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功能介紹發(fā)布機(jī)械加工及工具行業(yè)的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)、新聞、切削與測(cè)量方面的先進(jìn)技術(shù)工藝以及應(yīng)用等

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片幾何形狀復(fù)雜、尺寸跨度大、加工精度要求高等特點(diǎn)決定其成為了航空發(fā)動(dòng)機(jī)中加工制造的難點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工質(zhì)量檢測(cè)精度和檢測(cè)效率提出了更高要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)技術(shù)已逐步從定性檢測(cè)到定量檢測(cè)，從接觸式檢測(cè)到非接觸式檢測(cè)，從傳統(tǒng)手工檢測(cè)到自動(dòng)數(shù)字化檢測(cè)，從二維比對(duì)檢測(cè)到多自由度組合檢測(cè)，從單一規(guī)格大批量檢測(cè)到多規(guī)格小批量檢測(cè)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片質(zhì)量檢測(cè)方法眾多，如標(biāo)準(zhǔn)樣板法、自動(dòng)繪圖測(cè)量法、光學(xué)投影測(cè)量、電感測(cè)量法、坐標(biāo)測(cè)量法、激光測(cè)量法、機(jī)器視覺(jué)測(cè)量法等，其中，三坐標(biāo)檢測(cè)憑借通用性強(qiáng)、重復(fù)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、檢測(cè)精度高等優(yōu)勢(shì)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(cè)量時(shí)處于恒溫環(huán)境下且采樣效率較低。本文將介紹和評(píng)析航空葉片三坐標(biāo)自動(dòng)測(cè)量研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Coordinate Measuring Machine，CMM)提出一種改進(jìn)型航空葉片自動(dòng)測(cè)量與控制系統(tǒng)。

1 葉片三坐標(biāo)自動(dòng)測(cè)量研究現(xiàn)狀

(1)基于CAD數(shù)模的自動(dòng)測(cè)量

基于CAD數(shù)模的三坐標(biāo)測(cè)量是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、測(cè)量一體化進(jìn)程中的重大突破。CMM的測(cè)量能力和可操作性在很大程度上取決于測(cè)量軟件的功能，測(cè)量軟件決定了CMM可采用的測(cè)量方式以及應(yīng)用范圍。目前很多葉片測(cè)量軟件都具備基于CAD模型脫機(jī)編程功能，比如?？怂箍礟C-DMIS、蔡司Calypso等，并能讀入多種文件格式，如IGES、DXF、STL及VDA等格式，也可以兼容UG、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(dòng)測(cè)量，待測(cè)點(diǎn)的分布和采集、測(cè)量路徑優(yōu)化及測(cè)量程序生成是自動(dòng)測(cè)量中的關(guān)鍵問(wèn)題。楊雪榮等結(jié)合ARCO CAD測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于CAD數(shù)模零件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量；周保珍等基于UG CAD提出了沿待測(cè)點(diǎn)矢量方向測(cè)量的方法，并給出了自動(dòng)生成DMIS測(cè)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(dòng)測(cè)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，在CMM平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)過(guò)程規(guī)劃原型系統(tǒng)，能極大減少判斷探針?lè)较虻臅r(shí)間；Hui-Chin Chang等基于汽輪機(jī)葉片CAD數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)單三角函數(shù)計(jì)算在短時(shí)間內(nèi)能自動(dòng)生成無(wú)碰撞檢測(cè)路徑，并輸出DMIS格式文件。

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

①脫機(jī)編程。此方法根據(jù)待測(cè)件的幾何特征和公差要求，用DMIS語(yǔ)言手動(dòng)編寫測(cè)量程序，以指導(dǎo)CMM自動(dòng)測(cè)量。但此方法對(duì)操作人員專業(yè)水平要求較高，編程所需時(shí)間長(zhǎng)。

②自學(xué)習(xí)編程。此方法適合沒(méi)有CAD數(shù)模和設(shè)計(jì)圖紙的情形下，操作較為簡(jiǎn)單便捷，適合產(chǎn)品大批量測(cè)量。在手動(dòng)測(cè)量一次后，三坐標(biāo)測(cè)量軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄測(cè)頭運(yùn)動(dòng)和操作并保存為測(cè)量程序，對(duì)相同批次的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重復(fù)測(cè)量。但此時(shí)測(cè)量軟件需要與CMM聯(lián)機(jī)才能完成程序的編制，CMM其他任務(wù)將會(huì)被占用。

③自動(dòng)編程。此方法將CAD數(shù)模導(dǎo)入到CMM測(cè)量軟件中，將工件坐標(biāo)系(即測(cè)量坐標(biāo)系)與理論坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)齊后，檢測(cè)員基于CAD模型進(jìn)行測(cè)量路徑規(guī)劃，測(cè)量軟件系統(tǒng)按照GD&T設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)生成DMIS程序，動(dòng)態(tài)虛擬模擬路徑無(wú)誤后自動(dòng)保存。也可利用三維軟件二次開(kāi)發(fā)功能、C#編程語(yǔ)言或VB編程語(yǔ)言等工具，根據(jù)三維軟件生成的測(cè)量前置文件(包含測(cè)量點(diǎn)信息和測(cè)頭信息)開(kāi)發(fā)格式轉(zhuǎn)換程序，直接生成DMIS格式文件，大幅提高測(cè)量效率。

在無(wú)圖紙的情況下實(shí)現(xiàn)葉片的批量測(cè)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，然后利用Geomagic Design Direct設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行逆向建模，獲取初始CAD模型，并導(dǎo)入PC-DMIS測(cè)量軟件中，以引導(dǎo)CMM進(jìn)行測(cè)量路徑自動(dòng)規(guī)劃?；贑AD數(shù)模的交互自動(dòng)編程較手工編程而言，效率更快、更清晰直觀、方便驗(yàn)證，而且也便于對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行采集和編輯。目前，基于CAD數(shù)模自動(dòng)測(cè)量已被國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的CMM測(cè)量軟件普遍采用。

(2)自動(dòng)定位夾具

目前，由于航空葉片形狀復(fù)雜且規(guī)格繁多，檢測(cè)時(shí)并沒(méi)有與之兼容的通用定位夾具。國(guó)內(nèi)很多航空葉片制造企業(yè)基于三坐標(biāo)檢測(cè)普遍都采用簡(jiǎn)單支撐固定的方式，以降低制造成本，而且每次只能對(duì)單個(gè)葉片進(jìn)行測(cè)量，每次都需要對(duì)待測(cè)葉片進(jìn)行裝夾和粗定位，導(dǎo)致葉片檢測(cè)效率極低。

針對(duì)以上難點(diǎn)，不斷開(kāi)展葉片專用夾具研究，葉建友等提出了柔性相變材料夾具為葉片自動(dòng)化測(cè)量提供保障。定位件和夾緊體位置靈活可調(diào)，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。但該夾具存在準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、剛性不足、手工操作繁瑣等問(wèn)題，同時(shí)，仍只能對(duì)單一葉片實(shí)現(xiàn)定位夾緊，在提升檢測(cè)效率方面效果并不顯著。容器里相變材料反復(fù)進(jìn)行固液態(tài)兩相變換，膨脹和收縮不可避免，勢(shì)必影響到夾具的裝夾精密度和穩(wěn)定性。

陳林等設(shè)計(jì)了一套葉片測(cè)量氣動(dòng)專用夾具，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(duì)底平面實(shí)現(xiàn)磁力夾緊，有利于實(shí)現(xiàn)葉片測(cè)量自動(dòng)化。該套夾具具有剛性強(qiáng)、定位精準(zhǔn)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但對(duì)于具有軸頸型榫根或樅樹(shù)型榫根的葉片無(wú)法實(shí)現(xiàn)固定支撐，且仍只能對(duì)單一葉片進(jìn)行測(cè)量。

通過(guò)研析現(xiàn)有文獻(xiàn)和對(duì)葉片企業(yè)的實(shí)地調(diào)研，針對(duì)航空葉片夾具設(shè)計(jì)提出參考規(guī)則：①夾具在對(duì)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，夾具可對(duì)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)，操作簡(jiǎn)便快速；④使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，夾具必須保證探針對(duì)于待測(cè)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，避免工件或探針收到磁性作用而影響測(cè)量結(jié)果。

(3)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)很多葉片加工企業(yè)在檢測(cè)環(huán)節(jié)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)模塊化和系統(tǒng)化，特別是在信息共享和自動(dòng)控制方面能力不足。具體表現(xiàn)在：①測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)度離散化，可追溯性較差；②測(cè)量過(guò)程人機(jī)交互多，自動(dòng)化程度低；③工序質(zhì)量控制能力弱，產(chǎn)品報(bào)廢率高。

在工業(yè)4.0智能制造的大背景下，海克斯康集團(tuán)推出了自動(dòng)化、智能化的測(cè)量系統(tǒng)。整個(gè)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)分為幾個(gè)物理單元：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)及管理軟件、料架系統(tǒng)、零件識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人外圍系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)信息系統(tǒng)把各單元串聯(lián)起來(lái)，形成有效的集成單元，對(duì)測(cè)量信息高效管理，并對(duì)工序過(guò)程進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)反饋，明顯提升生產(chǎn)效率。

智能化作為自動(dòng)化的高級(jí)應(yīng)用，智能測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)4.0中扮演重要角色，雷尼紹公司推出搭載第二代REVO多傳感器五軸測(cè)量系統(tǒng)的大型龍門式三坐標(biāo)測(cè)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(cè)量模塊；③不僅可以測(cè)量大工件大尺寸，也可以測(cè)量大工件小尺寸；④采用螺旋掃描，采集點(diǎn)的效率高。

(4)葉片三坐標(biāo)自動(dòng)測(cè)量發(fā)展趨勢(shì)

三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了測(cè)量行業(yè)的進(jìn)步和變革，也對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)提出了更高要求。在航天航空領(lǐng)域，面向智能制造的高精度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)和飛機(jī)大尺寸數(shù)字化測(cè)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(cè)量技術(shù)的研究方向主要是：①自動(dòng)化、智能化；②實(shí)時(shí)監(jiān)控、可視化；③高速、高精度、高穩(wěn)定性。

2 葉片自動(dòng)測(cè)量夾具設(shè)計(jì)

(1)葉片檢測(cè)現(xiàn)狀

以葉片的葉型測(cè)量過(guò)程為例，無(wú)錫某航空葉片企業(yè)的檢測(cè)過(guò)程需要的人機(jī)交互操作較多，如待檢葉片信息的輸入，待檢葉片的裝夾及粗定位、抽調(diào)對(duì)應(yīng)的測(cè)量程序、PDF文件名及保存路徑的輸入等，該企業(yè)現(xiàn)有檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有葉型檢測(cè)流程

在檢測(cè)過(guò)程中，若沒(méi)有及時(shí)的人機(jī)交互，CMM就會(huì)停機(jī)等待操作指令。由于該檢測(cè)流程僅面向單個(gè)葉片，檢測(cè)效率極其低下，根本無(wú)法滿足正常的葉片檢測(cè)需求。

針對(duì)上述實(shí)際問(wèn)題有以下解決方案：①增加三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以及檢測(cè)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(guò)程自動(dòng)化在線控制檢測(cè)系統(tǒng)；④優(yōu)化葉片現(xiàn)有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)夾具。

方案①中通過(guò)增加檢測(cè)設(shè)備和人力投入顯然不符合企業(yè)低成本的要求，在設(shè)備維護(hù)和人員管理上也會(huì)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(cè)的任務(wù)量，但對(duì)于中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，短期內(nèi)很難突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，對(duì)企業(yè)資金能力、技術(shù)能力、檢測(cè)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(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)零廢品率，一定程度上可以降低生產(chǎn)成本，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，通過(guò)優(yōu)化葉片檢測(cè)夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片測(cè)量效率的提升，顯然這個(gè)方案更加適用于中小型企業(yè)。通過(guò)對(duì)該企業(yè)CMM檢測(cè)過(guò)程的實(shí)地調(diào)研，來(lái)找到最合適的解決方案。具體改進(jìn)后的葉片葉型檢測(cè)流程見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)后葉型檢測(cè)流程

通過(guò)電子掃描槍對(duì)該待檢測(cè)葉片工序流轉(zhuǎn)卡進(jìn)行掃描獲取葉片ID號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)在產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)葉片ID號(hào)檢索相關(guān)加工工序信息。選擇檢測(cè)對(duì)應(yīng)工序名后，系統(tǒng)自動(dòng)從該數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索對(duì)應(yīng)工序的測(cè)量程序文件地址，從FTP服務(wù)器下載測(cè)量程序到Calypso測(cè)量軟件指定文件夾，并保留待檢測(cè)葉片相關(guān)信息至指定文本文件作為該葉片自動(dòng)保存地址。運(yùn)行Calypso軟件并調(diào)取對(duì)應(yīng)測(cè)量程序，葉型測(cè)量完成后調(diào)取Blade Pro分析軟件的同時(shí)運(yùn)行自動(dòng)保存應(yīng)用程序，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(cè)量報(bào)告的自動(dòng)命名和保存。生成的PDF文件自動(dòng)上傳到FTP服務(wù)器，作為該企業(yè)的工藝資料儲(chǔ)備。生成的TXT文件經(jīng)過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入MySQL工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的精確查詢和SPC分析。對(duì)于在可控范圍內(nèi)的測(cè)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，以指導(dǎo)無(wú)圖紙工件進(jìn)行CMM測(cè)量路徑規(guī)劃，并生成測(cè)量程序完成自動(dòng)化測(cè)量。

(2)自動(dòng)測(cè)量夾具方案

由于該企業(yè)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)葉片專用夾具一次只能對(duì)單一葉片進(jìn)行裝夾定位，針對(duì)燕尾型榫根葉片葉型測(cè)量，提出一種多片自動(dòng)測(cè)量專用夾具，該裝置主要由夾具體、氣缸、氣缸座、基座、定位銷釘、夾緊塊、帶有9個(gè)楔形塊結(jié)構(gòu)的矩形軸組成，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(cè)，由原本單個(gè)支撐工位線性地?cái)U(kuò)展成9個(gè)聯(lián)測(cè)裝夾工位。該工裝夾具利用蔡司Calypso和PDFFactory配合連續(xù)測(cè)量，并最多保存9份檢測(cè)報(bào)告，緩解企業(yè)CMM檢測(cè)能力不足和效率低下的問(wèn)題。

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，保證間隔不干涉葉片裝夾；矩形軸兩端均采用滑動(dòng)副，并帶有9個(gè)楔形塊，楔形塊和夾緊塊配合形成滑動(dòng)副。

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)，限制了榫根5個(gè)自由度；用定位銷釘對(duì)榫根側(cè)面進(jìn)行定位，限制了榫根1個(gè)自由度；通過(guò)啟動(dòng)氣缸推動(dòng)矩形軸移動(dòng)，從而使楔形塊推動(dòng)夾緊銷釘向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)9片葉片同步進(jìn)行裝夾。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(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)輪轂盤軸線的徑向面)工件測(cè)量坐標(biāo)系的XOZ平面，以給定值來(lái)確定XOY平面和YOZ平面，以此建立工件測(cè)量坐標(biāo)系(見(jiàn)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。

在對(duì)9片葉片進(jìn)行檢測(cè)路徑規(guī)劃時(shí)，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，對(duì)測(cè)量精度影響較小；②多葉片可同步裝夾和拆卸，實(shí)現(xiàn)批量測(cè)量；③采用氣動(dòng)夾緊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊測(cè)量。

圖5 建立葉片工件坐標(biāo)系

小結(jié)

本文對(duì)航空葉片自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)論述，總結(jié)了基于CAD數(shù)模的檢測(cè)路徑規(guī)劃方法和DMIS文件生成方法和自動(dòng)測(cè)量夾具設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則，結(jié)合相應(yīng)實(shí)例對(duì)葉片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)未來(lái)趨勢(shì)做了總結(jié)闡述，并針對(duì)某航空葉片企業(yè)實(shí)際情況給出了相應(yīng)解決方案，提出了改進(jìn)型葉型測(cè)量夾具，極大提高了檢測(cè)效率。