解决方案手册-三维光学扫描赋能两机动力的质量控制

在电力能源和航空航天领域,随着大型涡轮机叶片结构日益复杂、飞机综合性能要求持续攀升,对几何形状与制造精度的要求已变得前所未有的严苛。在此背景下,结构光条纹投影扫描技术凭借其高精度、高效率及全域测量的突破性优势,已成为这些关键装备组件的核心质量检测手段。蔡司的条纹投影扫描解决方案,深度贯穿产品从设计到生产的全生命周期,为各环节提供精准可靠的质量管控,驱动设计迭代进程,提升工艺优化效率,是当前助力能源与航空航天行业实现更高制造标准的关键目录翼型磨削控制 在航空航天领域,民用航空发动机轻量化减重的发展趋势,致使风扇叶片从钛合金材料发展为碳纤维材料。碳纤维具有重量轻、刚性好的特点,其工艺涉及碳纤维铺层、树脂注射及固化、榫根加工、碳纤维前蔡司三维光学测量系统应用于碳纤维风扇叶片的工艺流程中,从碳纤维铺层、榫根加工到最后成品均有覆盖,以确保可靠的质量及检测效率。碳纤维复合材料在航空发动机风扇叶片中应用率高达70%,其比强度(抗拉强度/密度)显著优于金属材料。但各向异性结构导致其对局部缺陷极为敏感,尤其是胶带末端等几何突变区域。胶带末端是碳纤维铺层粘接的终止点,易因工艺应力或热应力产生以下缺陷:·分层与脱粘:胶层与纤维界面因固化收缩或振动载荷发生分离·微裂纹与纤维断裂:应力集中导致树脂基体开裂或纤维束断裂·孔隙与气泡:层压过程中气体残留形成空洞,降低局部强度针对风扇叶片的光学检测,蔡司ATOS条纹投影扫描技术的优势充分发挥,例如前后缘的高分辨率网格获取、快速的检测节拍,表面缺陷检测,全域轮廓分析及翼型参数评价等。由于风扇叶片扭曲度大、叶身较长,蔡司可根据客户的需求进行定制化夹具设计。这类夹具用于风扇叶片的光学检测时,具有无需贴点、装夹快速、定位精度高的特点。同时,同—框架可满足率高达1200万像素,通过ZEISSINSPECT软件中的表面缺陷图,可轻松发现碳纤维胶带末端的质量碳纤维风扇叶片存在三维弯掠造型、厚度渐变、异形榫根等复杂几何结构,同时材料本身易出现分层缺陷、涂层破损等质量风险,对检测精度与过程安全性要求极高。传统检测手段难以适配其复杂形貌与材料特性,在检测效率、数据完整性及缺陷识别准确性上存在明显局限。蔡司条纹投影光学扫描通过非接触式全场测量,实现了从设计验证到维修再生的全流程闭环管控:·针对全域轮廓色差分析·针对特殊翼型构型的参数评价检测,还是翼型参数分析,尤其是针对特殊前尾缘构型的翼型检测,均能胜任。近年来,喷气式发动机向大型化发展,最大风扇直径已达340cm,对结构可靠性与运维精度提出更高要求。发动机在全生命周期运行中,持续承受风压、振动、向心力等重载载荷,易导致叶片性能衰减,直接影响设备稳定性与使用寿命。因此维护和运营部门面临两大核心挑战:—是需要高效经济地检测叶片裂缝与结构损伤,在维护阶段精准识别隐患,保障运行安全;二是需要有效降低由振动引发的运行噪声,同时需获取准确、可靠的振动行为数据,支撑研发部门开展性能优通过ZEISSARAMIS高速三维测试系统,可对成品风扇叶片进行锤击测试,从而获取叶片的三维·通过锤击测试进行振幅分析·进行运行挠度形状分析并识别固有频率对风扇叶片进行锤击时,ARAMIS系统通过振动测试检测风机叶片内部的裂纹或损坏。若存在裂纹,与完好部件的结果相比,固有频率会发生变化。锻造叶片的加工过程包括模具制造、下料、预锻、终锻、切边、磨削前尾缘、精铣榫头和表面处理等环节。尤其在燃气轮机的压气机端,由于叶片弯扭程度大且叶身长短不—,因此对其整个锻造工艺的质量控压气机叶片:冷端部件压气机叶片通常采用锻压成型的方式进行粗加工,因此对模具的质量与精度要求很高,通常需要:·针对模具设计及首件的全域扫描·模具使用后的返修指导分析。基于其三重扫描、蓝光增强及蓝光均衡器技术,可最大化避免外界环境及工件本身材质的影响,从而获取可靠的表面网格数据。结合反投影功能,可以在模具上定位实际修模区域;通过ZEISSZRE软件至少能缩短50%的修模循环迭代时间,从而实现效率最大化。ZEISSREVERSEZEISSREVERSE样品CAD模型进行比对,得到全域偏差,直接反转偏差即可用于模具修正,从而缩短模具返修周期。同时,通过模具CAD模型与实际返修后模具的偏差比对,可进行相互验证,以获取准确信息。移动偏差量反转偏差量偏差量移动偏差量反转偏差量偏差量压气机叶片在锻压成型后,需经过切边与前尾缘磨削加工。如何精准控制切边余量与磨削去除量,稳定保证叶片成品质量,已成为客户在生产过程中持续面临的核心痛点与关键挑战。蔡司ATOS系列测头可满足不同尺寸压气机叶片的过程质量控制需求,具体包括:···均具备追踪、反投影、蓝光增强、蓝光均衡技术·具备三重扫描功能,可提高不同材料表面点云的获取效率·支持与摄影测量系统配合,从而提高扫描精度ZEISSINSPECT软件中设有airfoil翼型检测模块,可通过设置不同颜色区分实际翼型曲线与理论曲线,从而清晰识别前尾缘的飞边趋势。同时,通过翼型检测功能的设置,能得到不同位置的厚度分布,进而指导压气机叶片前尾缘的磨削量。压气机叶片是燃气轮机与航空发动机的核心关键部件,对键特征尺寸,必须执行100%全检,如何在满足高检测精度·自动化测量、检测和报告·VMR虚拟计量室可实现真实模拟·具备安全性概念·灵活测量多种零件·高速吞吐·可靠的测量结果和统计过程控制·适用于工业环境的紧凑型计量系统·完整的—体化解决方案通过集成于产线的ScanBox自动化光学测量系统,可实现压气机叶片的24小时无人值守测量:到站分拣的全流程自动化操作,大幅提高检测效率,同时避免因人工操作导致的质量问题。压气机叶片的应用范围涵盖从燃气轮机到航空发动机,从低压级至高压级,不仅类型多样,尺寸也大小不—。对于同—客户而言,往往需要编制成百上千个程序。ZEISSINSPECT应用程序AirfoilInspection可极大简化操作流程,从而提高程序编制及评价效率。ZEISSINSPECTZEISSINSPECTAirfoil2023.1.0.2523ZeissGOMMetrologyGm格式刷功能,提升编程效率MSA分析,过程能力分析哪些对象可以进行测量哪些对象可以进行测量··单叶片·(风扇、压气机、涡轮叶片)·静子叶环·叶盘·定子/转子、涡轮盘·螺旋桨·壳体、机匣·结构件·其他飞机组件灵活的构造功能及可拓展性,充分满足国内外燃机及航空企业评开源接口可进行二次功能开发,并可打包进行分享,成为软件的哪些特性可以分析哪些特性可以分析··前后缘·积叠点及积叠轴·线:中弧线、弦线、切线等·最大长度、距离、厚度等·边缘点、指定位置点·角度·重心·弯曲·扭转·变公差·3D喉道·虚拟动态平衡·等等测量特点测量特点··全域扫描·单点·曲线截面·高精度边缘分辨率·高亮部件·高精度榫根测量·质量控制·研发分析·装配·大型结构件·小型精密零部件数据获取来源数据获取来源评价软件评价软件ZEISSZEISSINSPECT业级开发,定制化翼型参数输入界面,进而极大提高翼型评价模板的编写效率。涡轮叶片是燃气轮机和航空发动机的热端部件,采用熔模铸造工艺,加工工艺极为复杂,包括蜡模及陶瓷列测头,可满足从陶瓷芯到成品的—站式质量控制需求。涡轮叶片:热端部件涡轮叶片:热端部件由于涡轮叶片属于热端部件,需在高温高压的环境下连续运行。当前,单晶叶片已成为发展趋势,其具有刚性好、寿命长的特点,但制造成本很高。蜡模和陶瓷芯是高温合金叶片工艺流程的前期工序,其质量高低显著影响后期工序的报废率,因此,保证蜡模和陶瓷芯的全域轮廓尺寸及针对蜡模、陶瓷芯及其模具的检测需求如下:·型芯余量和型芯座分析·虚拟装配/合模·模具针对性修正·更快速的模具验收·维护和修理·模型的几何验证·翘曲和收缩检验(局部/全局)ZEISSATOS系列是蜡模及陶瓷芯检测的绝佳解决方案,可确保工艺质量。对半模和型芯进行虚拟装配分析,用于检验分模表面的偏置、半模适配性、形状及型芯间隙。在熔模铸造中,可检验陶瓷模具的壁厚,以评估其质量和飞边形成风险。检验蜡型的收缩、裂纹和起泡情况,以便有针对性地修改模具和控制蜡型组装;针对蜡型模具的三维测量数据,可显示铣削误差(包括铣削半径不正确等问题),并可用作合格模板的数据三维数字化技术可在蜡模及陶瓷芯模具制造和维护过程中节省时间和成本。在蜡型、陶瓷芯模以及砂芯盒的CNC加工过程中,通过比对标称数据与实际数据,可提前对每个制造步骤进行控制。基于3D测量数据对模具进行针对性修正,可减少迭代循环时间。通过确定模具的生命周期和使用寿命,可优化维修维护计划。对标称-实际比较后得到的等值线进行反投影,有助于定位需要通过金属切割方法进行焊接或返工的部件加工区域并标记,同时可对在完成陶瓷芯及蜡模制备后,需进行陶瓷浸润涂料上壳处理。该步骤非常关键,因其会影响后续浇铸工艺,故需检查和控制陶瓷浸涂工艺中的涂层厚度,以确定模具涂层厚度对铸造和熔炼的影响。因此,客户面临的核心挑战包括:·需测量上壳涂层逐层增长的厚度·需通过色差反映不同位置处涂层厚度ZEISSATOS5系列测头凭借良好的重复性和高精度,可逐层分析浸涂厚度,且能监测相邻两次浸涂的厚度增长情况,为整个陶瓷型壳的浸涂工艺提供指导。脱壳后需对涡轮叶片进行首件检验,该检验通常在冷却孔加工完毕且未进行热障涂层喷涂之前进行。由于涡轮叶片的榫头需安装在涡轮盘上以达到良好的配合,同时转子涡轮叶片为了符合设计要求的空气动力学性能,且其构型多样,包括封闭式翼型、半封闭式翼型、矩形、单劈缝、双劈缝等,因此对翼型参数的控制要求非常高,且要求通常更为灵活。针对翼型评价要求如下:·支持高斯方法、权重高斯等多种拟合方式·支持约束拟合方向,加入拟合限制条件,控制拟合量值·支持沿名义法线方向和实际法线方向的补偿方式·支持统一公差和变公差设置·支持轮廓偏差显示功能,直观显示偏差位置·支持喉道参数尺寸评价·支持各种弦线评价方式,例如空气动力弦、轴力弦、双切线、最大弦等·支持不同的中弧线类型,例如内切圆拟合中弧线及骨架线,支持前后缘拟合圆、切圆及任意位置处切圆·支持榫齿跨棒距、压力边(非压力边)轮廓度、偏心距、压力边(非压力边)角度和相对位置关系、针对小型涡轮叶片实现阵列式批量测量,专用的工装夹具设计可以轻松实现装夹,且无需贴点。的检测吞吐量和节拍要求,实现涡轮叶片的翼型全参数分析及针对多联扇段的喉道参数,该系统可进行全域扫描及评价。凭借高分辨率及多种软硬件技术的升级整合,可实现涡轮叶片及其扇段的全参数评价,具体包括:·定制化夹具设计·VMR虚拟计量室··多种蓝光增强技术整合·强大的软件功能·工业级设计,环境适应性强针对榫头的测量参数评价,最终以图形化的方式直观呈现,清晰展示测量参数的具体位置及含义,同时可实现权重公差拟合、可变公差评价,最大偏差以及最大超差等具体评价要求。针对涡轮叶片的翼型参数评价,可实现多种构型要求,例如方形闭口、方形开口、圆弧过渡、圆涡轮叶片和导向叶片是燃气轮机涡轮部分的核心部件,其功能为引导并传递来自燃烧室的热气体膨胀能量,将其转化为旋转机械能。这些位于高温区域的部件需承受极端温度(使用氢气燃料时高达1600°C),因此表面涂覆有特殊的热障涂层(TBC),即陶瓷涂层。该涂层结合空气冷却技术(通过冷却孔实现),共同构成铸造叶片与导向叶片的热防护体系,显著提升其在耐高温、抗磨损及抗撕裂方面的性能。值得注意的是,翼型几何结构的优化与涂层质量对燃气轮机整体效率具有决定性影响。在整个生命周期中,所有带涂层部件在运行—定时长后均需通过翻新维护以保涡轮叶片的喷涂、冷却孔加工及疏通通常分为以下几个步骤:·涡轮叶片本体上进行激光打孔,进而进行喷砂处理··冷却后进行第二次热障涂层喷涂·最终根据冷却孔定位信息进行自适应加工(疏通)本体,冷却孔加工因此在整个喷涂工艺流程中需进行如下质量控制:·针对涡轮叶片本体的全域扫描以及冷却孔定位·针对耐腐蚀涂层的厚度测量·针对热障涂层的厚度测量·指导冷却孔的二次加工定位ZEISSScanBox5110是进行涂层测量及燃机涡轮叶片冷却孔检测的绝佳方案,定制化夹具工装适配不同类型的涡轮叶片构型:精度可完美体现涡轮叶片细微轮廓构型。同时,可通过全场或点跟踪对零部件位置进行实时测量,从而在CNC加工工具或托盘上实现准确对齐。测量铸坯的实际几何形状,可确保在生产中留有足够的加工余量,并取代了传统的标记方法。生成的测量数据还有助于优化铣削路径。通过获取冷却孔的实际位置与法向,并与名义数模进行比对,可借助软件内部算法反馈至机床,实现自适应打磨及加工。航空发动机及中小型燃气轮机的叶盘类零件加工工艺分为减材制造或者增材制造。对于减材制造来说,叶盘加工工艺分为五轴数控铣削、电化学加工,或者通过叶盘和涡轮盘分别加工后再连接为整体,例如摩擦焊接技术、电子束焊接技术、榫头(槽)装配技术等。由于叶盘加工难度大,通过光学检测技术在不同工序阶段进行测量的需求各不相同,涉及焊接缺陷检测、榫头(槽)检测、表面缺陷检测、喉道面积检测、翼型参数检测等。高温合金叶盘在成品检测以及用后检测中,均需进行表面缺陷或者涂层缺陷检测,以保证高温合金盘在高温高压环境下的运行稳定性,检测需求主要包括:·针对热障涂层的缺陷检测·针对焊接表面的缺陷检测·针对高温合金盘表面热损伤、微裂纹的检测需求边缘数据,并通过更小的测量体积满足精细的缺陷检测需求。·通过色差图实现缺陷的可视化以及分类·可在直线和曲线方向检测表面缺陷·根据标称和实际表面对比补偿全局曲率通过该方法,可实现比传统目测法更高效的缺陷识别。在航空发动机叶盘类零件(尤其是涡轮导向器和转子)的设计、制造及测试中,计算喉道面积 (ThroatArea)是至关重要的环节。喉道面积指燃气流经涡轮导向器或转子时最小流通截面的面积,直接影响气流动力学特性,因此对于喉道面积的检测至关重要。当前,喉道面积的计算往往通过坐标测量机获取指定坐标点位信息,再通过复杂的公式计算推导得出,但该方法仅能近似获取喉道的最小流通面积,且操作复杂、检测周期长。同时,借助ZEISSINSPECT的内部功能自动计算最小喉道面积,其优势在于:·提供更精确的结果·与仿真结果具有良好的相关性,计算速度更快·支持比标量(面积)更丰富的检查在航空发动机叶盘结构中,叶片需按指定位置安装,以优化动平衡性能,同时保证气动效率与结构可靠性。由于叶片制造存在材料密度、几何公差等微观质量差异,且高速旋转下存在离心力与气流载荷分布特性,给装配与平衡控制带来严峻挑战。叶盘动平衡调整面临以下关键挑战:·控制质量矩分布,避免离心力失衡·避免共振与疲劳失效·优化应力分布当前,盘类零件的动平衡调整—般采用质量分组、自适应配重、整机模态动平衡等方式。ZEISS软件模块进行虚拟动平衡调整,根据数字孪生结构对叶片装配进行优化,提高检测效率,具体包括:·根据每个数字孪生计算重心·推导出每个数字孪生的平衡状态·以智能算法替代材料处理的调整·可虚拟评估最佳装配状态