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摘要：文章介绍了用三坐标测量机经二维曲线扫描的方式来检查航空发动机机匣，并举例研究了机匣计算时探针半径补偿的偏差。结果表明，该方法是一种快捷、精准、切实可行的方式，也为今后在应用三坐标测量机检查机匣时，结合机匣运转的角度选择适当直径的探针带来了依据。
关键词：航空发动机；机匣；三坐标测量；误差分析
航空发动机行业是制造业的核心，集中了多学科的成果，科技难度大，研究时间长，耗子量大，代表了一个国家的科技实力与国防力量。机匣是航空发动机的重要构件，直接影响到发动机的质量、安全及寿命。因机匣制造质量对飞行安全的关键性显著，由此，对其质量的检测比其他机械元配件要严格繁琐得多。叶片的几何外形与尺寸决定了机匣的运行性质，而机匣的型面质量直接关系到发动机能量转变的效率。所以，在航空发动机机匣测量中，机匣型面的检验有着非常重要的作用。在航空发动机机匣检测方面，当前采用最普遍的就是三坐标测量误差。
1三坐标测量在机匣误差检测中的运用
1.1三坐标测量的运行原理
三坐标测量是在机械元配件尺寸与行为公差测试中使用最频繁的测量设施，其是利用探针在部件上打点和扫描等接触是检测方式，对所要检测的元素实现信息收集，再利用软件计算拟合为所要检测的元素，并最后求的结果[1]。三坐标测量机最显著的优势在于速度快、准确度高、稳定性好、测量方式多元化以及较强的软件处理性能。
1.2三坐标测量机检测机匣的基本方法
文章举例对某型号发动机机匣进行测量，检测选用精度高达（1.5+L/350）μm的三坐标测量机[2]。这个机匣是当前所有产品型号中规格最大、扭转最大，制造与机匣测量难度最大的产品。下文就以该机匣为对象，分析三坐标测量机测量机匣的方式与出现的问题。
1.2.1准备任务
首先按照机匣的外形与尺寸，将机匣装夹与适当的位置，促使在测量阶段探针能测出全部的被测元素，且探头不会在检测阶段超过边界。在结合所有被测元素的点，配备不同尺寸与不同角度的探针，并对各个探针进行调整[3]。其中，检测同个型面的不同方向的探针大小一定要相同，文章选用的所有探针直径均是1毫米。
1.2.2创建坐标系
首先，启动测量软件创建新的检测程序，把数学模型引入检测程序中。再结合图纸需要，选用适当的几何元素当做基准，经平移和扭转创建坐标系[4]。让坐标系和图纸机匣坐标系相同，坐标系创建完成，全部的机匣检测均在该坐标系上完成。
1.2.3创建安全平面
按照机匣的大小及在运行台上的部位，创建安全平面，确保智能监测时探针不仅不会触碰到部件，也不会超过边界。
1.2.4定义名义机匣曲线
结合所有型面的机匣坐标系上的高度，在数学模型中截取需要检测的二维曲线。根据曲线定义所有二维曲线的名义点部位与法线，促使前尾缘位置的点步距很小。
1.2.5编辑所有元素的检测程序
编辑基准元素与被测机匣曲线的检测程序，包含所有元素的具体检测位置与方法，所需的探针和探针在检测各个元素进出安全平面上的角度、安全间距与回退距离的长短等[5]。其中，机匣曲线用四段扫描的方式进行检测，分匣盆、匣背、前缘与尾缘，匣盆与匣背扫描速度很快，前缘与尾缘扫描速度偏慢。每段所使用的探针大小一样，以确保所有型面在计算时探针半径补偿数值相同。
1.2.6检测结果的计算与处理
每个被测机匣曲线扫描结束后，把所有截面的名义信息与实测未补偿的信息分别输入机匣处理软件中加以计算，通过最佳拟合求出实测机匣曲线与前尾缘放大图[6]。还能利用软件求出实测机匣的弦长、位置度、扭转方向与轮廓度等特征量，来判别机匣曲线是否达标。
2机匣计算时探针半径补偿偏差分析
2.1半径补偿偏差形成的主因
接触式三坐标测量及监测发动机机匣时，由于检测原理与检测方式的原因，会出现半径补偿偏差。
三坐标检测机探针顶端通常是红宝石球和碳素球，测头取点获得的空间坐标是球头的球心部位。而测针和物体外表的实际接触点并不是球心，因此需要实施半径补偿，获得实测点坐标参数。半径补偿的角度是名义点的法线角度，而机匣型面是自由曲面，本质上，机匣上点的法线角度是3D方向，由此产生了半径补偿偏差。
2.2举例求得半径补偿偏差
下文介绍的该机匣检测环节实施二维补偿时，这个偏差的形成与大小变化。
因实际检测时触发检测力的原因，触测时探头中心坐标的Z值通常和名义Z值有个误差δz（见图1）。该误差伴随倾斜角度的加大而加大。通过检测结果得知，在该机匣倾斜角度最大的型面，倾斜角β=20°，δz最大不超出0.05毫米。其中，A是名义点，A/是半径补偿获得的实测点，δx是半径补偿偏差，探针半径R=0.5毫米。
这时的半径补偿偏差δx=R/cosβ-R-H•tgβ，δz=H。
图1 半径补偿偏差示意图
该机匣的最大半径补偿偏差是：
δ=R/cosβ-R-H•tgβ
=0.5/cos20°-0.5-0.05×tg20°
=0.0139（毫米）
2.3对该偏差引起的不稳定性加以分析
假定是矩形布局，a=δ=13.9μm，b为0.6，u=a•b=8.3μm。
因其它检测偏差相对半径补偿偏差均小很多，因此合成标准不稳定性是：Mc=8.3μm
取置信概率p=95%，k为2，则拓展不稳定度是：
U=k•Mc=16.6μm
用该三坐标测量机，使用二维曲线扫描法检测该发动机机匣型面轮廓度的检测拓展不稳定度是U=0.0166毫米，k为2.该机匣型面轮廓度标准Fm在0.13-0.20毫米范围之内，U＜1/5Fm，符合要求。
结论
对航空发动机机匣来说，通常情况下，机匣本身的弯曲扭转较小，法线方向偏差也较小，这一半径补偿偏差也较小，相较于机匣本身型面的轮廓度标准要求，无需考虑这个偏差。但针对某些风扇及压气机机匣来说，有少数截面上检测点的法线方向和XY平面的夹角很大，沿XY平面进行半径补偿，半径补偿偏差很大，就要求采取措施降低该误差。
通过上述分析得知，测量不稳定度主要是半径补偿偏差引起的。被测点法线方向偏差愈大，探针半径愈大，这一偏差就越大。由此，减少半径补偿偏差的方法是：尽可能采用半径偏小的探针；减小法线方向偏差。
因当前航空发动机机匣的设计标准非常高，生产质量也不断在提高，因此测量的方法也需要不断提升。在今后的机匣型面测量中，二维曲线扫描的途径所引起的偏差将无法满足设计标准。由此，在用接触式三坐标对机匣进行测量时，也需要试着用三维曲线扫描的途径展开检测与计算。以降低在探针半径补偿时因被测点法线和水平方面的角度造成的偏差，来提升检测不确定度。
参考文献
[1]陈平浪.离心叶轮五轴加工干涉和加工变形的耦合分析与控制[D].湘潭大学,2017.业,2015(02):210-211.
[2]孙玉玺.DSOT-PSD空间坐标激光跟踪测量系统研究[D].南京航空航天大学,2014.
[3]刘勇.叶片CAD及计算机辅助测量一体化技术的研究[D].江南大学,2011.
[4]杨庆长.逆向工程在航空发动机研制过程中的应用与研究[D].湖南大学,2010.
[5]甘露.基于位移场的精铸涡轮叶片误差分析系统研究[D].西北工业大学,2007.
论文作者:刘政
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/8/14
标签：半径论文; 偏差论文; 探针论文; 测量论文; 法线论文; 三坐标论文; 曲线论文; 《防护工程》2018年第7期论文;