CN108463689B - 用于对涡轮机，尤其是飞行器涡轮机或喷气发动机，的叶片进行非接触式三维检测的装置 - Google Patents

Abstract

提出一种用于对涡轮机的叶片(5)进行非接触式三维检测的装置，所述装置包括：‑用于扫描所述叶片的扫描构件，包括至少一个第一对激光测量模块(2A、2B)和用于沿着所述叶片的所述主轴线相对于所述激光测量模块围绕所述主轴线旋转驱动所述叶片的构件；‑用于通过使用来自所述扫描构件的数据来构建所述叶片的三维虚拟表示的构件；‑使用所述三维表示进行尺寸检测的构件；‑每对激光测量模块包括朝向叶片的第一面定向的第一激光测量模块(2A)和朝向叶片的第二面定向的第二激光测量模块(2B)；所述激光测量模块相对于所述叶片定向，以使得在所述叶片围绕所述主轴线旋转期间，所述扫描构件在所述叶片的整个轮缘上扫描所述叶片的所述第一面和所述第二面，且使得在所述叶片沿着所述主轴线平移期间，所述扫描构件在整个高度上扫描所述叶片的所述第一面和所述第二面。

Description

用于对涡轮机，尤其是飞行器涡轮机或喷气发动机，的叶片进 行非接触式三维检测的装置

技术领域

本发明的领域是尺寸测量领域。

更明确地说，本发明涉及用于对涡轮机的叶片进行三维非接触式检测的装置，所述涡轮机例如喷气发动机、涡轮、压缩机或泵。

一般来说，涡轮机是作用于流体或借助于旋转元件致动流体的机器、装置或设备。在围绕其旋转轴线旋转的旋转元件与永久流动的流体之间发生能量交换。涡轮机可以是接收器(例如，液压涡轮、燃气涡轮(飞机发动机))或发电机(例如，喷气发动机、空气动力涡轮、离心泵、压缩机、鼓风机、推进器螺旋桨)。

本发明可以尤其但非排他地应用于用于检测在航空领域(例如，提供飞行器的推进)、航海领域(例如，用于船舶的推进)中使用的叶片的技术。其还可以应用于用于检测在空气动力能量或流体动力学(将流体的移动能量转换成电机能量)领域中使用的叶片的技术。

背景技术

更明确地说，在本文档中，我们将在下文力求描述本专利申请的发明人已面对的飞行器喷气发动机领域中存在的难题和问题。本发明当然不限于此特定应用领域，而是对用于检测必然面对近似或类似难题和问题的涡轮机的叶片的任何技术都是有意义的。

喷气发动机、涡轮喷气发动机或者涡轮的叶片是广泛用于航空应用的机械元件。其功能是当其与电机耦接时将动能传递给流体(气体)，且因此推进飞行器。

涡轮喷气发动机例如通常由在旋转轴线的轴线上一起工作且设置在明显垂直于此轴线的平面中的一组叶片形成。叶片的数目因应用而异。

在制造期间，叶片的尺寸或形状必须以高精度制造，且叶片应具有恒定且合适的质量。

因此，有必要对这些组件中的每一个提供尺寸检测或控制，以确定其是否真正符合必需的制造公差值。此类检测通常在生产线上执行，且涉及特定数目的尺寸特性。

传统解决方案在于在这些组件生产线下线时对其进行检测，无论是手动还是使用例如机械感测机器的自动化尺寸检测机器。这些机器用于获取组件的尺寸和形状，且接着对其进行检查。

然而，由于缺陷仍然难以用肉眼识别，因此组件的视觉检测既不会提高生产率也不会满足航空工程中的质量要求。

机械感测解决方案还需要不连续的检测过程，这需要相对较长的检测时间。此外，螺旋桨叶片可能具有相对复杂的形状和轮廓，从而使得检测过程变得困难、要求使用单独的机器来实现这些组件的所有尺寸特性的检测。此外，当今的非接触式检测***不能用于实现制造业所规定的精度和生产率。

因此，将需要提出一种能够对涡轮机的叶片的所有尺寸特性进行精确、可再现且高速的检查的自动检测机器。

发明内容

发明目标

在至少一个实施例中，本发明尤其旨在克服这些现有的尺寸测量和检测技术的各种缺陷。

更具体地说，在至少一个实施例中，本发明旨在提供一种三维检测装置，其使得能够对涡轮机的叶片进行非接触式、完整、自动的尺寸检测。

发明内容

本发明的一个特定实施例提出一种用于对涡轮机的叶片进行非接触式三维检测的装置，所述涡轮机例如喷气发动机、涡轮、压缩机或泵，所述叶片包括主体，所述主体沿着主轴线在叶片根部与叶片尖端之间径向延伸且具有限定高度，且包括由前边缘和后边缘端接的第一主面和第二主面。所述检测装置使得其包括：

-用于扫描所述叶片的扫描构件，所述扫描构件包括至少一个第一对激光测量模块以及相对于所述激光测量模块围绕所述主轴线旋转驱动所述叶片或相对于所述叶片围绕所述主轴线旋转驱动所述激光测量模块的构件，以及相对于所述激光测量模块沿着所述主轴线平移驱动所述叶片或相对于所述叶片沿着所述主轴线平移驱动所述激光测量模块的构件；

-用于通过使用来自所述扫描构件的数据来构建所述叶片的三维虚拟表示的构件；

-使用所述构建的三维虚拟表示进行尺寸检测的构件；

-每对激光测量模块包括朝向所述叶片的第一面(F_A)定向的第一模块和朝向叶片的第二面(F_B)定向的第二模块；

所述激光测量模块相对于所述叶片定向，以使得：

-在所述模块或所述叶片围绕所述主轴线旋转期间，所述扫描构件在所述叶片的整个轮缘上扫描所述叶片的所述第一面和所述第二面，且

-在所述模块或所述叶片沿着所述主轴线平移期间，所述扫描构件在整个高度上扫描所述叶片的所述第一面和所述第二面。

因此，经由至少一对激光测量模块的巧妙布局，根据本发明的三维检测装置使得能够自动且非接触式地执行对待检测的整个叶片的完整且精确的扫描。接着可以使用从扫描构件得出的测量点来执行对叶片的总体尺寸特性的检测。

因此，所述装置可以提供叶片相对于激光测量模块的同时的旋转运动和平移运动，或激光测量模块相对于叶片的同时的旋转运动和平移运动。

因此，与现有解决方案不同，根据本发明的装置可以用于在几秒内且在其整个表面上在三个维度中确定叶片的测量点云。取决于测量模块中嵌入的激光技术以及相关联的检测方法和三维表示构建方法，有可能以非常高的速度(约一到五秒的持续时间)对叶片进行检测。

根据本发明的一个特定方面，每个激光测量模块包括相对于所述主轴线且相对于与所述叶片相切的轴线定向的激光束的发射源和定向成拾取来自所述叶片的所述激光束的激光束接收器。

根据一个特定特性，所述激光束相对于所述主轴线以10到45度范围内的第一角度且相对于切向轴线以10到45度范围内的第二角度定向。

根据一个特定特性，所述用于旋转驱动的构件与所述用于平移驱动的构件同时或依次启动。

因此，有可能在相对于所述激光测量模块同时旋转驱动与平移驱动所述叶片或在相对于所述叶片同时旋转驱动与平移驱动所述激光测量模块且在旋转驱动与平移驱动独立且以预定次序彼此接续的情况下进行扫描操作(且因此获取测量点)。

根据一个特定特性，所述模块具备线型激光发射源。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从借助于指示性且非穷尽性实例给出的以下描述且从附图呈现，其中：

-图1是根据本发明的一个特定实施例的三维检测装置的一组测量模块的透视图或四分之三侧视图。

-图2A到2C表示图1中所示的检测装置的局部和详细视图；

-图3A到3F是如图1、2A、2B和2C中所示的在激光扫描的不同阶段期间经受三维检测的涡轮叶片的视图；

-图4呈现根据本发明的一个特定实施例的呈功能块形式的三维检测装置的示意性结构；

图5是在扫描待检测的叶片的主面中的一个期间测量模块的详细视图。

具体实施方式

在本文档所有图中，相同的元件通过同一个参考数字来标示。

图1、2A到2C呈现根据本发明的一个特定实施例的非接触式三维检测装置1的结构和工作。此处经受三维检测的机械组件是飞行器喷气发动机或涡轮叶片5。

自然地，这是一个说明性实例，且当然可以设想用于其它应用的其它类型的叶片，而不脱离本发明的框架。

所述叶片通常包括主体50，所述叶片包括沿着主轴线(Z)在叶片根部51与叶片尖端52之间径向延伸且具有限定高度h，且包括由前边缘53和后边缘54端接的第一主面F_A和第二主面F_B。通常称为内面或内弧面的第一面F_A具有基本上凹形的形状，且通常称为外面或外弧面的第二面F_B具有基本上凸形的形状。在图3A和3F中更详细地图示了叶片5的结构。

使用术语“径向”是因为叶片通常由从涡轮的旋转元件(例如，轴或毂)径向延伸的主体组成。

在此处所图示的实施例中，检测装置1包括两个竖直臂6A和6B以将叶片5沿着其主轴线Z固持在框架7内以待检测。固持臂6A在其头部51的层位固持叶片，且固持臂6B在其支脚52的层位固持叶片。两个固持臂6A和6B另外安装成相对于装置的框架7围绕主轴线Z可旋转地移动(参考箭头30)且相对于装置的框架7沿着主轴线Z平移移动(参考箭头40)。为此目的，两个固持臂6A和6B与旋转和平移双重驱动***(未示出)协作，使得叶片5能够相对于固定到其的框架7旋转和/或平移。

若干物理实施方案是可能的：例如，臂6B可以与旋转和平移双重驱动***协作，且臂6A可以与平移单驱动***协作以引导叶片沿着其主轴线。对于叶片的特定配置，必须注意的是，仅需要固持臂6B来驱动叶片旋转和平移。

臂6A和6B以及与其相关联的一个或多个驱动***形成驱动根据本发明的装置旋转和平移的构件。

此外，根据本发明的检测装置1实施专用于测量和检测叶片5的四个激光测量模块：专用于叶片5的第一表面测量的第一对激光测量模块2A-2B和专用于叶片5的第二表面测量的第二对激光测量模块3A-3B。更明确地说，每对激光测量模块(2A-2B；3A-3B)由朝向叶片5的内面或内弧面F_A定向的第一模块(2A；3A)和朝向叶片5的外面或外弧面F_B定向的第二模块。

让我们认为轴线X是在叶片上的测量线层位处与主面相切且与主轴线Z正交的轴线。因此，第一模块2A和3A相对于叶片5的切向轴线X大致向上倾斜，且第二模块2B和3B相对于叶片5的切向轴线X大致向下倾斜。

此处表示的两对模块2A-2B和3A-3B中的每一对中的每个激光测量模块借助于可以根据待检测的叶片的类型和其尺寸特性而加以配置或调节的支撑件固定地附接到框架。这使得每个测量模块能够依据待检测的叶片的形状和尺寸适当地定向。激光测量模块2A-2B、3A-3B的定向必须适于叶片5的各面的形状和尺寸以及在检测装置中使用的测量模块的激光覆盖能力(测量场)(取决于测量模块实施的技术，激光覆盖范围可能从几毫米到几厘米有效地变化)。可以设想模块支撑件的自动化电机驱动来提供模块相对于叶片表面的实时定向。

在此处所图示的实例中，激光测量模块2A、2B、3A和3B是固定的，且叶片5可相对于叶片5的主轴线Z旋转和平移移动。自然地，有可能设想替代实施例，其中叶片5是固定的，且其中测量模块固定地附接到的框架被安装成可围绕叶片5的主轴线Z旋转和平移移动。

此处所图示的所有激光测量模块以及上文进一步论述的旋转驱动和平移驱动构件构成根据本发明的装置的扫描构件。扫描构件与用于处理由扫描构件获取的测量值的构件相关联(其原理在下文参考图4进一步详细描述)，以构建叶片5的三维表面且进行此叶片5的尺寸检测。

根据本发明，激光测量模块2A、2B、3A和3B相对于叶片5定向，以使得在叶片5围绕其主轴线Z旋转期间，扫描构件在叶片的整个轮缘上扫描内面F_A和外面F_B(在面F_A和F_B的宽度上扫描)，且在叶片5沿着其主轴线Z平移期间，扫描构件在整个高度h上扫描叶片5的外面或内弧面F_A和外面或外弧面F_B。

图3A到3F表示涡轮叶片5的激光扫描过程的不同阶段。图5示出在涡轮叶片5的外弧面F_B的激光扫描期间测量模块2B的更详细视图。

在此实例中，测量模块2B是根据激光三角测量原理工作的激光测量模块。以已知方式，此类测量模块能够通过角度计算来测量距离。其还涵盖广泛范围的测量和高分辨率。当然可以在不脱离本发明的框架的情况下使用除激光三角测量之外的已知技术。测量模块2B包括：激光发射源21，例如激光二极管，其在待扫描的叶片的各面中的一个(此处是主面F_B)上投射平面激光束16；以及激光接收器22，例如CCD(电荷耦合装置)型传感器或CMOS(互补金属氧化物半导体)型传感器。激光发射源和对应激光接收器位于测量模块的同一面上，此面朝向叶片5定向。

其它测量模块2A、3A和3B优选是相同的。通常，为了使激光扫描质量最大化，每对测量模块必须具有相同的技术。

当启动扫描阶段时，由源发出的激光束在希望知晓相对于激光源(即，相对于测量模块2B)的位置或距离的叶片的面F_B上反射。激光接收器22被定向成拾取来自叶片5的激光束。反射的激光束以取决于距离的角度到达接收器22。反射的激光束在接收器22上的位置以及从源和接收器到测量模块2B的距离使得能够针对获取的每个测量点推断关于距离的信息。

激光束16与叶片的面F_B之间的相交区形成激光扫描线18，所述激光扫描线在叶片5围绕其主轴线Z旋转时以及在叶片5沿着其主轴线Z平移时在扫描面F_B上移动。通过叶片相对于测量模块围绕其主轴线Z的旋转来提供叶片5在其轮缘上的扫描，且借助于叶片5相对于测量模块的平移来提供叶片5在其整个高度上的扫描。

一般来说，可以如下计划对涡轮叶片5进行扫描操作(且因此获取测量点)：

-借助于相对于激光测量模块2A、2B、3A、3B同时旋转和平移驱动叶片5(或相对于所述叶片同时旋转和平移驱动所述激光测量模块)，从而实现叶片5的完整扫描，或

-借助于以预定次序彼此接续地相对于激光测量模块2A、2B、3A、3B对叶片5进行独立的旋转驱动和平移驱动(或相对于所述叶片对所述激光测量模块进行独立的旋转驱动和平移驱动)，从而实现叶片5的完全扫描。

根据本发明的一个特定方面，测量模块2B朝向第二面F_B定向，以使得激光束相对于切向轴线X以10到45度(例如30度)的角度θx且相对于主旋转轴Z以10到45度(例如20度)的角度θz向上倾斜。角度θx和θz尤其取决于待扫描叶片的面的倾斜角度。

相同原理可适用于所述对测量模块2A和2B中的第一模块2A，所述模块2A的激光束必须相对于切向轴线X向下倾斜角度θx以面向对应叶片F_A的前方。

必须注意的是，测量模块对的数目不限于上文说明的实例。在不脱离本发明的框架的情况下，可以设想更大数目(即大于2的数目)或更小数目(即小于2的数目)，这尤其取决于叶片形状的复杂度、所需测量点的数目和/或所需处理时间和/或本领域技术人员认为适合考虑的其它参数。

图4现在呈现根据本发明的一个特定实施例的呈功能块形式的三维检测装置10的通用特性。

检测装置10包括用于扫描待检测叶片的扫描构件。这些扫描构件具备如上文参考图1进一步描述的激光测量模块和驱动构件。

检测装置10包括用于使用从扫描装置11得出的数据(或测量点)来构建叶片的虚拟三维表示的构件12。为此目的，检测装置10实施用于处理点云和待检测叶片的虚拟三维表示的软件程序。来自模块的数据采用在三维空间中限定的坐标点云的形式。读取所述点所需的时间相对较短(取决于测量模块的数目，在一秒到五秒的时间跨度内获取1个到3千万个点)。一般来说，叶片的单次360度旋转(在需要测量叶片的高度处)足以获取组件的三维构建和尺寸检测所需的所有测量点。

检测装置10包括根据由构建构件12获得的虚拟三维表示来对叶片进行尺寸检测的构件13。检测构件13被配置成提供14至少一个表示叶片的尺寸的量或根据检测构件13的检测结果(符合或不符合规定的尺寸和/或几何公差值等)接受或拒绝经受检测的组件的一条信息。

此类检测装置可以容易地集成到生产线中。

因此，根据本发明的装置使得能够对飞行器的涡轮叶片，且更一般来说对能够具有不同形状和尺寸的涡轮机，进行自动、完整且非接触式的检测。

最后，为了确定叶片的主轴线的位置，检测装置1可以提供一个或多个额外测量模块4A、4B、4C、4D的存在，所述一或多个额外测量模块相对于框架7固定地设置且垂直于固持臂6A和6B。这是通过启动用于旋转和平移驱动叶片5的构件，以便在整个轮缘处且在给定高度处扫描固持臂6A和6B的相应表面而获得的。

Claims (4)

1.一种用于对涡轮机的叶片(5)进行非接触式三维检测的装置，所述叶片包括主体，所述主体沿着主轴线(Z)在叶片根部与叶片尖端之间径向延伸且具有限定高度，且包括由前边缘和后边缘端接的第一主面和第二主面，所述装置包括：

用于扫描所述叶片的扫描构件，所述扫描构件包括至少一个第一对激光测量模块(2A、2B)以及相对于所述激光测量模块围绕所述主轴线旋转驱动所述叶片或相对于所述叶片围绕所述主轴线旋转驱动所述激光测量模块的构件，以及相对于所述激光测量模块沿着所述主轴线平移驱动所述叶片或相对于所述叶片沿着所述主轴线平移驱动所述激光测量模块的构件；

用于通过使用来自所述扫描构件的数据来构建所述叶片的三维虚拟表示的构件；

使用所述构建的三维虚拟表示进行尺寸检测的构件；

每对激光测量模块包括朝向所述叶片的所述第一主面(F_A)定向的第一激光测量模块(2A)和朝向叶片的所述第二主面(F_B)定向的第二激光测量模块(2B)，其中

每个激光测量模块包括相对于所述主轴线且相对于所述叶片的切向轴线(X)定向的激光束发射源和定向成拾取来自所述叶片的所述激光束的激光束接收器，所述第一激光测量模块定向成其激光束相对于所述第一主面向下倾斜，所述第二激光测量模块定向成其激光束相对于所述第二主面向上倾斜，其中所述切向轴线(X)是在所述叶片(5)上的测量线层位处与所述第一主面和所述第二主面相切且与所述主轴线(Z)正交的轴线；

所述激光测量模块相对于所述叶片定向，以使得：

在所述激光测量模块或所述叶片围绕所述主轴线旋转期间，所述激光测量模块在所述叶片的整个轮缘上扫描所述叶片的所述第一主面和所述第二主面，且

在所述激光测量模块或所述叶片沿着所述主轴线平移期间，所述激光测量模块在整个高度上扫描所述叶片的所述第一主面和所述第二主面；

所述扫描构件还包括至少一个额外的测量模块，所述至少一个额外的测量模块垂直于所述叶片的至少一个固持臂，所述固持臂沿主轴线延伸并与旋转和平移驱动构件以如下方式配合：

-在旋转期间，所述至少一个额外的测量模块在轮缘上扫描所述固持臂的表面，并且

-在平移期间，所述至少一个额外的测量模块以给定的高度扫描所述固持臂的表面，

构建构件考虑由至少一个额外的测量模块确定的主轴线位置测量值，

其中所述至少一个固持臂包括两个竖直固持臂，其将所述叶片沿着所述主轴线固持在框架内以待检测，其中所述两个竖直固持臂安装成相对于所述装置的框架围绕所述主轴线可旋转地移动并且相对于所述装置的框架沿所述主轴线平移移动。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述激光束相对于所述主轴线以10到45度范围内的第一角度且相对于所述切向轴线以10到45度范围内的第二角度定向。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述用于旋转驱动的构件与所述用于平移驱动的构件同时或依次启动。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述激光测量模块具备线型激光发射源。