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航空发动机叶片机械手无损检测技术

时间:2020-08-27 10:59来源:中国检测网 网络转载 作者:金岩科技 点击:
航空发动机叶片 机械手无损检测技术 叶片作为航空发动机的关键组成部分,其自身的可靠性及工况安全对于发动机极其重要。为了保障叶片能够正常工作,减少由于生产工艺引起的气
  

航空发动机叶片

机械手无损检测技术

 

叶片作为航空发动机的关键组成部分,其自身的可靠性及工况安全对于发动机极其重要。为了保障叶片能够正常工作,减少由于生产工艺引起的气孔、夹杂、脱粘等缺陷以及使用过程中出现的疲劳缺陷与裂纹等影响叶片使用寿命的因素,有必要在叶片出厂前以及服役过程中对其表层及内部结构进行无损检测。现在常用检测叶片的方式有涡流检测、渗透检测技术。涡流检测对于表面和近表面缺陷比较敏感,但难以实现内部缺陷检测。渗透检测技术在检测前需要对叶片去涂层处理,工艺复杂成本高。传统的无损检测设备难以实现对复杂曲面构件的自动化检测,尤其是难以实现对部分曲率变化明显、变厚度、复杂造型曲面构件的高精度仿形轮廓跟踪,多数情况下仍依靠人工检测的方式完成探伤工作,检测精度无法得到有效保证。机械手超声检测系统能够有效地检测叶片内部和表面缺陷,有效地检测叶片的厚度,可以实现对叶片缺陷和厚度的快速自动化检测,提高生产效率。

 

航空发动机叶片具有曲率复杂、厚度变化等特点,常规检测方法难以实现其检测。近几年,国内外叶片无损检测技术得到快速发展。宋凯等提出采用五轴联动涡流检测系统,通过仿叶片加工运动解决叶片涡流自动化检测,对比分析了手持涡流探头检测和自动化检测信号的信噪比。海克斯康计量公司研制了激光叶片快速检测机,通过激光扫描叶片获取叶片 3D 点云数据,与叶片CAD 模型做分析,结果形成 3D 色差图、指定点偏差报告等。魏文斌等将工业六轴机械手检测系统应用到反应堆压力容器,提高了反应堆压力容器无损检测的稳定性。尤敬业等采用 CCD 图像传感器采集叶片图像,提出采用自动阈值 canny 算子对图像处理实现叶片的裂纹检测,可以通过检测结果测量出裂纹的尺寸值。同时国内还有研究学者采用热成像、X 射线、CT 扫描等技术实现叶片的无损检测。

 

Morozov 等实现了对飞机机翼蒙皮的机械手涡流自动化检测,采用机械手加持涡流探头方式,通过激光跟踪仪对机械手运动轨迹在线校准,实现扫查轨迹偏差不高于 0.5mm。Burghardt 等将机械手和 3D 扫描仪系统结合,对铸造叶片 3D 扫面获得叶片点云数据,并利用 ATOS 专业版软件对点云数据和 CAD 模型对比,实现对铸造叶片的检测。

 

本课题提出一种基于工业机械手的自动化超声无损检测方法,以航空发动机叶片平底孔和裂纹缺陷,叶片厚度为检测对象,研究了适用于叶身、进排气边的平底孔和裂纹缺陷超声检测方法,同时实现叶片厚度的精确测量;通过检测标准缺陷试块和试件,验证了机械手自动化无损检测系统的检测性能;该技术实现了航空发动机叶片的自动化无损检测,显著提高了叶片的检测精度、检测效率。

 

叶片超声无损检测技术

 
 
 

 

⒈叶片结构特点
 
 

 

本课题主要针对航发某型号钛合金叶片,其结构如图 1 所示,该叶片由叶身和榫头组成,叶身包括叶盆、叶背、进排气边缘等。叶片具有复杂空间曲面,叶身厚度较小且厚度变化的特点。常规无损检测方法很难实现航空叶片曲面跟踪检测,在检测过程中易造成缺陷漏检、厚度测量不准确。

 

 

⒉超声检测叶片方案

根据叶片被测部位选择超声纵波垂直入射法或斜入射法。对于叶身部位采用超声纵波垂直入射检测内部缺陷和超声 C 扫描可视化显示,检测过程中需要保证超声换能器声束轴线与被测叶片表面扫查点法向保持一致。对于进排气边和叶根等易发生干涉的部位采用超声纵波斜入射波形转换的方式检测和超声 B扫描可视化显示,在检测过程中超声换能器始终和叶片被测点保持一个固定的偏转角,从而获取稳定的超声脉冲回波信号。

对于叶片厚度检测,在已知叶片声速的情况下,通过超声回波信号自相关计算出叶片表面波和底波之间的时间差,从而实现叶片厚度的精确检测。

机械手超声自动化无损检测技术

 
 
⒈机械手超声无损检测总体方案

为了解决航空发动机叶片的自动化无损检测的需求,本课题采用机械手夹持叶片,超声换能器固定。按照叶片被检测部位和检测方式规划机械手末端执行器轨迹路径,相对超声换能器扫查运动。通过机械手扫查位置触发超声激励信号,并且机械手扫查轨迹位置与对应的超声检测信息同步采集。

叶片机械手超声无损检测系统总体方案如图 2 所示。整个检测系统由硬件和软件构成,两者有机结合构成了自动化检测系统的核心组成,同时也是实现叶片等复杂构件的无损检测的关键。软件系统主要包括机械手扫查运动轨迹规划软件、无损检测检测结果显示软件。

 

图2 机械手超声无损检测系统方案

Fig.2 Scheme of ultrasonic nondestructive 

testing system for robotic

机械手超声检测系统的硬件部分主要包括工业机械手及其控制器、超声收发装置、工业控制计算机、超声换能器、叶片专用夹具和液浸水槽等设备,如图 3 所示。其中超声换能器主要负责超声信号的发射和接收,可根据不同工作要求更换不同频率、焦距以实现最优的检测结果。叶片夹具采用快换夹具连接,以便于进行快速更换,同时保证叶片安装坐标系的固定。机械手工具坐标系与换能器所在用户坐标系位姿关系的找正,也需要由工装夹具的位置信息配合确定。

 

图3 机械手无损检测系统

Fig.3 Nondestructive testing 

system of robotic

⒉机械手运动轨迹规划技术

根据叶片检测的要求,利 用CAD/CAM 仿加工技术获取被测叶片表面加工过程的刀具路线,如图 4所示。在后处理文件中读取各离散点相对于工件坐标系的空间位置及法向矢量,同时构建表征各离散点法向量的位姿矩阵,用于完成机械手末端执行器的空间扫查轨迹的生成。

图4 叶片加工仿真中刀轨路径示意图

Fig.4 Schematic diagram of tool path in 

blade machining simulation

机械手无损检测系统中的坐标系如图 5 所示,{A} 表示机械手末端法兰坐标系,{B} 表示叶片的工件坐标系,超声换能器所在位置设置为用户坐标系 {C},机械手的世界坐标系表示为 {W}。由机器人运动学理论可知当机械手的 D–H(Denavit – Hartenberg)参数确定,即可推导出工具坐标系 {A} 与基准坐标系 {W}的相对位姿。

图5 机械手检测系统中坐标系分布

Fig.5 Coordinate system distribution in 

manipulator detection system

由 CAD/CAM 加工仿真后处理器中得到的离散点数据是基于工件坐标系的位姿信息,检测过程中,为满足超声纵波反射法的入射角要求,需要保证离散点法向与超声换能器声束轴线保持一致,即需要求解当坐标系 {B} 旋转至坐标系 {C} 位姿时,工具坐标系 {A} 的位姿。当辅助坐标系由 {B} 旋转到 {C} 时,满足以下条件:

 

式中,AP,BP,CP 表示法向矢量相对于坐标系 {A},{B} 和 {C} 的法向矢量。

本课题采用 STAUBLI TX90L六自由度机械手,其各关节运动规律符合 X–Y–Z 欧拉角的旋转顺序,如图6 所示,即坐标系 {XA,YA,ZA} 分别绕上次旋转姿态下的 X、Y、Z 轴旋转 α,β,γ 角度后得到坐标系 { , ,} 姿态。在坐标系旋转过程中,由坐标系 {A} 位姿旋转到坐标系 {C} 所需要的变换矩阵为式(2)中所示,其中,cosα 和 sinα 分别简写成 cα 和 sα。

 

图6 X–Y–Z 欧拉角旋转矩阵的变换顺序

Fig.6 Transformation order of X–Y–Z Euler 

angular rotation matrix

需要依据超声检测的约束条件( 包括超声入射角、声程长度等 ) 对离散点位姿进行限定。CAM 加工仿真过程中的刀具路径受前倾角影响,因此定义超声换能器声束轴线相对于被测表面法向矢量的偏转角为θ*,当采用超声纵波反射法检测时,依据不同的缺陷类型和检测需要来确定 θ*。

针对超声垂直入射检测内部缺陷时,为减少超声衍射带来的影响,需要保证超声声束轴线垂直入射叶片表面,即 θ*=0。依据坐标系变换矩阵位姿约束要求,当超声波垂直入射时,离散点坐标系 {B} 和用户坐标系 {C} 保持法向量平行或反向。

采用超声纵波斜入射的检测方法检测表层缺陷时,假设超声入射角沿机械手工具坐标系 X 轴、Y 轴和 Z轴的偏转角度分别为 ξ、φ、ψ,如图 7所示,向量 R 为 R0 分别偏转 ξ、φ、ψ角后得到的矢量,经正交归一化后可用于求解各偏转角的解析解。依据坐标系变换矩阵定义,坐标系 {B} 相对于 {C} 的旋转矩阵为:

图7 超声入射角的偏转示意图

Fig.7 Deflection diagram of ultrasonic incidence angle

由于超声斜入射通常仅要求与声束轴线成一固定夹角。因此,实际规划机械手轨迹时需依据法矢基准面规定 ξ,φ,ψ 中某一偏转角等于入射角。

机械手超声无损检测技术试验研究

 
⒈试验装备

本课题采用 STAUBLI TX90L六自由度机械手搭建系统,试验仪器还包括 SIUI 超声探伤仪、水浸聚焦超声换能器等。该系统主要技术指标:超声采集卡采集频率为250MHz ;机械手运动位置触发间隔为 0.1mm,时间触发间隔为 0.0001s ;工作 通道为 2 ;超声换能器采用20MHz 水浸聚焦探头。机械手扫查运动空间 Y 轴行程≤ 600mm,X 轴行程≤ 500mm,Z 轴行程≤ 400mm ;机械手扫查空间内重复定位精度为±0.10mm。

⒉试验方案

为验证机械手超声无损检测系统检测性能和技术指标,采用五轴数控加工中心和电火花加工在叶身、进气边分别制作标准平底孔缺陷、裂纹缺陷,如图 8 和图 9 所示。标准平底孔缺陷尺寸设计值见表 1 ;标准裂纹缺陷尺寸设计值见表 2。

 

图8 叶片叶身人工平底孔和裂纹缺陷

Fig.8 Artificial flat bottom hole and crack 

defects of blade body

 

图9 进气边人工平底孔和裂纹缺陷

Fig.9 Artificial flat bottom hole and crack 

defects on air inlet side

 

表1 平底孔设计尺寸

Table 1 Design size of flat bottom hole

 

表2 裂纹设计尺寸

Table 2 Design dimensions of cracks

为验证系统检测叶片厚度性能,通过提取叶片 CAD 模型表面设计仿叶片曲面厚度阶梯试块,厚度设计范围为 2~12mm,并采用五轴数控加工中心加工制作,如图 10 所示。厚度试块厚度标准值经过第三方检测机构测量。

图10 仿叶片曲面阶梯厚度试块

Fig.10 Simulated blade curved surface 

and stepped thickness component

⒊试验结果

图 11 为叶身上标准裂纹缺陷和标准平底孔缺陷的超声垂直入射检测 C 扫描成像图,从超声 C 扫描成像中可以看出缺陷分布与设计叶片试块上缺陷的位置一致。并通过图像分析直径为 0.15mm 的平底缺陷可以看出缺陷信号强度高于噪声信号,如图 12 所示,因此缺陷检测结果是有效的。检测结果表明系统能够检测出直径 0.15mm 的标准平底孔缺陷和 0.15mm 宽的裂纹缺陷,满足检测要求;同时检测叶片叶身面积的 80% 仅用 14min,相对于人工检测效率更高且缺陷检测可靠性更高。

图11 超声C扫描成像显示

Fig.11 Ultrasonic C–scan imaging display

图12 a组0.15mm直径平底孔缺陷图像强度值显示

Fig.12 Defect image intensity value display 

of flat bottom hole with 0.15mm diameter in group a 

针对叶片进排气边采用超声纵波以大于第 2 临界角的角度斜入射扫查,沿进排气边进行扫查,并采用超声 B 扫描成像方法进行检测,检测结果如图 13 所示,可以看到与人工设计缺陷位置相符合,因此采用该方法能够实现检测出进排气边直径为 0.2mm 的平底孔缺陷和 0.2mm 宽的裂纹缺陷,满足叶片进排气边等部位表层缺陷的检测。

图13 叶片进排气边超声B扫描成像显示

Fig.13 Ultrasonic B–scan imaging display of 

inlet and exhaust edges of blade

对于超声检测仿叶片曲面厚度试块方法是采用 CAD 模型在每个阶梯厚度上随机选择 2 个点,并通过三坐标测量机对所选点厚度值进行标定测量;然后采用标准厚度值标定叶片声速并进行其他点厚度检测,其检测结果如表 3 所示,可以看出检测厚度误差小于 ±0.03mm,满足叶片厚度检测要求。

表3 仿叶片曲面厚度试块检测结果

Table 3 Test results of components 

with simulated blade surface thickness

结 论

(1)根据叶片特点,提出机械手超声自动化检测的方法,采用机械手加持叶片,超声换能器固定,实现对叶片叶身、进排气边等部位的无损检测,同时实现叶片厚度的精确测量。

(2)基于叶片的 CAD 模型进行叶片仿加工获取机械手扫查轨迹,根据扫查轨迹实现叶片垂直入射检测叶片内部缺陷,斜入射检测进排气边,并实现叶片指定测厚点厚度的精确测量。

(3)本课题研制的机械手超声自动化检测系统可完成检测叶身长度为 50~300mm 的 叶 片,被测叶片最大重量 4kg,能够实现叶身缺陷检测、叶身厚度检测,缺陷检测能力可检测出 直径为 0.15mm的平底孔缺陷和 0.15mm×10mm的裂纹缺陷。厚度测量范围为0.5~12mm,测 量 精 度 ±0.03mm,成功解决了航空发动机叶片的无损检测难题。

 

(责任编辑:金岩科技)
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