航空發動機葉片幾何形狀復雜、尺寸跨度大、加工精度要求高等特點決定其成為了航空發動機中加工制造的難點，同時也對航空發動機葉片加工質量檢測精度和檢測效率提出了更高要求。航空發動機葉片檢測技術已逐步從定性檢測到定量檢測，從接觸式檢測到非接觸式檢測，從傳統手工檢測到自動數字化檢測，從二維比對檢測到多自由度組合檢測，從單一規格大批量檢測到多規格小批量檢測。航空發動機葉片質量檢測方法眾多，如標準樣板法、自動繪圖測量法、光學投影測量、電感測量法、坐標測量法、激光測量法、機器視覺測量法等，其中，三坐標檢測憑借通用性強、重復性好、穩定性強、檢測精度高等優勢在航空葉片制造企業中被廣泛應用，但此種方法要求測量時處于恒溫環境下且采樣效率較低。本文將介紹和評析航空葉片三坐標自動測量研究現狀和發展趨勢，并基于三坐標測量機(Coordinate Measuring Machine，CMM)提出一種改進型航空葉片自動測量與控制系統。

1  葉片三坐標自動測量研究現狀

(1)基于CAD數模的自動測量

基于CAD數模的三坐標測量是產品設計、加工、測量一體化進程中的重大突破。CMM的測量能力和可操作性在很大程度上取決于測量軟件的功能，測量軟件決定了CMM可采用的測量方式以及應用范圍。目前很多葉片測量軟件都具備基于CAD模型脫機編程功能，比如海克斯康PC-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可實現基于CAD數模的葉片自動測量，待測點的分布和采集、測量路徑優化及測量程序生成是自動測量中的關鍵問題。楊雪榮等結合ARCO CAD測量軟件，實現了對基于CAD數模零件進行自動測量；周保珍等基于UG CAD提出了沿待測點矢量方向測量的方法，并給出了自動生成DMIS測量程序的方法步驟；劉勇等在前人的成果上基于UG CAD數模給出了葉片自動測量路徑規劃系統的操作流程；S.G.Zhang等基于CAD數模特征，在CMM平臺上設計了一套檢測過程規劃原型系統，能極大減少判斷探針方向的時間；Hui-Chin Chang等基于汽輪機葉片CAD數據庫，系統通過簡單三角函數計算在短時間內能自動生成無碰撞檢測路徑，并輸出DMIS格式文件。

在對三坐標測量系統進行研究總結后，測量程序生成方法主要有以下幾種：

①脫機編程。此方法根據待測件的幾何特征和公差要求，用DMIS語言手動編寫測量程序，以指導CMM自動測量。但此方法對操作人員專業水平要求較高，編程所需時間長。

②自學習編程。此方法適合沒有CAD數模和設計圖紙的情形下，操作較為簡單便捷，適合產品大批量測量。在手動測量一次后，三坐標測量軟件系統會自動記錄測頭運動和操作并保存為測量程序，對相同批次的產品可實現自動重復測量。但此時測量軟件需要與CMM聯機才能完成程序的編制，CMM其他任務將會被占用。

③自動編程。此方法將CAD數模導入到CMM測量軟件中，將工件坐標系(即測量坐標系)與理論坐標系進行對齊后，檢測員基于CAD模型進行測量路徑規劃，測量軟件系統按照GD&T設計要求，自動生成DMIS程序，動態虛擬模擬路徑無誤后自動保存。也可利用三維軟件二次開發功能、C#編程語言或VB編程語言等工具，根據三維軟件生成的測量前置文件(包含測量點信息和測頭信息)開發格式轉換程序，直接生成DMIS格式文件，大幅提高測量效率。

在無圖紙的情況下實現葉片的批量測量，可基于光學掃描儀完成葉片初始點云數據的采集，然后利用Geomagic Design Direct設計軟件進行逆向建模，獲取初始CAD模型，并導入PC-DMIS測量軟件中，以引導CMM進行測量路徑自動規劃。基于CAD數模的交互自動編程較手工編程而言，效率更快、更清晰直觀、方便驗證，而且也便于對測量點進行采集和編輯。目前，基于CAD數模自動測量已被國內外先進的CMM測量軟件普遍采用。

(2)自動定位夾具

目前，由于航空葉片形狀復雜且規格繁多，檢測時并沒有與之兼容的通用定位夾具。國內很多航空葉片制造企業基于三坐標檢測普遍都采用簡單支撐固定的方式，以降低制造成本，而且每次只能對單個葉片進行測量，每次都需要對待測葉片進行裝夾和粗定位，導致葉片檢測效率極低。

針對以上難點，不斷開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化測量提供保障。定位件和夾緊體位置靈活可調，一套柔性相變材料夾具能裝夾一定尺寸范圍內任意形狀的零件。但該夾具存在準備周期長、剛性不足、手工操作繁瑣等問題，同時，仍只能對單一葉片實現定位夾緊，在提升檢測效率方面效果并不顯著。容器里相變材料反復進行固液態兩相變換，膨脹和收縮不可避免，勢必影響到夾具的裝夾精密度和穩定性。

陳林等設計了一套葉片測量氣動專用夾具，利用榫根底面、側面及內徑相面進行6點定位并對底平面實現磁力夾緊，有利于實現葉片測量自動化。該套夾具具有剛性強、定位精準、操作簡單等特點，但對于具有軸頸型榫根或樅樹型榫根的葉片無法實現固定支撐，且仍只能對單一葉片進行測量。

通過研析現有文獻和對葉片企業的實地調研，針對航空葉片夾具設計提出參考規則：①夾具在對工件進行裝夾時，能保證工件位置的正確性；②基于某一特征，夾具可對同一規格葉片進行多片裝夾定位；③夾緊操作不能損傷葉片；定位要可靠；夾具系統穩定性強，操作簡便快速；④使用三坐標測量機進行測量時，夾具必須保證探針對于待測葉片的空間可達性且不發生碰撞；⑤夾具應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量結果。

(3)自動測量系統

當前，國內很多葉片加工企業在檢測環節沒有實現模塊化和系統化，特別是在信息共享和自動控制方面能力不足。具體表現在：①測量數據過度離散化，可追溯性較差；②測量過程人機交互多，自動化程度低；③工序質量控制能力弱，產品報廢率高。

在工業4.0智能制造的大背景下，海克斯康集團推出了自動化、智能化的測量系統。整個自動化測量系統分為幾個物理單元：三坐標測量機、自動控制系統及管理軟件、料架系統、零件識別系統、機器人系統、機器人外圍系統及安全防護系統。通過信息系統把各單元串聯起來，形成有效的集成單元，對測量信息高效管理，并對工序過程進行有效的數據反饋，明顯提升生產效率。

智能化作為自動化的高級應用，智能測量系統在工業4.0中扮演重要角色，雷尼紹公司推出搭載第二代REVO多傳感器五軸測量系統的大型龍門式三坐標測量機有如下特點：①分辨率提高近20倍；②可加載不同的測量模塊；③不僅可以測量大工件大尺寸，也可以測量大工件小尺寸；④采用螺旋掃描，采集點的效率高。

(4)葉片三坐標自動測量發展趨勢

三坐標測量技術的不斷發展促進了測量行業的進步和變革，也對三坐標測量技術提出了更高要求。在航天航空領域，面向智能制造的高精度動態實時測量技術和飛機大尺寸數字化測量關鍵技術不斷被討論和研究，其中航空葉片三坐標測量技術的研究方向主要是：①自動化、智能化；②實時監控、可視化；③高速、高精度、高穩定性。

2  葉片自動測量夾具設計

(1)葉片檢測現狀

以葉片的葉型測量過程為例，無錫某航空葉片企業的檢測過程需要的人機交互操作較多，如待檢葉片信息的輸入，待檢葉片的裝夾及粗定位、抽調對應的測量程序、PDF文件名及保存路徑的輸入等，該企業現有檢測流程如圖1所示。

圖1  現有葉型檢測流程

在檢測過程中，若沒有及時的人機交互，CMM就會停機等待操作指令。由于該檢測流程僅面向單個葉片，檢測效率極其低下，根本無法滿足正常的葉片檢測需求。

針對上述實際問題有以下解決方案：①增加三坐標測量機以及檢測人員數量；②增強企業葉片數控加工系統的可靠性；③引進全過程自動化在線控制檢測系統；④優化葉片現有三坐標測量機夾具。

方案①中通過增加檢測設備和人力投入顯然不符合企業低成本的要求，在設備維護和人員管理上也會耗費巨大；方案②雖然可以改善葉片加工穩定性和精度，減少了葉片檢測的任務量，但對于中小型企業來說，短期內很難突破關鍵技術瓶頸，對企業資金能力、技術能力、檢測環境等都提出了更高要求，實施難度大；方案③為目前先進的自動化檢測技術，可以實現100%檢測并實現零廢品率，一定程度上可以降低生產成本，但中小型企業生產規模小，一次性投入太大；方案④是建立在現有設備和人力不變的情況下，通過優化葉片檢測夾具來實現葉片測量效率的提升，顯然這個方案更加適用于中小型企業。通過對該企業CMM檢測過程的實地調研，來找到最合適的解決方案。具體改進后的葉片葉型檢測流程見圖2。

圖2  改進后葉型檢測流程

通過電子掃描槍對該待檢測葉片工序流轉卡進行掃描獲取葉片ID號，系統自動在產品工藝數據庫中根據葉片ID號檢索相關加工工序信息。選擇檢測對應工序名后，系統自動從該數據庫中檢索對應工序的測量程序文件地址，從FTP服務器下載測量程序到Calypso測量軟件指定文件夾，并保留待檢測葉片相關信息至指定文本文件作為該葉片自動保存地址。運行Calypso軟件并調取對應測量程序，葉型測量完成后調取Blade Pro分析軟件的同時運行自動保存應用程序，該應用程序捕捉到系統保存窗體的彈出并獲取文本文件中保存地址和名稱，實現測量報告的自動命名和保存。生成的PDF文件自動上傳到FTP服務器，作為該企業的工藝資料儲備。生成的TXT文件經過自動轉換后導入MySQL工藝數據庫，可實現測量數據的精確查詢和SPC分析。對于在可控范圍內的測量數據，在逆向工程中進行特征數據提取實現葉片三維建模，以指導無圖紙工件進行CMM測量路徑規劃，并生成測量程序完成自動化測量。

(2)自動測量夾具方案

由于該企業三坐標測量機葉片專用夾具一次只能對單一葉片進行裝夾定位，針對燕尾型榫根葉片葉型測量，提出一種多片自動測量專用夾具，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個楔形塊結構的矩形軸組成，單元結構如圖3所示。

圖3  夾具單元結構

該夾具能實現9片葉片聯裝聯測，由原本單個支撐工位線性地擴展成9個聯測裝夾工位。該工裝夾具利用蔡司Calypso和PDFFactory配合連續測量，并最多保存9份檢測報告，緩解企業CMM檢測能力不足和效率低下的問題。

采用兩個定位銷釘和一個緊固螺釘連接夾具體與基座；9個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副，并帶有9個楔形塊，楔形塊和夾緊塊配合形成滑動副。

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，限制了榫根5個自由度；用定位銷釘對榫根側面進行定位，限制了榫根1個自由度；通過啟動氣缸推動矩形軸移動，從而使楔形塊推動夾緊銷釘向上移動，實現對9片葉片同步進行裝夾。單個榫根裝夾圖如圖4所示。

圖4  單個榫根裝夾

以榫根楔形面的中分面(即通過發動機輪轂盤軸線的徑向面)工件測量坐標系的XOZ平面，以給定值來確定XOY平面和YOZ平面，以此建立工件測量坐標系(見圖5)，且該坐標系與建立CAD數模的理論坐標系保持一致。

在對9片葉片進行檢測路徑規劃時，只需要在DMIS文件中在第一片葉片工件坐標系基礎上連續偏置一個固定值即可得到其他葉片的工件坐標系。

該夾具具有以下特點：①定位裝置尺寸鏈短，對測量精度影響較小；②多葉片可同步裝夾和拆卸，實現批量測量；③采用氣動夾緊，實現自動夾緊測量。

圖5  建立葉片工件坐標系

小結

本文對航空葉片自動化測量技術研究現狀和發展趨勢展開論述，總結了基于CAD數模的檢測路徑規劃方法和DMIS文件生成方法和自動測量夾具設計基本準則，結合相應實例對葉片自動檢測系統未來趨勢做了總結闡述，并針對某航空葉片企業實際情況給出了相應解決方案，提出了改進型葉型測量夾具，極大提高了檢測效率。

原載《工具技術》  作者：吳志昊