以光学扫描为基础的航空发动机叶片部件检测技术

吕依儒

（中国航发西安航空发动机有限公司，陕西 西安710021）

我国航空行业在发展的过程中，叶片是该领域中较为重要的零件，尺寸跨度大、数量相对较多，并且性能、叶片尺寸与形状制作精度有较大的影响。此外，叶片型面在设计的过程中主要是以流体力学原理为基础，直接决定了发动机能量转换效率。随着科学技术不断发展，应当提升叶片精确度与完整性，这就需要采取有效措施制造符合要求的叶片。叶片截面测量技术在航空发动机叶片制作的过程中有较为广泛的应用，其应用效果较为显著，可有效弥补接触式测量方法与设备限制，以此为我国航空事业的发展奠定良好的基础。

1 叶片的型面结构与测试要求

航空发动机在工作的过程中，叶片在其中扮演着较为重要的角色，在此过程中发动机工作特点与功能界定了叶片是最为复杂的零件。随着发动机技术的不断发展，叶片型面结构也逐渐复杂，在此期间呈现出叶弦变宽、扭曲弯度变大等变化趋势，这在较大程度上极易导致在叶片测量其中存在不同问题。叶片构成一般情况下有缘板与叶身，其中叶身在叶片中较为重要，主要有进气边、排气边等构成，如果叶片处于工作状态的情况下，气流叶片边缘部分是进气边；叶盆是叶身的压力面，是沿排气边到进气边叶身凹进的一面。

叶片的截面有不同的差异性，一般情况下是有不同曲线组成，检测难度相对比较大。目前，在对叶片进行测量的过程中，主要是在叶片截面特点参数的基础上进行有效的判断，以此能够有效提升检测期间的准确性，在此过程中测量设备需要满足几下集中需求。首先，测量精度高。由于叶背与叶盆等曲率半径相对较大，需要确保一定的测量精度，一般情况下测量精度应当在0.02-0.08mm；如果进气边与排气边曲率半径相对较小，其测量精度也相对较高，特别是轮廓与形状需要较高的测量精度[1]。其次，测量速度快，在航空发动机中由于叶片数量与种类相对比较多，需要提升测量速度，以此满足叶片检测需求。再次，在对叶片进行测量的过程中，需要采取有效措施避免叶片出现划伤与变形，确保叶片工作性能与安全性。最后，实施叶片设计、加工以及检测等过程的一体化。

2 光学扫描测量系统

在对叶片截面进行扫描的过程中，主要使用非接触式光学扫描测量系统，在对叶片的扫描过程中会得到尺寸信息与几何形状，同时会得到较多点云数据，这也需要利用激光扫描测头获得数据，能够形成三维空间点，有表达叶身采样结果。此外，在对点云数据实施分析的过程中，需要在专业软件的基础上，以CAD 模型为参照完成相关分析工作，最后还应对其实施有效的评价[2]。

叶片测量期间，形面参数对测量准确性尤为重要，一般情况下采用等截面方法。此种方法应用较为频繁，同时可满足图纸对控制截面线轮廓度的要求。此种方法一般情况下是把测量轨迹控制在叶片的一个截平面中，在此过程中较为重要的是坐标系的有效构建，再将截面线数据点云与理论截面线实施有效的对比，从而评定截面线轮廓度误差情况，这就需要将界面数据坐标与坐标系两者相符。

2.1 系统平台。系统平台在运行的过程中，主要使用了工艺技术，并且对相关结构进行了有效的设计，同时工作空间在此基础上具有较高的操作性。此外，花岗岩是工作台中较为重要的材料，根据此种材料热稳定性特点进行针对性应用。由于直线运动轴中采用了气浮导轨，离不开检测系统的使用，一般情况下需要使用国外先进的检测系统，这在较大程度上能够提升运动期间的精确性与平稳性。为了确保测量系统运行过程中的灵活性，采用了国外侧头座，以此在扫描测量系统中有较好的应用效果。PH10M 是一种测头附件，有两个回转轴，在此过程中能够通过步距角进行转位，所以能够达到720 个转角位置，以此满足激光扫描测头空间位置调整需求。

2.2 激光扫描测头。从光学测头角度进行分析，选择了一种新型激光扫描测头WIZprobe，以此完成相关采集任务，在此过程中能够对数据实施精度跟高的扫描与采集工作。由于WIZprobe测头体积小，同时接口中还有磁头，具有较高的兼容性，在使用中可确保PH10M 侧头座良好运行，能够使接触式测头与三坐标测量机实施融合，可为工业生产线质量的全面提高[3-4]。

WIZprobe 测头在激光三角法测量原理的基础上，内部光路是通过超环面透镜实施多个三角法测量，在此过程中将此种技术与图像处理相融合，这对提高探测技术尤为重要，能够确保WIZprobe 测头自身的精确度，以此为适应性的提升奠定良好的基础。WIZprobe 测头能够通过自适应控制技术，调整与校准WIZprobe 测头激光功率，以此在测量的过程中根据实际情况完成校准工作，以此降低测量精度受颜色、材质以及加工形式的影响。

3 试验验证

为了对扫描测量系统中叶片测量实用性与有效性进行有效的验证，以我国某型发动机为例进行分析，由于风扇叶片需要进行全面的测量，在进行测量之前，需要选择不同截面，同时在扫描测量系统的基础上对不同截面轮廓参数实施有效的扫描测量。此风扇叶片尺寸大，同时形状相对较为复杂。

在进行测量之前，应当对光学扫描测量系统实施校准与检定，能够对系统各个功能是否正常进行全面确定，并且在此基础上确定是否达到规定的精度水平。本位检定器具主要采用标准球杆规，一般情况下有钨合金标准球与球杆构成，其中不同球尺寸与相邻标准球间距下进行计量，能够满足校准与精度鉴定要求。在球杆规中，不同标准球的直径是20mm，同时球心间距是70mm，以此构成了计量标准的器具[5]。通过进行精度检定与校准，此系统中能够满足综合测量误差要求，同时重复性精度也达到了标准要求，以此可使叶片测量顺利进行。在进行测量期间，需要根据工装夹具把风扇叶片在光学扫描测量系统工作台中进行有效的固定。

4 叶片表面缺陷的检测

利用基于激光条纹相位投影技术和DSP 高速图像处理芯片研制的便携式三维光学表面划痕测量仪对航空发动机叶片表面划痕缺陷磨损量检测及分析。

叶片表面划伤有时较浅，无法用肉眼或样膏检测的方式进行判定是否符合标准。此时，可以利用三维影像抓取技术，之后利用专业的划痕测量分析软件，通过拓扑色差图直观解析出划痕缺陷最深的部位，根据叶片曲面上的划痕曲率大小，选择多项式滤波阶数，将被测面曲面展成平面将宏观轮廓对缺陷深度的影响消除。再通过高速滤波，将表面的灰尘，亮点等外界干扰因素滤除。最终，对其表面缺陷、阶差等表面几何特性参数进行解析及判定。

综上所述，在航空发动机部件制造的过程中应用先进的检测技术，以叶片为例，其逐渐向大尺寸以及复合弯掠方向发展，这在较大程度上使型面测量任务提出更高的要求。此外，在进行型面零件扫描测量的过程中，非接触式光学扫描测量系统及划痕测量分析系统的应用尤为重要，能够完成相关检测工作，在叶片质量评价中有较为广泛的应用。