CN114322830A - 一种复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂空心涡轮叶片内腔‑外形同步在机检测装置及数据处理方法，检测装置包括标准连杆，标准连杆内设有异形空腔，异形空腔内设有外形检测组件，外形检测组件的前端设有内腔检测超声组件。检测装置沿着法向量n(i，j，k)运动至被测涡轮叶片17(X，Y，Z)处，可得外形偏差信息e和壁厚检测信息d；则外形真实数据(X’，Y’，Z’)为：(X′，Y′，Z′)＝(X，Y，Z)+e·(i，j，k)；内腔真实数据(X”，Y”，Z”)为：(X″，Y″，Z″)＝(X′，Y′，Z′)‑d·(i，j，k)。可在机实现空心涡轮叶片的内腔与外形的同步检测，避免内腔‑外形二次测量误差和法矢偏差所带来的检测误差，提高检测效率和精度，为实现涡轮叶片补加工的智能化提供工况下可靠检测数据。

Description

一种复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置及数据 处理方法

技术领域

本发明涉及一种空心涡轮叶片检测技术，尤其涉及一种复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置及数据处理方法。

背景技术

空心涡轮叶片是航空制造业的核心部件，但针对目前精密铸造内腔-外形合格率不足的难题，普遍采用人工打磨等落后方式进行补加工，极大地影响了我国空心涡轮叶片的加工质量。因此，在航空领域智能制造的需求下，为替代人工打磨实现工况环境下加工过程的智能化，必须先对精密铸造涡轮叶片的内腔和外形进行高精度、高效率检测。

目前，工业CT层析与3D激光扫描融合测量法虽可以获得内腔-外形数据，但测量效率较低、测量成本极高，且由于辐射防护等限制无法在工况环境中得到应用；

工况环境下精密铸造涡轮叶片的内腔检测常用超声脉冲反射法，但仅能获得内腔壁厚数据，而并不能获得内腔形状数据。而外形检测常用接触式触发测量法。但同时采用以上两种方法时，不可避免地存在二次检测效率不高、重复装夹误差较大、沿法矢检测精度不足等问题，造成内腔-外形检测效率、精度未能满足空心涡轮叶片智能制造的要求。

现有技术一，超声脉冲反射法：

中国专利：一种单晶空心叶片壁厚超声波检测方法，西安航空动力股份有限公司2015.12.02公告号：CN102927935B，李泽，董瑞琴，何喜。

首先制作检测专用模板，并用检测专用模板在叶片上标出检测点,将各个测量截面上处于同一晶体生长方向上的待测点连成直线,并将所述直线延伸至叶尖,利用单晶材料沿其生长方向上声速大致相同的原理,采用游标卡尺测出待测点沿其生长方向上叶尖部位的壁厚,通过仪器测出待测点沿其生长方向上叶尖部位的声速,进而获得各待测点的声速,最后将各待测点的声速输入测厚仪,就可测的各待测点的壁厚值。采用该检测方法具有较高的检测精度,精度可到0.03mm,并且检测时间较工业CT时间缩短2/3,因此该检测方法具有检测精度高,检测效率高,检测结果可靠的优点。满足生产要求。

现有技术一的缺点：

超声脉冲反射法仅能获得壁厚数据，且对外形-内腔法矢极为敏感，极易找不到被测点壁厚的准确位置，为弥补这一精度，需要反复检测造成效率低。

现有技术二，接触式触发测量法：

中国专利：用于涡轮叶片叶型测量的测头及三坐标测量仪，中国航发南方工业有限公司2021.06.18公告号：CN109341632B，彭真包超君胡兵等。

接触式触发测量法已被广泛地用于叶片的外形尺寸检测，其用于涡轮叶片外形测量的测头，包括测量杆和测量球头，测量球头处于测量杆的端部，且测量球头的球心处于测量杆的中轴线上，测量球头的外形呈球形，测量杆中轴线与测头前端的测量球头球形面的接触点即为测量球头的球形顶点，球形的测量球头表面开设有用于在测量过程中避让周边结构以确保测量球头的球形顶点与待测目标的接触位置点接触并重合的局部凹陷构造。使得整个测量结构操作简单，工作效率高，测量精度高，适用于各种型面的涡轮叶片的型面尺寸测量。

现有技术二的缺点：

接触式触发测量法仅能获得外形数据，且对由于实际形状与理论模型必然存在的外形差异所造成的法矢方向偏差同样敏感，需要迭代进行测头半径补偿，造成测量效率不足。

现有技术三，工业CT扫描与3D激光扫描融合测量法：

基于逆向工程的涡轮冷却叶片三维建模及数值模拟；热能动力工程；2021,36(6):6；刘言明,李东明,牛夕莹,等。

在机下利用3D激光扫描技术对涡轮叶片外轮廓进行采集，利用工业CT(Industrial Computerized Tomography，即工业计算机X线层析扫描技术)，对涡轮叶片内部结构进行扫描，然后基于基准对齐实现内腔-外形数据的融合。

现有技术三的缺点：

目前，工业CT层析法可以获得内腔数据，但其测量效率较低、测量成本极高。同时，采用3D激光扫描获取外形数据后，需经过误差敏感性较高的基准对齐操作，极易产生内腔-外形数据的基准不统一，影响测量精度。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置及数据处理方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置，包括标准连杆2，标准连杆2内设有异形空腔3，异形空腔3内设有外形检测组件，所述外形检测组件的前端设有内腔检测超声组件。

上述的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置的数据处理方法，其特征在于：

所述内腔-外形同步在机检测装置1通过标准连杆2与机床标准刀柄16连接，由机床控制进行指定空间运动，使得测针9沿法向量n(i,j,k)运动至指定坐标值下与被测涡轮叶片17外形接触；

上述过程中，所述导杆7受接触力，沿着内腔-外形同步在机检测装置1轴线移动，并压缩复位弹簧5，玻璃光栅4在异形空腔3内做直线运动，通过LED光源14和CMOS传感器15读取玻璃光栅4刻度获得外形偏差信息e；

所述超声传感器10通过树脂等粘剂固定于测针9凹槽内，测量开始前耦合剂通过耦合剂入口10进入测针9与被测涡轮叶片17外形接触缝隙，由超声传感器10获得壁厚检测信息d；

其中，下限位块12、上限位块13决定了导杆7的直线运动行程，测量完成后，由复位弹簧5实现导杆7恢复至不受接触力状态；

根据获得的外形偏差信息e和壁厚检测信息d得到外形真实数据和内腔真实数据。

与现有技术相比，本发明所提供的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置及数据处理方法，可在机实现空心涡轮叶片的内腔与外形的同步检测，避免内腔-外形二次测量误差和法矢偏差所带来的检测误差，提高检测效率和精度，为实现涡轮叶片补加工的智能化提供工况下可靠检测数据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置的外形图

图2a、图2b分别为本发明实施例的内腔-外形同步在机检测装置A-A剖面图与B-B剖面图

图3为本发明实施例的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置工作图

图4为本发明实施例的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测数据处理图

图中：

1、内腔-外形同步在机检测装置，2、标准连杆，3、异形空腔，4、玻璃光栅，5、复位弹簧，6、直线球轴承，7、导杆，8、耦合剂入口，9、测针，10、超声传感器，11、超声传感器线缆，12、下限位块，13、上限位块，14、LED光源，15、CMOS传感器，16、机床标准刀柄，17、被测涡轮叶片。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置，包括标准连杆2，标准连杆2内设有异形空腔3，异形空腔3内设有外形检测组件，所述外形检测组件的前端设有内腔检测超声组件。

所述外形检测组件包括导杆7，所述导杆7通过直线球轴承6安装在所述异形空腔3的内壁，导杆7的前端设有测针9，后端连接有玻璃光栅4并设有复位弹簧5，所述玻璃光栅4上设有刻度，其两侧设有对应的LED光源14和CMOS传感器15，所述测针7的前端设有凹槽；

所述内腔检测超声组件包括超声传感器10，超声传感器10连接有超声传感器线缆11，在所述异形空腔3的前端侧壁设有耦合剂入口8，所述超声传感器10固定于所述测针7前端凹槽内。

所述导杆7的直线运动行程两端分别设有下限位块12和上限位块13。

上述的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置的数据处理方法，所述内腔-外形同步在机检测装置1通过标准连杆2与机床标准刀柄16连接，由机床控制进行指定空间运动，使得测针9沿法向量n(i,j,k)运动至指定坐标值下与被测涡轮叶片17外形接触；

上述过程中，所述导杆7受接触力，沿着内腔-外形同步在机检测装置1轴线移动，并压缩复位弹簧5，玻璃光栅4在异形空腔3内做直线运动，通过LED光源14和CMOS传感器15读取玻璃光栅4刻度获得外形偏差信息e；

所述超声传感器10通过树脂等粘剂固定于测针9凹槽内，测量开始前耦合剂通过耦合剂入口10进入测针9与被测涡轮叶片17外形接触缝隙，由超声传感器10获得壁厚检测信息d；

其中，下限位块12、上限位块13决定了导杆7的直线运动行程，测量完成后，由复位弹簧5实现导杆7恢复至不受接触力状态；

根据获得的外形偏差信息e和壁厚检测信息d得到外形真实数据和内腔真实数据。

数据处理过程包括：

机床控制内腔-外形同步在机检测装置1沿着法向量n(i,j,k)运动至被测涡轮叶片17(X,Y,Z)处，可得外形偏差信息e和壁厚检测信息d；

则外形真实数据(X’,Y’,Z’)为：

(X′，Y′，Z′)＝(X，Y，Z)+e(i，j，k)；

则内腔真实数据(X”,Y”,Z”)为：

(X″，Y″，Z″)＝(X′，Y′，Z′)-d·(i，j，k)。

综上可见，本发明实施例的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置及数据处理方法，可在机实现空心涡轮叶片的内腔与外形的同步检测，避免内腔-外形二次测量误差和法矢偏差所带来的检测误差，提高检测效率和精度，为实现涡轮叶片补加工的智能化提供工况下可靠检测数据。

本发明主要是为了能够同步检测空心涡轮叶片内腔和外形。为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。

实施例1

如图1、图2a、图2b所示，内腔-外形同步在机检测装置1包括：

标准连杆2、异形空腔3、玻璃光栅4、复位弹簧5、直线球轴承6、导杆7、耦合剂入口8、测针9、超声传感器10、超声传感器线缆11、下限位块12、上限位块13、LED光源14、CMOS传感器15组成。

其中，内腔-外形同步在机检测装置1工作图如图3所示，其通过标准连杆2与机床标准刀柄16连接，由机床控制进行指定空间运动，使得测针9沿法向量n(i,j,k)运动至指定坐标值下与被测涡轮叶片17外形接触。

在此过程中，导杆7受接触力，其直线运动与直线球轴承6配合，使得导杆7沿着内腔-外形同步在机检测装置1轴线移动，并压缩复位弹簧5。玻璃光栅4与导杆7固定连接，在异形空腔3内做直线运动。通过LED光源14、CMOS传感器15读取玻璃光栅4刻度获得外形偏差信息e。

超声传感器10通过树脂等粘剂固定于测针9凹槽内，测量开始前耦合剂通过耦合剂入口10进入测针9与被测涡轮叶片17外形接触缝隙，由超声传感器10获得壁厚检测信息d；

其中，下限位块12、上限位块13决定了导杆7的直线运动行程，测量完成后，由复位弹簧5实现导杆7恢复至不受接触力状态。

数据处理过程如图4所示，机床控制内腔-外形同步在机检测装置1沿着法向量n(i,j,k)运动至被测涡轮叶片17(X,Y,Z)处，可得外形偏差信息e和壁厚检测信息d。

则外形真实数据(X’,Y’,Z’)为：

(X′，Y′，Z′)＝(X，Y，Z)+e·(i，j，k)

则内腔真实数据检测(X”,Y”,Z”)为：

(X″，Y″，Z″)＝(X′，Y′，Z′)-d·(i，j，k)

本发明采用内腔-外形同步在机检测方式，将超声测量叶片壁厚与光栅传感器测量叶片外形结合，在工况下确保检测精度的同时，又能高效快速完成检测任务。避免了内腔和外形分开检测所带来的二次测量误差，有助于提高测量效率和数据的准确性。

本发明采用法矢方式测量内腔-外形数据，避免了法矢偏差所带来的检测误差，提高检测精度，为实现涡轮叶片补加工的智能化提供工况下可靠检测数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置，其特征在于，所述内腔-外形同步在机检测装置1包括标准连杆2，标准连杆2内设有异形空腔3，异形空腔3内设有外形检测组件，所述外形检测组件的前端设有内腔检测超声组件。

2.根据权利要求1所述的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置，其特征在于：

所述外形检测组件包括导杆7，所述导杆7通过直线球轴承6安装在所述异形空腔3的内壁，导杆7的前端设有测针9，后端连接有玻璃光栅4并设有复位弹簧5，所述玻璃光栅4上设有刻度，其两侧设有对应的LED光源14和CMOS传感器15，所述测针7的前端设有凹槽；

所述内腔检测超声组件包括超声传感器10，超声传感器10连接有超声传感器线缆11，在所述异形空腔3的前端侧壁设有耦合剂入口8，所述超声传感器10固定于所述测针7前端凹槽内。

3.根据权利要求2所述的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置，其特征在于，所述导杆7的直线运动行程两端分别设有下限位块12和上限位块13。

4.一种权利要求1、2或3所述的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置的数据处理方法，其特征在于：

所述内腔-外形同步在机检测装置1通过标准连杆2与机床标准刀柄16连接，由机床控制进行指定空间运动，使得测针9沿法向量n(i,j,k)运动至指定坐标值下与被测涡轮叶片17外形接触；

上述过程中，所述导杆7受接触力，沿着内腔-外形同步在机检测装置1轴线移动，并压缩复位弹簧5，玻璃光栅4在异形空腔3内做直线运动，通过LED光源14和CMOS传感器15读取玻璃光栅4刻度获得外形偏差信息e；

所述超声传感器10通过树脂粘剂固定于测针9凹槽内，测量开始前耦合剂通过耦合剂入口10进入测针9与被测涡轮叶片17外形接触缝隙，由超声传感器10获得壁厚检测信息d；

其中，下限位块12、上限位块13决定了导杆7的直线运动行程，测量完成后，由复位弹簧5实现导杆7恢复至不受接触力状态；

根据获得的外形偏差信息e和壁厚检测信息d得到外形真实数据和内腔真实数据。

5.根据权利要求4所述的复杂空心涡轮叶片内腔-外形同步在机检测装置的数据处理方法，其特征在于，数据处理过程包括：

机床控制内腔-外形同步在机检测装置1沿着法向量n(i,j,k)运动至被测涡轮叶片17(X,Y,Z)处，可得外形偏差信息e和壁厚检测信息d；

则外形真实数据(X’,Y’,Z’)为：

(X′，Y′，Z′)＝(X，Y，Z)+e·(i，j，k)；

则内腔真实数据(X”,Y”,Z”)为：

(X″，Y″，Z″)＝(X′，Y′，Z′)-d(i，j，k)。

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