用于涡轮叶片叶型测量的测头及三坐标测量仪的制作方法

本发明涉及涡轮叶片叶型测量技术领域，特别地，涉及一种用于涡轮叶片叶型测量的测头。此外，本发明还涉及一种包括上述用于涡轮叶片叶型测量的测头的三坐标测量仪。

背景技术：

涡轮叶片是航空发动机的关键零部件，叶片截面轮廓尺寸和中心位置精度要求高。为满足涡轮叶片的设计要求，需对每片涡轮叶片截面轮廓进行检测，测量精度直接会影响到航空发动机的性能。叶片截面轮廓测量如图1所示。

叶型分析测量示意图如图2所示。型面检测测量球头一般为球形，直径φ2mm～φ3mm，检测时沿着指定高度对型面进行测量，如图2所示。然而，对于叶根截面相对叶尖截面扭角较大时，叶片纵向截面与水平面存在一定倾角α。采用测量球头测量时，由于测量球头半径的影响，进行半径补偿时，存在较大补偿误差。其误差示意图如图3所示。

三坐标测量误差产生原因如下：三坐标测量叶片截面高度z的叶型时，测量球球心沿着截面恒定高度测量叶型，测量球(半径r)与叶片纵向截面线实际接触点a远远偏离于该截面叶型的理论点b，而经过半径补偿后测量所得实际值c与截面叶型的理论点b仍然存在差距。b点和c点的距离δ即为测量误差值。叶根截面相对叶尖截面扭角越大的涡轮叶片，叶型纵向截面线倾角θ越大，测量误差值δ也随之增大。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于涡轮叶片叶型测量的测头及三坐标测量仪，以解决现有恒定高度截面测量涡轮叶片叶型时，由于测量球头半径的影响，测量后进行半径补偿时，产生补偿误差，并且测量球头越大，补偿误差越大，严重影响涡轮叶片测量精度的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种用于涡轮叶片叶型测量的测头，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。

进一步地，局部凹陷构造为球缺。

进一步地，球缺处于测头的一侧，球缺形成的断面与测量杆的中轴线平行布设。

进一步地，球缺形成的断面与测量球头的球心之间留有用于无法直接测量待测目标的接触位置点而测量干涉面时保证尺寸精度的间距。

进一步地，球缺处于测头的前端，球缺形成的断面与测量杆的中轴线垂直。

进一步地，局部凹陷构造为沿测头周向布设的环形槽。

进一步地，环形槽围合形成沿测量杆轴向布设的杆形结构，杆形结构的端部呈圆球面，杆形结构端部的圆球面与测量球头的球形面属于同心球面。

进一步地，杆形结构底部的连接部位采用弧形过渡。

根据本发明的另一方面，还提供了一种三坐标测量仪，其包括上述用于涡轮叶片叶型测量的测头。

进一步地，测头和/或三坐标测量仪上设有用于使球形顶点与待测目标的接触位置点接触并重合的全息自动对焦装置；全息自动对焦装置采用激光发生器将激光束发送至球形顶点与待测目标的接触位置点之间的重合位置，通过激光束交点移动控制实现球形顶点与待测目标的接触位置点的自动对准。

本发明具有以下有益效果：

本发明用于涡轮叶片叶型测量的测头，基于测量球头在测量过程中测量球头的球形顶点由于结构本身的阻碍导致测量球头的球形顶点与待测目标的接触位置点接触这一问题，将测量球头的进行结构改进以消除测量球头本体结构带来的阻碍。将测量球头上的阻碍部分设计成局部凹陷构造，以形成测量时的结构避让，使得测量球头的球形顶点与待测目标的接触位置点能够重合，从而提高测量精度。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。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是精密铸造涡轮叶片的叶片待检测型面的示意图；

图2是测量涡轮叶片的示意图；

图3是三坐标测量误差分析示意图；

图4是本发明优选实施例的用于涡轮叶片叶型测量的测头测量的示意图；

图5是本发明优选实施例的用于涡轮叶片叶型测量的侧向型半球测头的结构示意图；

图6是本发明优选实施例的用于涡轮叶片叶型测量的前端型半球测头的结构示意图；

图7是本发明优选实施例的用于涡轮叶片叶型测量的杆型测头的结构示意图；

图8为图7所示测头测量的示意图。

图例说明：

1、测量杆；2、测量球头；201、球形顶点；3、局部凹陷构造；301、球缺；302、断面；303、环形槽；4、杆形结构；401、弧形过渡。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图4是本发明优选实施例的用于涡轮叶片叶型测量的测头测量的示意图；图5是本发明优选实施例的用于涡轮叶片叶型测量的侧向型半球测头的结构示意图；图6是本发明优选实施例的用于涡轮叶片叶型测量的前端型半球测头的结构示意图；图7是本发明优选实施例的用于涡轮叶片叶型测量的杆型测头的结构示意图；图8为图7所示测头测量的示意图。

如图4和图5所示，本实施例的用于涡轮叶片叶型测量的测头，包括测量杆1和测量球头2，测量球头2处于测量杆1的端部，且测量球头2的球心处于测量杆1的中轴线上，测量球头2的外形呈球形，测量杆1中轴线与测头前端的测量球头2球形面的接触点即为测量球头2的球形顶点201，球形的测量球头2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2的球形顶点201与待测目标的接触位置点接触并重合的局部凹陷构造3。本发明用于涡轮叶片叶型测量的测头，基于测量球头2在测量过程中测量球头2的球形顶点201由于结构本身的阻碍导致测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点接触这一问题，将测量球头2的进行结构改进以消除测量球头2本体结构带来的阻碍。将测量球头2上的阻碍部分设计成局部凹陷构造3，以形成测量时的结构避让，使得测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点能够重合，从而提高测量精度。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。可选地，测量杆1和测量球头2之间采用全熔透焊缝的焊接连接。测量杆1和测量球头2之间采用清根。可选地，测量杆1包括用于装配连接的装配部、用于装配限位的限位部以及用于与测量球头2连接的连接部。可选地，连接部上具有标印区。可选地，连接部的连接端设置成径向尺寸朝向测量球头2逐渐缩小的锥形端。可选地，测量杆1为沿中心轴对称的对称结构。可选地，测量杆1设置为与带局部凹陷构造3的测量球头2相匹配的偏心结构，以形成结构相应的避让，减少测量过程中测量杆1对测量过程中的阻碍。可选地，测量球头2采用氮化硅测球、氧化锆测球或红宝石测球。扫描铝材或铸铁材料时，如果采用红宝石球，会在接触过程中，两种材料之间相互作用而产生对红宝石测球表面的粘附磨损，因此需要采用氮化硅测球。测量杆采用不锈钢杆、碳化钨杆或陶瓷杆。可选地，测量球头2也可以采用工具钢，例如t8a，或者通过淬火硬度hrc55-60也可。可选地，测量杆1采用不锈钢杆、碳化钨杆或陶瓷杆。

如图4、图5和图6所示，本实施例中，局部凹陷构造3为球缺301。方便测量球头2的结构制造，同时也方便测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点接触重合状况确定。可以根据待测目标的型面曲面状况，选取相应部分形成球缺301的测量球头2，使得测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点能够接触到位。

如图4和图5所示，本实施例中，球缺301处于测头的一侧。根据待测位置的型面特征，判断可能构成阻碍的部位，从而将球缺301设计在构成阻碍的部位，使得在实际测量过程中，测量球头2的球形顶点201能够直接接触到待测目标的接触位置点，从而确保测量的精度。球缺301形成的断面302与测量杆1的中轴线平行布设。方便结构的加工，能够方便测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点的接触；同时在面对特殊待测目标时，采用测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点接触时，仍然会导致测量误差，即测量球头2的球形顶点201接触的部位并非实际待测目标位置，因此需要控制断面302位置，使断面302相对于测头中轴线留有间距，以消除该测量误差，而球缺301形成的断面302与测量杆1的中轴线平行布设能够方便调节该间距。

如图5所示，本实施例中，球缺301形成的断面302与测量球头2的球心之间留有用于无法直接测量待测目标的接触位置点而测量干涉面时保证尺寸精度的间距。在面对特殊待测目标时，采用测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点接触时，仍然会导致测量误差，即测量球头2的球形顶点201接触的部位并非实际待测目标位置，因此需要控制断面302位置，使断面302相对于测头中轴线留有间距，以消除该测量误差。

如图6所示，本实施例中，球缺301处于测头的前端，球缺301形成的断面302与测量杆1的中轴线垂直。在面对特殊待测目标时，采用测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点接触时，仍然会导致测量误差，即测量球头2的球形顶点201接触的部位并非实际待测目标位置，通过将球缺301设置在测头前端，而通过球缺301形成的断面302的外缘与待测目标的接触位置点接触，即通过调整虚拟的球形顶点201与断面302之间的垂直距离，以消除该测量误差。

如图7和图8所示，本实施例中，局部凹陷构造3为沿测头周向布设的环形槽303。根据待测位置的型面特征，判断可能构成阻碍的部位，从而将环形槽303设计在构成阻碍的部位，使得在实际测量过程中，测量球头2的球形顶点201能够直接接触到待测目标的接触位置点，从而确保测量的精度。

如图7和图8所示，本实施例中，环形槽303围合形成沿测量杆1轴向布设的杆形结构4，杆形结构4的端部呈圆球面，杆形结构4端部的圆球面与测量球头2的球形面属于同心球面。通过杆形结构4的端部与待测目标的接触位置点接触，以实现测量。可选地，球形顶点201处于杆形结构4的中轴线上。可选地，球形顶点201处于杆形结构4的边缘位置，即杆形结构4为偏心结构，偏离于测头的中轴线。在面对特殊待测目标时，采用测量球头2的球形顶点201与待测目标的接触位置点接触时，仍然会导致测量误差，即测量球头2的球形顶点201接触的部位并非实际待测目标位置，通过将杆形结构4设置成偏心结构，而通过偏心的杆形结构4与待测目标的接触位置点接触，即通过调整杆形结构4偏心率，以消除该测量误差。

如图7和图8所示，本实施例中，杆形结构4底部的连接部位采用弧形过渡401。方便结构加工制造；使得杆形结构4与测量球头2之间的连接部位形成局部加强，以避免测量过程中杆形结构4折断。

本实施例的三坐标测量仪，包括上述用于涡轮叶片叶型测量的测头。

本实施例中，测头和/或三坐标测量仪上设有用于使球形顶点201与待测目标的接触位置点接触并重合的全息自动对焦装置；全息自动对焦装置采用激光发生器将激光束发送至球形顶点201与待测目标的接触位置点之间的重合位置，通过激光束交点移动控制实现球形顶点201与待测目标的接触位置点的自动对准。可选地，全息自动对焦装置还包括反射靶标、激光指示器、感光元件中的至少一种。可选地，全息自动对焦装置包括多组激光发生器，通过从不同风向形成多组激光交点，以实现位置偏离及对正控制。可选地，测头装配在移动支架上，移动支架包括竖直调节装置、水平横向移动装置、水平纵向移动装置，通过移动支架能够控制测头的全方位移动。可选地，移动支架上还设有位置传感器。可选地，三坐标测量仪上还设有控制系统，控制系统分别与全息自动对焦装置和移动支架连接，利用全息自动对焦装置的多个激光束的交点确认球形顶点201与待测目标的接触位置点之间的位置偏离判断，从而控制移动支架带动测头移动，最终实现球形顶点201与待测目标的接触位置点正对并接触。

实施时，提供一种叶型分析仪用测头的设计方法，具体如下：

1、半球测头设计方案。为准确测量型面数据，减少因干涉导致测量误差，本发明设计方法如下：将现有设计的球形测头设计为半球头，测量时原来因型面干涉的触点a，采用半球测量时，与理论触点b重合，因此能减少型面测量干涉，从而消除半径补偿误差，提高测量精度。测量示意图如图4和图5所示。

2、探针测头设计方案。为准确测量型面数据，减少因干涉导致测量误差，本发明设计方法如下：在半球测头设计基础上，进一步减少测头与叶片接触区域，将现有设计的球性测头设计为探针形式，测量时原来因型面干涉的触点a，采用半球测量时，与理论触点b重合，因此能减少型面测量干涉，从而消除半径补偿误差，提高测量精度。测量示意图如图7和图8所示。

本发明涉及航空发动机涡轮叶片截面轮廓测量，解决精密铸造涡轮叶片尺寸测量问题尤其是两种叶型分析仪用测头的设计方法。操作简便，工作效率高，效果显著。经试验和实际生产验证，方案可行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。