基于等距面模型的叶片精密测量方法研究

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1、基于等距面模型的叶片精密测量方法研究ResearchonPrecisionMeasurementMethodforBladeBasedonO低etSurfaceModel北京航空航天大学机械工程及自动化学院王军伟宁涛陈志同王军伟毕业于北京航空航天大学．研究方向为航空发动机叶片数控加工及精确测量技术。随着叶片加工精度与自动化程度的不断提升，应用三坐标测量机实现叶片几何精度的测量已成为一种常用工艺。但是测量机在测量过程中只能得到测头球心的坐标，而测头与叶片的实际接触点及其法矢是未知的。针对此情况，传统测量方法是按照理论测量点所在曲面的法矢对测头球心点进行半径补偿，该补

2、偿方98航空制造技术·2015年第22期针对传统叶片测量方法中存在的测头半径补偿误差问题，本文提出了一种基于等距面模型的叶片测量方法。并给出了具体的测量工艺方案。本文测量方法较传统测量方法有效地提高了叶片测量的精度oDOI：10．16080a．issnl671—833x．2015．22．098法只有在理论模型与实际叶片模型完全重合时才不会导致补偿误差。但是考虑到叶片检测中的定位误差以及叶片加工变形的存在，如图1所示，理论模型s．与实际模型s，并不重合，测头与被测叶片实际接触点p，的法矢以，与理论测点只的法矢以。方向也不同，因此按理论法矢以．对测头球心点p。进行测头

3、半径补偿得到的补偿点p。并非被测叶片上的点，触测力图1测量误差这样就导致了补偿误差。提高测头与叶片实际接触点法矢方向的估计精度是提高叶片测量精度的一个求解方向。微平面法¨1与微球面法[21均是通过测量被测点周围的若干点来估计被测点处法线方向的。这两种方法原理类似，可一定程度上减小补偿误差，但是都存在测量不确定度影响求法线方向的问题[3】，且两种方法测量过程繁琐，测量数据处理复杂。Menq等[41提出了一种迭代测量的方法，通过反复测量来不断修正测量方向，该方法虽然提高了测量精度，但测量时间也相应增加，测量效率大大降低。曲面拟合法[51是通过拟合测头球心曲面S。，然后

4、在测头球心曲面上得到相应点的法线方向。该方法避免了其他方法的不足，并不针对单个的测量点进行补偿，而是通过拟合测头球心曲面进而求得被测曲面的。基于该方法的思想，本文提出了一种基于等距面几何模型的叶片测量方法。基于等距面模型的叶片测量方法原理设叶片理论模型为S．(H，v)，其等距面模型为S。(“，v)；叶片实际模型为墨(“，v)，其等距面模型为墨’(甜，v)。则可以得到：S。(“，v)=S：(“，v)一尺·n：(“，v)，(1)S，(“，v)=S：(“，l，)一R．厅：(比，订，(2)其中：R为测头半径，刀。‘(“y)为S’(材，v)的单位法矢，Jlr’(“，v)为墨

5、’(“，'，)的单位法矢。基于等距面几何模型叶片测量方法的原理如下：(1)根据式(1)求出S’(“，v)，并以S．’(zf，1，)为指导模型，进行测量路径规划，得到理论测量点集一，触测方向．参’f：j：一载捌一黼(r)实际触碰点图2测量方法原理S’【f，．S(甜．1S’(Ⅳ．S(“．、(f=1，2，3，⋯)及其触测方向，如图2(a)所示；(2)用半径为月的测头进行测量，将得到的测头球心点集p。，(f-1，2，3，⋯)进行插值构造曲面s，’(“，v)，如图2(b)所示；(3)根据式(2)求出s，(“，v)，如图2(c)所示。(4)比较S，(“，v)与S(甜，1，)得

6、到被测叶片的加工误差分布。与传统的叶片测量方法相比较，该方法不会因为实际叶片与理论模型的差异而导致测量误差，更加适用于叶片的测量，且叶片定位误差以及叶片加工变形等问题对该方法影响较小。另外，应用该方法进行测量，以可行的不同触测方向刀¨，逼近理论测量点p’“，根据式(2)可知，测头球心点儿¨均位于S，’(“，1，)上，如图3所示，增加了测量路径规划的灵活性，减少了实际测量中测头逼近方向的限制。测火触测?少／1、一一厂

7、1rt一7／。”-．、H，＼，卜、、＼1+。一一一l辨?、r．，心=』乙盯i乡：》≮HT¨^。7、＼＼_—≯一X，7+、、＼+：Ⅳ。t／一一∑S’‘f

8、』．¨、!：一一一一一图3以不同触测方向测量基于等距面模型的叶片型面CMM澜量叶片型面CMM测量主要分为测量路径规划、测量和数据处理3个阶段。1测量路径规划为了降低数据处理的复杂度，提高曲面拟合的精度，基于二维约束，按照“曲面一曲线一点集一测点集”的分解次序，实现从曲面到测点集的分解。具体的测量路径规划方法步骤如下：(1)求取理论叶片型面墨的等距面S’，距离为测头半径月；(2)用截平面法在s，’上选取适当的测量线集￡，测量线数为Ⅳ，具体算法如图4所示；(3)将各测量线‘离散成测量点集P，，其中f-1，2，⋯，Ⅳ，具体算法如图5所示；(4)求各测量点所在测量线处的二

9、维法矢方向