钟国坚
（闽西职业技术学院，福建 龙岩 360014）
摘要：介绍了一种利用三坐标测量机的强通用性和快速检测的稳定性，巧妙结合脱机编程软件，并借助胎具辅助装置快速检测叶片的方法，实现了复杂型面的自动化检测和误差评定，同时很好地保证了数据的完整性和准确性。这种检测方法快速高效地解决了一些传统的测量问题，将会在未来曲面制造检测中得到广泛应用。
关键词：三坐标测量机；叶片；快速创新检测；误差评定 中图分类号：TP3 91.7
0 引言
转轮是水轮机的核心部件，叶片又是转轮的“心脏”，叶片的结构比较复杂，加工及质量检测也比较困难，其加工质量的好坏直接关系到水能转换为电能的效率。逆向反求得到的实体模型不仅可用于叶片五轴联动数控加工，也可为水轮机叶片数控加工后的检测和维修等工作提供依据。本文以某企业逆向反求设计生产的混流式水轮机叶片为依据，通过分析实际加工生产的叶片结构特点和加工方法，确定了快速的外观质量检测方案，利用三坐标测量机实现复杂型面高效、准确的检测和误差评定。
1 测量方法的对比选择
1.1 常规检测方法的不足
(1)由于叶片是复杂型面且不规则，无法很好地找到可以与数模坐标系进行拟合的坐标系元素（点、线、面），假如采用迭代法来拟合坐标系，叶片上也几乎没有相互垂直的元素，不能很好地保证零件与数模坐标系完全一致，对后续检测也没有多大意义。
(2)测量结果最终以点的形式输出表示，由于测量时的触测矢量与标准矢量不一致会导致产生余弦误差，特别是在曲率变化大的部位测量误差更大，测量数据更不可靠。
(3)为了保证测头移动时不发生干涉，每测量一个叶片需要多次更换测头角度，且每次更换测头角度都要重新校验，浪费了很多准备工作时间。
(4)如果坐标系迭代成功，由于在检测叶顶线位置时边缘较小，因此PC-DMIS自动获取点比较不容易，给检测带来一定的难度。
1.2 本案测量方法
本案测量叶片时，先把叶片装夹在胎具辅助装置（见图1）上，然后使用BS8650-L/CS三坐标激光扫描测量机（见图2）对逆向反求设计加工的叶片进行点数据测量。利用软件的套索功能，将扫描所得的点数据与逆向反求所得的实体数模进行拟合比对，从而判定叶片各关键部位指标的合格性，从而达到对叶片快速、准确高效的检测及误差评定。
2本案的实施
2.1 测量背景
本案介绍的混流式叶片（见图3）是一种表面不规则、曲率变化大、空间扭曲程度大且加工难度大的复杂曲面体，它是由正背面、与上冠和下环相接的带状回转面、进出水边曲面及进水边头部曲面等构成的曲面体。本案主要介绍一些无法用常规测量手段测量的叶片重要参数，见表1。
2.2 检测方案的实施
2.2.1 胎具辅助装置的提供
混流式叶片是没有任何基准的不规则自由曲面，加工及检测过程中装卡定位就显得很困难。这里将采用正、背面胎具定位，焊块搭焊和螺钉把合且具有良好效果的胎具装夹定位方式来确定工件参考点，实施找正，同时也解决叶片正、背型面错位问题。本案检测利用如图1所示的胎具实现找正，即把叶片定位装夹在胎具上，再将胎具固定在三坐标测量机上。胎具辅助装置的应用很好地解决了传统检测方法中准确找坐标系的问题，为叶片快速创新检测方法的实施奠定了基础。
2.2.2测量方法及过程
测量过程如下：
(1)将叶片固定安置在胎具辅助装置上，打开扫描软件，通过BS8650-L/CS三坐标测量机分别对叶片正、反面进行扫描。
(2)扫描结束后，对图形进行处理，并得到点云数据，如图4所示。
(3)导入逆向反求设计所得的实体数模（见图5），利用软件的套索功能，将扫描所得的点数据与逆向反求所得的实体数模进行拟合比对，并得到检测结果。
(4)数据处理分析。首先对上缘板面数据进行处理，从上缘板面数据可以看出，该部位的面轮廓度为0.2 mm;其次，对下缘板面轮廓度数据进行处理，下缘板面数据如图6所示，可以看出，该部位的面轮廓度为0. 15 mm。接着对工作面前缘面轮廓度、工作面后缘面轮廓度、工作面中部面轮廓度进行处理。工作面前缘面轮廓度、工作面后缘面轮廓度、工作面中部面轮廓度这些参数涵盖了叶片工作面整体轮廓的外形误差，可反映出叶片工作面的实际加工状况。从测试数据可以看出，叶片该部位的前缘面轮廓度为0. 13 mm、后缘面轮廓度为0. 14 mm、中部面轮廓度为0.18 mm。
本次检测的叶片重要参数检测评定结果如表2所示。
由表2可知，本次检测的叶片参数均符合标准要求。
3结束语
本文所述的检测方法是在基准无法准确获取的前提下，利用胎具辅助装置及三坐标测量机扫描得到的点云，并通过软件的套索功能与实体数模拟合比对，实现叶片表面重要数据的快速、准确检测。这种创新性的检测方法考虑的是叶片整体，而非个别特定区域或细节，使得检测结论更完整可靠。同时这种方法摒弃了传统的三坐标采点的测量方法，使测量更快速方便，可大大提高工作效率。这种方法现已在多个型号的水轮机叶片上使用，同时其应用范围正在向飞机螺旋桨叶片及潜艇叶片的检测领域延伸。
