航空發(fā)動機是飛機制造中最為關(guān)鍵，也是技術(shù)最復雜、難度最高的部件之一，而透平葉片則是航空發(fā)動機中數(shù)量最多的零件。以典型的渦扇發(fā)動機為例，整個發(fā)動機由1級風扇段、13-14級壓氣機段和8-9級渦輪段組成，葉片總數(shù)可達數(shù)千片;葉片高度從風扇葉片的接近1000mm到最后級高壓壓氣機葉片的小于20mm，差異極大。

對于加工和檢測來說，極大和極小兩種極端尺寸葉片無疑是更大的挑戰(zhàn)，它們對加工和檢測設備及方法都提出了更為嚴苛的要求。本案例針對航空發(fā)動機中的一種典型極小葉片的檢測進行了測試，驗證了某種光學測量設備對于極小葉片葉型檢測的可行性與效果，并與其它幾種檢測方案從理論上做了對比。

[葉片實際照片]


測量難點

從上圖可以看到，該葉片整體高度約13mm、葉型寬度約11mm、葉片中心處最大厚度約1mm，屬于航空發(fā)動機葉片中最小的種類，尤其是葉片的邊緣部分厚度僅有約0.2mm，給測量帶來了諸多難點：

- 首先，由于葉片尺寸太小，給裝夾就帶來了非常大的困難。裝夾部分太小容易造成夾持不穩(wěn)，但裝夾部分太大又會對測量造成干涉。

- 其次，如采用接觸式測量，測針的選擇也是一個很大的難題。對于此類極薄的葉片，如采用大測球會造成測量葉片前后緣時發(fā)生卡頓，且容易發(fā)生干涉;如采用小測球則容易產(chǎn)生半徑補償方向錯誤并導致型線紊亂現(xiàn)象。

- 再者，此類極薄葉片容易在測量頂部截面時，在測量力的作用下造成輕微葉片彎曲(如下圖，測量葉盆時葉片受到測力影響朝葉背方向彎曲，反之亦然)。雖然彎曲變形量不大，但是考慮到葉片本身極薄，其相對變形量還是非常可觀的，會對被測葉型的輪廓度與位置度都造成非常大的影響。


- 如果用光學測頭掃描該葉片，則必須要求有非常高的分辨率，在葉片曲率急劇變化的前后緣處要有密度足夠高的點覆蓋，以便真實還原葉片前后緣的形狀，才可準確分析葉型相關(guān)參數(shù)。

首先，光學測頭對于物體表面狀態(tài)一般都有所要求，太過光亮或顏色過深的表面都會對反光造成負面影響。第二，由于葉片幾何形狀的特殊性，對于光學測頭的工作距離要有一定的要求。某些種類的光學測頭雖然可以達到較高的測量精度，但它的工作距離非常近，極易和葉片發(fā)生碰撞;如果通過換鏡頭來得到較大的工作距離，又會明顯地降低測量精度。第三個需要關(guān)注的是表面入射角的范圍，在測量零件過程中，如果一直以法線方向去采點，難免會碰到盲區(qū)，在這種情況下就需要改變?nèi)肷涔獾氖噶糠较颉Ｈ绻鈱W測頭的入射光允許角度范圍較小的話，會給測量造成不便。

特別是在測量葉片前后緣時，由于實際葉片型線難免與理論模型存在形狀和/或位置偏差，導致根據(jù)理論模型設定的入射光方向無法與實際型線形成正交。如果測頭允許的入射光角度范圍越大，那該測頭對于光線的容錯性就越好;否則的話，入射光角度稍有偏差，測頭就無法接收到反射光信號，造成測點缺失。


CORE白光葉片測量系統(tǒng)是一種光學非接觸式點掃描測量設備，在硬件和軟件方面針對葉片測量做了專門的設計和優(yōu)化。CORE-DS的白光點測頭使用白光作為光源，相比接觸式測量具有更高的分辨率，其光點直徑大小僅為35µm，能夠檢測到被測物體表面最微小的幾何特征與缺陷，特別適合葉片進氣邊與出氣邊的測量。CORE使用白光測頭進行測量，能夠避免接觸式測頭在測量葉片過程中容易出現(xiàn)的測針半徑補償錯誤，從而使得測量結(jié)果更加準確。相比其它光學測量設備，CORE-DS的白光測頭對物體表面的適用性很高，完全無需對物體表面做任何處理即可進行測量，可以測量的物體包括高光亮表面、黑色表面甚至是鏡面物體，且可以做到光線與物體表面夾角低至5°。




從測量結(jié)果來看，此葉片的最大厚度為0.7mm、最大弦長為11mm、排氣邊半徑僅有0.075mm。測試結(jié)果表明，CORE具有測量極小葉片的能力，且相比接觸式測頭與其它光學測頭效果突出。