(yè)4.0智能制造的大背景下恰印，海克斯康集團(tuán)推出了自動化珍媚、智能化的測量系統(tǒng)瓢圈。整個(gè)自動化測量系統(tǒng)分為幾個(gè)物理單元：三坐標(biāo)測量機(jī)、自動控制系統(tǒng)及管理軟件尼布、料架系統(tǒng)珊场、零件識別系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)朦舟、機(jī)器人外圍系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)逼酗。通過信息系統(tǒng)把各單元串聯(lián)起來，形成有效的集成單元投湿，對測量信息高效管理诽昨，并對工序過程進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)反饋趁宠，明顯提升生產(chǎn)效率。

智能化作為自動化的高級應(yīng)用惜姐，智能測量系統(tǒng)在工業(yè)4.0中扮演重要角色犁跪，雷尼紹公司推出搭載第二代REVO多傳感器五軸測量系統(tǒng)的大型龍門式三坐標(biāo)測量機(jī)有如下特點(diǎn)：①分辨率提高近20倍;②可加載不同的測量模塊;③不僅可以測量大工件大尺寸，也可以測量大工件小尺寸;④采用螺旋掃描歹袁，采集點(diǎn)的效率高耘拇。

(4)葉片三坐標(biāo)自動測量發(fā)展趨勢

三坐標(biāo)測量技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了測量行業(yè)的進(jìn)步和變革，也對三坐標(biāo)測量技術(shù)提出了更高要求宇攻。在航天航空領(lǐng)域惫叛，面向智能制造的高精度動態(tài)實(shí)時(shí)測量技術(shù)和飛機(jī)大尺寸數(shù)字化測量關(guān)鍵技術(shù)不斷被討論和研究，其中航空葉片三坐標(biāo)測量技術(shù)的研究方向主要是：①自動化逞刷、智能化;②實(shí)時(shí)監(jiān)控嘉涌、可視化;③高速、高精度夸浅、高穩(wěn)定性仑最。

2 葉片自動測量夾具設(shè)計(jì)

(1)葉片檢測現(xiàn)狀

以葉片的葉型測量過程為例，無錫某航空葉片企業(yè)的檢測過程需要的人機(jī)交互操作較多帆喇，如待檢葉片信息的輸入警医，待檢葉片的裝夾及粗定位、抽調(diào)對應(yīng)的測量程序馁雏、PDF文件名及保存路徑的輸入等酱晾，該企業(yè)現(xiàn)有檢測流程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有葉型檢測流程

在檢測過程中托俯，若沒有及時(shí)的人機(jī)交互赠飞，CMM就會停機(jī)等待操作指令。由于該檢測流程僅面向單個(gè)葉片雹纤，檢測效率極其低下篙协，根本無法滿足正常的葉片檢測需求。

針對上述實(shí)際問題有以下解決方案：①增加三坐標(biāo)測量機(jī)以及檢測人員數(shù)量;②增強(qiáng)企業(yè)葉片數(shù)控加工系統(tǒng)的可靠性;③引進(jìn)全過程自動化在線控制檢測系統(tǒng);④優(yōu)化葉片現(xiàn)有三坐標(biāo)測量機(jī)夾具墓趋。

方案①中通過增加檢測設(shè)備和人力投入顯然不符合企業(yè)低成本的要求粟朵，在設(shè)備維護(hù)和人員管理上也會耗費(fèi)巨大;方案②雖然可以改善葉片加工穩(wěn)定性和精度，減少了葉片檢測的任務(wù)量奈兢，但對于中小型企業(yè)來說喻秩，短期內(nèi)很難突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，對企業(yè)資金能力汪兢、技術(shù)能力批斯、檢測環(huán)境等都提出了更高要求，實(shí)施難度大;方案③為目前先進(jìn)的自動化檢測技術(shù)掷漱，可以實(shí)現(xiàn)100%檢測并實(shí)現(xiàn)零廢品率粘室，一定程度上可以降低生產(chǎn)成本榄檬，但中小型企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，一次性投入太大;方案④是建立在現(xiàn)有設(shè)備和人力不變的情況下衔统，通過優(yōu)化葉片檢測夾具來實(shí)現(xiàn)葉片測量效率的提升鹿榜，顯然這個(gè)方案更加適用于中小型企業(yè)。通過對該企業(yè)CMM檢測過程的實(shí)地調(diào)研锦爵，來找到最合適的解決方案舱殿。具體改進(jìn)后的葉片葉型檢測流程見圖2。

圖2 改進(jìn)后葉型檢測流程

通過電子掃描槍對該待檢測葉片工序流轉(zhuǎn)卡進(jìn)行掃描獲取葉片ID號险掀，系統(tǒng)自動在產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)庫中根據(jù)葉片ID號檢索相關(guān)加工工序信息沪袭。選擇檢測對應(yīng)工序名后，系統(tǒng)自動從該數(shù)據(jù)庫中檢索對應(yīng)工序的測量程序文件地址樟氢，從FTP服務(wù)器下載測量程序到Calypso測量軟件指定文件夾冈绊，并保留待檢測葉片相關(guān)信息至指定文本文件作為該葉片自動保存地址。運(yùn)行Calypso軟件并調(diào)取對應(yīng)測量程序埠啃，葉型測量完成后調(diào)取Blade Pro分析軟件的同時(shí)運(yùn)行自動保存應(yīng)用程序死宣，該應(yīng)用程序捕捉到系統(tǒng)保存窗體的彈出并獲取文本文件中保存地址和名稱，實(shí)現(xiàn)測量報(bào)告的自動命名和保存吮蒜。生成的PDF文件自動上傳到FTP服務(wù)器跷碰，作為該企業(yè)的工藝資料儲備。生成的TXT文件經(jīng)過自動轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入MySQL工藝數(shù)據(jù)庫催岔，可實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的精確查詢和SPC分析谎后。對于在可控范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，在逆向工程中進(jìn)行特征數(shù)據(jù)提取實(shí)現(xiàn)葉片三維建模闭榛，以指導(dǎo)無圖紙工件進(jìn)行CMM測量路徑規(guī)劃盒器，并生成測量程序完成自動化測量跌缩。

(2)自動測量夾具方案

由于該企業(yè)三坐標(biāo)測量機(jī)葉片專用夾具一次只能對單一葉片進(jìn)行裝夾定位衍肥，針對燕尾型榫根葉片葉型測量，提出一種多片自動測量專用夾具雀肠，該裝置主要由夾具體刀念、氣缸、氣缸座胁会、基座贺潜、定位銷釘、夾緊塊施绎、帶有9個(gè)楔形塊結(jié)構(gòu)的矩形軸組成溯革，單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾具單元結(jié)構(gòu)

該夾具能實(shí)現(xiàn)9片葉片聯(lián)裝聯(lián)測谷醉，由原本單個(gè)支撐工位線性地?cái)U(kuò)展成9個(gè)聯(lián)測裝夾工位致稀。該工裝夾具利用蔡司Calypso和PDFFactory配合連續(xù)測量冈闭，并最多保存9份檢測報(bào)告，緩解企業(yè)CMM檢測能力不足和效率低下的問題抖单。

采用兩個(gè)定位銷釘和一個(gè)緊固螺釘連接夾具體與基座;9個(gè)夾具體線性分布在基座上萎攒，保證間隔不干涉葉片裝夾;矩形軸兩端均采用滑動副，并帶有9個(gè)楔形塊矛绘，楔形塊和夾緊塊配合形成滑動副耍休。

夾具裝夾方式是：夾具體楔形面和燕尾型榫根楔形面配合，模擬葉片裝配狀態(tài)货矮，限制了榫根5個(gè)自由度;用定位銷釘對榫根側(cè)面進(jìn)行定位羊精，限制了榫根1個(gè)自由度;通過啟動氣缸推動矩形軸移動，從而使楔形塊推動夾緊銷釘向上移動囚玫，實(shí)現(xiàn)對9片葉片同步進(jìn)行裝夾脆逊。單個(gè)榫根裝夾圖如圖4所示。

圖4 單個(gè)榫根裝夾

以榫根楔形面的中分面(即通過發(fā)動機(jī)輪轂盤軸線的徑向面)工件測量坐標(biāo)系的XOZ平面拇蟋，以給定值來確定XOY平面和YOZ平面棒鞍，以此建立工件測量坐標(biāo)系(見圖5)，且該坐標(biāo)系與建立CAD數(shù)模的理論坐標(biāo)系保持一致蓖搅。

在對9片葉片進(jìn)行檢測路徑規(guī)劃時(shí)崖蟀，只需要在DMIS文件中在第一片葉片工件坐標(biāo)系基礎(chǔ)上連續(xù)偏置一個(gè)固定值即可得到其他葉片的工件坐標(biāo)系。

該夾具具有以下特點(diǎn)：①定位裝置尺寸鏈短翩汰，對測量精度影響較小;②多葉片可同步裝夾和拆卸吹迎，實(shí)現(xiàn)批量測量;③采用氣動夾緊，實(shí)現(xiàn)自動夾緊測量溃耸。

圖5 建立葉片工件坐標(biāo)系

小結(jié)

本文對航空葉片自動化測量技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢展開論述湃足，總結(jié)了基于CAD數(shù)模的檢測路徑規(guī)劃方法和DMIS文件生成方法和自動測量夾具設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則，結(jié)合相應(yīng)實(shí)例對葉片自動檢測系統(tǒng)未來趨勢做了總結(jié)闡述发惭，并針對某航空葉片企業(yè)實(shí)際情況給出了相應(yīng)解決方案剂户，提出了改進(jìn)型葉型測量夾具，極大提高了檢測效率罩锐。

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