航空发动机叶片型面检测技术研究 4000字 100元.doc

航空发动机叶片型面检测技术研究1 引言在航空发动机中，叶片型面的复杂程度非常高，尺度跨度大，而且承载也比较大。叶片的工作性能受到其几何形状和尺寸的直接影响，当叶片型面的质量较差时，发动机惠承受二次流损耗，进而影响能量转换效率1。由于航空发动机的叶片型面不仅极其复杂，宽度比例非常大，而且其承载能力也比较强。航空发动机的叶片型在工作中所发挥的性能可能会因为它的形状和尺度比例而受到最直接的影响，如果叶片型面属于劣势质量，那么它的发动机所承受的耗损将会影响到能量的转换功效1基于此，在进行叶片型面制造时，要对质量十分的注重，通过检测技术的有效应用，提升叶片型面制造的质量，并保证航空发动机的性能。在这样情况的基础之上，对叶片型进行制造的过程当中应该要特别注意对质量的保证，经过有效的应用检测技术和对叶片型面制造质量的提高，同时也要保证航空发动机的特别性能。2 UG及二次开发语言简介使用的建模软件为 UG NX6.0，UG 全称为 Ugigraphics，是目前国际国内在面向制造业中广泛应用的先进大型 CAD/CAE 集成软件其中之一。UG 功能强大，内容丰富，有许多通用模块和专用模块，被应用于新产品概念，工业设计，机械设计及数字化制造和工程仿真等方面。UG 和二次开发语言的简要介绍当中，特别指出UG NX 6.0是长期使用的一种建模软件，它的全称是Ugigraghics，成为当前国内外在目前制造业中广泛应用的型面，也是最先进大型CAD/CAE的集中形成软件中的一个。UG具有大量的专用模块和通用模块，其包含的内容丰富，功能性非常强，成为当前的新产品系列之一，属于工业设计、机械设计、数字化制造以及工程仿真等一系列方面。UG 不仅有强大的造型功能，而且也拥有很全面的二次开发工具，并在 UG 系统应用程序的基础上，实现了用户或第三方软件开发者使用此工具与 UG 系统的完美集成，使 UG 的应用更加方便全面。UG/Open 是 UG 系列开发工具的合称，主要有以下四个部分：UG/Open GRIP,UG/Open MenuScript, UG/Open UIStyler, UG/Open API. UG在制造型面上不仅具有较强的造型功能，而且具有全面的二次开发型面的模具，UG不仅实现了客户或者说是第三方软件开发者使用此工具和UG系统的有效形成，其建立在基本应用系统的基础之上，能够有如此强大能力使得UG应用更广泛、更方便。 UG系列开发器具的全称是 UG/Open，分别是如下四部分组成:UG/Open GRIP,UG/Open MenuScript, UG/Open UIStyler, UG/Open API. 其中，UG/Open API 是 UG 提供的一系统函数与过程的集合，通过调用这些函数，可以方便的访问 UG 图形界面，文件管理器以及数据库。并可以对模型进行编辑，构建，建立装配体，创建工程图等。UG/Open MenuScript 可用于创建和编辑 UG 的菜单和工具栏，并含有一个菜单栏报告工具，为用户查看并诊断菜单错误。UG/Open UIStyler 为开发者提供强大的可视化制作的对话框，并支持自动生成对应于对话框的 C 语言文件。其中，这部分UG/Open API为UG通过对一些函数和过程的集合的调动，为了更方便对UG的图形界面的访问，更有效的管理文件管理器和数据库。而且也能够对模型进行有效的处理和编辑，从而建立装配体和创建一系列工程图等。UG/Open MenuScript具有创建和编辑的功能，能够为UG的创建或编辑菜单和工具栏，同时也含有一个菜单的报告工具栏，给用户检测和判断菜单的错误报告。开发者研究可视化制作的对话框UG/Open UlStyler，而且能够自动生成C语言文件的对话框。UG/Open GRIP 是一种方便灵活而又功能强大的图形编程语言，通过 Grip语言，用户可以完成在 UG 图形界面下的任何一种操作，包括调用曲线，曲面及实体，创建模型，还可以对数据库进行操作。Grip 具有十分强大的交互功能，不必编写繁琐的代码去制作交互的界面，只需调用人机交互函数即可实现对 UG 系统的操作。 本文就利用UG/Open GRIP对已建立的叶片模型进行测量点获取，使用方便，功能强大，非常适合于叶片这类复杂曲面的研究。UG/Open GRIP 图形编程语言，不仅具有便捷的功能，而且其功能十分强大，能够经过Grip语言能够帮助用户完成UG图形界面下的所有编程和操作，其中包含对曲线的应用，构建模型和对数据库编程直接操作。Grip最便捷的方式之一就是不用写大量繁琐的代码去制作页面，因此它具有非常强大的交互性功能，只需要利用相应的交互函数就能够对UG进行基本的操作。本论文主要是采用UG/Open GRIP来获取叶片模型的测试点，其功能方便且强大，应用于叶片模型这一实验中非常适合。3 叶片型面模型的建立通过 UG 建立叶片模型是通过 UG 提供的自由曲面建模功能，先采用样条曲线在 Z 轴上间隔建立叶型截面线，相邻叶型截面线之间有一定的扭转角度，然后使用 UG 的通过曲线建立曲面功能，将各个叶型截面用平滑的曲线连接并在外部构造平滑曲面。如下所示的叶片模型. 首先将叶片模型通过UG可过得自由曲面的一种叶片建模功能，经过采取相似的曲线分别建立不同的叶型截面线，而且附近相邻的两个叶型截面线之间会出现适当的旋转角度，再利用曲线建立曲面的基本操作功能，为不同的叶型截面利用滑顺的曲线连接，从而可以构成平滑的外部曲线。可由下图所示的叶片模型:对于叶片测量坐标系的建立，依据中国航空工业部标准中的定义，叶身坐标系的 XOY 平面选为通过发动机轴线的水平面，X 轴可以定为行于平均弦线或平行于发动机轴线，由前缘指向后缘的方向为 X 轴正向，若 X 轴不与发动机轴线平行，则它与发动机轴线的夹角应圆整到度，Z 轴定为垂直于发动机轴线，可以不与发动机轴线相交，并以发动机半径增大的方向为 Z 轴的正向，Y 轴正向的确定就依据右手法则，由Z X的方向来确定。对于图中的模型，我们的 Z 轴正向为叶片叶根部分指向叶顶部分，这样建立坐标系对于后面截面线的获取及测量点的获取比较方便，可以直接以平行于 XOY 的平面去截叶片模型得到截面线。 根据建立的叶片测量的坐标系，中国的航空工业部所定义当中的标准平面和叶身坐标系在水平面上将XOY 平面作为发动机轴线水平面。分别是根据前缘方向偏向后缘的方向为X轴的正方向，可将其定义为平行于发动机的轴线。如果X轴不能够和发动机的方向达到平行的高度，那么其和发动机的夹角会成为一个圆或者是倾斜得有度数显示。Z轴是与发动机垂直的轴线，可能会不相交，与发动机增加的方向会成为Z轴的正面方向；Y轴是按照右手法则来确定。按照图中所显示的模型，Z轴正向是叶片叶根部分的最顶端，建立这样的坐标系能够有效的、准确的测量需要获取的信息，同时，最直接的方法就是，用平行于XOY的平面来得到截面线。3.1 测量路径的规划 现在市场上有很多成熟的叶片处理软件，可以对叶片测量数据进行相关处理后提取各个叶片截面参数，如海克斯康的 BLADE 软件包，这些软件所采用的方法是等高法测量叶片型面，也就是等 Z 法，即在垂直于 Z 轴的方向上，用截面去截叶片模型，得到一系列的测量点，也叫等截面法。这对路径规划的原则是将测量路线控制在一个截平面内，便于对叶片线轮廓度误差进行控制。因为对叶片型面的控制最终会由对叶片线轮廓度的控制过渡到对叶片型面面轮廓度的控制。现在之所以首先对叶型的线轮廓度进行控制，是因为根据航空工业部 HB5647-98的标准中规定，叶片型面的公差都是在一个截平面图内进行控制的。一方面是因为现在叶片造型的理论基础数据在图纸中是以截面线的方式给出的，另外，这样规划的另一个方便之处在于可以方便的使用样板法对叶型进行型面轮廓的测量，当然，随着三坐标测量技术的不断发展，对叶片型面的测量最终会由控制叶片截面的线轮廓度过渡到控制叶片的型面面轮廓度2。如今的社会市场上，越来越多的叶片处理软件出现，将成熟叶片处理之后，成熟的叶片软件能够成为测量数据的参数，例如BIADE海克斯康的软件包，都采取了超好的测量叶片型面，相当于Z法，就是图中所示为两种测量路径规划方法，一种是等高法测量路径，一种是流道线法规划测量路径，等高法将测量路径规划在一个沿 Z 轴分布的截平面内，且截面线要包括整个叶片从叶根到叶顶部分，均匀分布。图中 b 是流道线法规划测量路径，其规划原则是指将叶片工作时，气流经过叶片型面的近似路线作为测量路径，这种方法对于描述叶片型面的面轮廓度具有更好的意义，可以更好的描述叶片的型面误差，而且这样规划测量路径时，如果有个别测量点偏离了原测量路线，不会对叶片面轮廓度误差造成影响，而等高法中要求测量数据必须在同一个平面内，这样的要求对于三坐标测量机来说略有困难，不易实现。但由于我们需要对叶片的截面线轮廓度误差进行相关计算，所以将按照等高法来规划测量路径。并且每一条测量路径分为叶盆，叶背，前缘，后缘四条测量线。测点的分布将在下面中介绍，我们所使用的弦高公差法进行测量点的获取，基于测量线是各处曲率不同进行测量点分布。由于前缘和后缘曲率大，测量点较为密集，叶盆和叶背曲率小，测量点较为稀疏。3.2 叶型截面线获取 在上述已建立的叶片模型基础上我们进行测量点的提取，即通过在模型中插入一组与 XOY 平面平行的平面，这些平面与叶片模型在型面产生一系列交线，这些交线就作为理论测量点获取路径。上图所示为叶片截面获取示意图，由于在坐标系的建立中，Z 轴与发动机轴线垂直，因此，Z 轴的方向是由叶根指向叶顶的，为评价叶片的截面参数，我们需要利用等高法来获取测量点，即沿 Z 轴以一定步距移动，得到多个垂直于 Z 轴的截平面，利用此截平面去截取叶片得到一系列等高法截线，在这些截线上取点即为我们所要求的测量点。在 UG 的模型中应用如下所示：首先，我们先建立一个平行于 XOY 平面的截面，它与基坐标系在 Z 轴方向上的距离自主设定，在我们接下来的研究中，会间隔 10mm 获取多个叶片截面，以全面的对整个叶片进行型面检测，提取各个参数进行质量检测。接下来，选择UG 的 Intersect 截面线获取功能，便得到了所建立截面与叶片模型的交线。具体实施过程为：InsertCurve from BodiesIntersect，之后分别选择截平面与叶片叶背型面即可。同样，另一面的交线也如此获得，以及前，后缘的截面线。3.3 叶型截面测量点的获取 接下来，对已得到的叶型截面线进行点集获取，利用 UG 二次开发语言 UG/Open GRIP 对截面线进行测量点的采集。 在 GRIP 语言中，有四种生成点集的方法，分别为弦高公差法，等参数法，等弧长法和给定弧长法，四种方法中，弦高公差法对精度控制有较好的优势，而且可操作性强，本文就采用弦高公差法对截面线进行测量点的采集。 弦高公差法生成点集的命令语句为：CPSET/CHORD，obj,tolerance,results.其中，obj 表示一条线实体，tolerance 表示弦高公差，results 是存放最后生成点集的数组。该方法的关键就在于 tolerance 这一参数，它决定了点集的生成数量，也决定了最后叶片的精度。其原理如下图所示：弦高公差是指两个相邻采样点之间的连线到两点间曲线的最大距离，原理就是基于曲线曲率的大小来决定测量点的疏密程度。在曲率大的地方采样点密集，曲率小的地方采样点稀疏3。并且，弦高公差的值决定测量点的数量，公差值越小，测量点数越多。弦高公差的设定依据检测精度的要求和操作者的经验来决定4。 通常一个截面由多个线实体组成，如一个叶型截面由叶盆，叶背，前缘和后缘四个部分组成，在进行点集处理时，要分段处理。应用到叶片模型中如下所示， 首先，选择截面线，如下图所示：然后在弹出的对话框中输入弦高公差进行测量点集的获取，如下图所示：最后得到数据点集，通过文件选项中的保存选项即可得到一条线实体所生成的点集在模型坐标系下的数据测量点。至此，我们便得到了截面线上的测量点点集，分别对叶型截面的叶盆和叶背进行相同的测量点获取方法，我们便得到了叶型截面上完整的数据点集，以进行下一步的截面参数提取。4 测头半径补偿 在用三坐标测量机测量叶片型面时，我们得到的数据点坐标值并不是型面表面与测头接触点的坐标值，依据 REVO 测头的测量原理，返回到上位机软件界面上的坐标值是测球中心点的坐标，所以为了得到我们实际想要的叶片型面数据，需要对已得到的数据点进行测头半径修正，即测头半径补偿。理论测点与实际测点的不一致是由包络现象产生的，在测量中，叶片型面曲线可视为测头运动的包络线，而曲线族则是测头运动所形成的圆族，而这些曲线族的球心轨迹曲线对叶片型面形成的包络线之间的几何关系如下图所示1：图中，包络线为 C，球心曲线为 L，球心坐标 O 对应于包络线上的测点为 P，设 P 点处的法矢量为 n,则 n 一定会通过球心点，所以球心点 0 与对应测量点 P之间的距离即是测头半径 r，每一个球心点 O 是由包络线上的瞬时测量点测法线方向移动一个测头半径得到的点，而球心轨迹曲线就是包络线上每一点沿法矢方向移动一段距离 r 所得到点的轨迹，所以球心轨迹曲线与叶型表面被测曲线是等距的，距离为半径 r. 设球心曲线 L 的方程是 r=r(s) a（s）,a 是两曲线之间的距离，即测头半径的值，（s）是公法矢，则被测曲线 C 的方程是 r=r(s).对于（s），当被测面位于球心轨迹面法矢所指向一侧时，取“+”，反之取“-”。 由于测头测出的叶型表面数据是离散的，不能求导，所以需要对离散的测量数据进行曲线拟合，得到可以求导的球心样条曲线，求出球心点处的法矢量，进而求得叶型表面曲线方程。 在对离散数据进行拟合时，作为逼近工具的函数应该具有