航空发动机叶片机械手无损检测技术
栏目:快换接头 发布时间:2020-09-25 10:11
叶片行动航空动员机的合节构成片面,其自己的牢靠性及工况安宁对付动员机极其紧张。为了保护叶片可能平常就业,省略因为坐蓐工艺惹起的气孔、混杂、脱粘等缺陷以及应用历程中...

  叶片行动航空动员机的合节构成片面,其自己的牢靠性及工况安宁对付动员机极其紧张。为了保护叶片可能平常就业,省略因为坐蓐工艺惹起的气孔、混杂、脱粘等缺陷以及应用历程中展现的疲惫缺陷与裂纹等影响叶片应用寿命的要素,有需要正在叶片出厂前以及服役历程中对其外层及内部组织举办无损检测。现正在常用检测叶片的方法有涡流检测、分泌检测手艺。涡流检测对付外观和近外观缺陷对比敏锐,但难以告竣内部缺陷检测。分泌检测手艺正在检测前需求对叶片去涂层照料,工艺繁杂本钱高。守旧的无损检测配置难以告竣对繁杂曲面构件的主动化检测,更加是难以告竣对片面曲率改变鲜明、变厚度、繁杂制型曲面构件的高精度仿形轮廓跟踪,大都情景下仍依赖人工检测的方法已毕探伤就业,检测精度无法获得有用保障。死板手超声检测体系可能有用地检测叶片内部和外观缺陷,有用地检测叶片的厚度,可能告竣对叶片缺陷和厚度的敏捷主动化检测,普及坐蓐出力。

  航空动员机叶片具有曲率繁杂、厚度改变等特色,旧例检测本领难以告竣其检测。近几年,邦外里叶片无损检测手艺获得敏捷开展。宋凯等提出采用五轴联动涡流检测体系,通过仿叶片加工运动管理叶片涡流主动化检测,比照判辨了手持涡流探头检测和主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敏捷检测机,通过激光扫描叶片获取叶片 3D 点云数据,与叶片CAD 模子做判辨,结果酿成 3D 色差图、指定点过失陈说等。魏文斌等将工业六轴死板手检测体系利用到反响堆压力容器,普及了反响堆压力容器无损检测的安稳性。尤敬业等采用 CCD 图像传感器采撷叶片图像,提出采用主动阈值 canny 算子对图像照料告竣叶片的裂纹检测,可能通过检测结果丈量出裂纹的尺寸值。同时邦内尚有探究学者采用热成像、X 射线、CT 扫描等手艺告竣叶片的无损检测。

  Morozov 等告竣了对飞机机翼蒙皮的死板手涡流主动化检测,采用死板手加持涡流探头方法,通过激光跟踪仪对死板手运动轨迹正在线校准,告竣扫查轨迹过失不高于 0.5mm。Burghardt 等将死板手和 3D 扫描仪体系联络,对锻制叶片 3D 扫面取得叶片点云数据,并操纵 ATOS 专业版软件对点云数据和 CAD 模子比照,告竣对锻制叶片的检测。

  本课题提出一种基于工业死板手的主动化超声无损检测本领,以航空动员机叶片平底孔和裂纹缺陷,叶片厚度为检测对象,探究了实用于叶身、进排气边的平底孔和裂纹缺陷超声检测本领,同时告竣叶片厚度的切确丈量;通过检测程序缺陷试块和试件,验证了死板手主动化无损检测体系的检测职能;该手艺告竣了航空动员机叶片的主动化无损检测,明显普及了叶片的检测精度、检测出力。

  本课题首要针对航发某型号钛合金叶片,其组织如图 1 所示,该叶片由叶身和榫头构成,叶身包含叶盆、叶背、进排气边沿等。叶片具有繁杂空间曲面,叶身厚度较小且厚度改变的特色。旧例无损检测本领很难告竣航空叶片曲面跟踪检测,正在检测历程中易形成缺陷漏检、厚度丈量不确凿。

  凭据叶片被测部位采取超声纵波笔直入射法或斜入射法。对付叶身部位采用超声纵波笔直入射检测内部缺陷和超声 C 扫描可视化显示,检测历程中需求保障超声换能器声束轴线与被测叶片外观扫查点法向依旧一律。对付进排气边和叶根等易发作插手的部位采用超声纵波斜入射波形转换的方法检测和超声 B扫描可视化显示,正在检测历程中超声换能器永远和叶片被测点依旧一个固定的偏转角,从而获取安稳的超声脉冲回波信号。

  对付叶片厚度检测,正在已知叶片声速的情景下,通过超声回波信号自干系准备出叶片外观波和底波之间的时刻差,从而告竣叶片厚度的切确检测。

  为明晰决航空动员机叶片的主动化无损检测的需求,本课题采用死板手夹持叶片,超声换能器固定。依据叶片被检测部位和检测方法筹办死板手末梢实施器轨迹途径,相对超声换能器扫查运动。通过死板手扫查处所触发超声鞭策信号,而且死板手扫查轨迹处所与对应的超声检测新闻同步采撷。

  叶片死板手超声无损检测体系总体计划如图 2 所示。一切检测体系由硬件和软件组成,两者有机联络组成了主动化检测体系的主旨构成,同时也是告竣叶片等繁杂构件的无损检测的合节。软件体系首要包含死板手扫查运动轨迹筹办软件、无损检测检测结果显示软件。

  死板手超声检测体系的硬件片面首要包含工业死板手及其把持器、超声收发安装、工业把持准备机、超声换能器、叶片专用夹具和液浸水槽等配置,如图 3 所示。个中超声换能器首要职掌超声信号的发射和汲取,可凭据区别就业请求调换区别频率、焦距以告竣最优的检测结果。叶片夹具采用速换夹具维系,以便于举办敏捷调换,同时保障叶片安置坐标系的固定。死板手器械坐标系与换能器所正在用户坐标系位姿合连的找正,也需求由工装夹具的处所新闻配合确定。

  凭据叶片检测的请求,利 用CAD/CAM 仿加工手艺获取被测叶片外观加工历程的刀具途径所示。正在后照料文献中读取各离散点相对付工件坐标系的空间处所及法向矢量,同时构修外征各离散点法向量的位姿矩阵,用于已毕死板手末梢实施器的空间扫查轨迹的天生。

  死板手无损检测体系中的坐标系如图 5 所示,{A} 示意死板手末梢法兰坐标系,{B} 示意叶片的工件坐标系,超声换能器所正在处所设立为用户坐标系 {C},死板手的天下坐标系示意为 {W}。由机械人运动学外面可知当死板手的 DH(Denavit Hartenberg)参数确定,即可推导出器械坐标系 {A} 与基准坐标系 {W}的相对位姿。

  由 CAD/CAM 加工仿真后照料器中获得的离散点数据是基于工件坐标系的位姿新闻,检测历程中,为知足超声纵波反射法的入射角请求,需求保障离散点法向与超声换能器声束轴线依旧一律,即需请求解当坐标系 {B} 扭转至坐标系 {C} 位姿时,器械坐标系 {A} 的位姿。当辅助坐标系由 {B} 扭转到 {C} 时,知足以下条目:

  式中,AP,BP,CP 示意法向矢量相对付坐标系 {A},{B} 和 {C} 的法向矢量。

  需求依照超声检测的管束条目( 包含超声入射角、声程长度等 ) 对离散点位姿举办节制。CAM 加工仿真历程中的刀具途径受前倾角影响,所以界说超声换能器声束轴线相对付被测外观法向矢量的偏转角为*,当采用超声纵波反射法检测时,依照区别的缺陷类型和检测需求来确定 *。

  针对超声笔直入射检测内部缺陷时,为省略超声衍射带来的影响,需求保障超声声束轴线笔直入射叶片外观,即 *=0。依照坐标系变换矩阵位姿管束请求,当超声波笔直入射时,离散点坐标系 {B} 和用户坐标系 {C} 依旧法向量平行或反向。

  采用超声纵波斜入射的检测本领检测外层缺陷时,假设超声入射角沿死板手器械坐标系 X 轴、Y 轴和 Z轴的偏转角度不同为 、、,如图 7所示,向量 R 为 R0 不同偏转 、、角后获得的矢量,经正交归一化后可用于求解各偏转角的解析解。依照坐标系变换矩阵界说,坐标系 {B} 相对付 {C} 的扭转矩阵为:

  因为超声斜入射往往仅请求与声束轴线成一固定夹角。所以,本质筹办死板手轨迹时需依照法矢基准面规矩 ,, 中某一偏转角等于入射角。

  本课题采用 STAUBLI TX90L六自正在度死板手搭修体系,试验仪器还包含 SIUI 超声探伤仪、水浸聚焦超声换能器等。该体系首要手艺目标:超声采撷卡采撷频率为250MHz ;死板手运动处所触发间隔为 0.1mm,时刻触发间隔为 0.0001s ;就业 通道为 2 ;超声换能器采用20MHz 水浸聚焦探头。死板手扫查运动空间 Y 轴行程 600mm,X 轴行程 500mm,Z 轴行程 400mm ;死板手扫查空间内反复定位精度为0.10mm。

  为验证死板手超声无损检测体系检测职能和手艺目标,采用五轴数控加工核心和电火花加工正在叶身、进气边不同制制程序平底孔缺陷、裂纹缺陷,如图 8 和图 9 所示。程序平底孔缺陷尺寸计划值睹外 1 ;程序裂纹缺陷尺寸计划值睹外 2。

  为验证体系检测叶片厚度职能,通过提取叶片 CAD 模子外观计划仿叶片曲面厚度阶梯试块,厚度计划界限为 2~12mm,并采用五轴数控加工核心加工制制,如图 10 所示。厚度试块厚度程序值过程第三方检测机构丈量。

  图 11 为叶身上程序裂纹缺陷和程序平底孔缺陷的超声笔直入射检测 C 扫描成像图,从超声 C 扫描成像中可能看有缺陷散布与计划叶片试块上缺陷的处所一律。并通过图像判辨直径为 0.15mm 的平底缺陷可能看有缺陷信号强度高于噪声信号,如图 12 所示,所以缺陷检测结果是有用的。检测结果证据体系可能检测出直径 0.15mm 的程序平底孔缺陷和 0.15mm 宽的裂纹缺陷,知足检测请求;同时检测叶片叶身面积的 80% 仅用 14min,相对付人工检测出力更高且缺陷检测牢靠性更高。

  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,沿进排气边举办扫查,并采用超声 B 扫描成像本领举办检测,检测结果如图 13 所示,可能看到与人工计划缺陷处所相吻合,所以采用该本领可能告竣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,知足叶片进排气边等部位外层缺陷的检测。

  对付超声检测仿叶片曲面厚度试块本领是采用 CAD 模子正在每个阶梯厚度上随机采取 2 个点,并通过三坐标丈量机对所选点厚度值举办标定丈量;然后采用程序厚度值标定叶片声速并举办其他点厚度检测,其检测结果如外 3 所示,可能看出检测厚度偏差小于 0.03mm,知足叶片厚度检测请求。

  (1)凭据叶片特色,提出死板手超声主动化检测的本领,采用死板手加持叶片,超声换能器固定,告竣对叶片叶身、进排气边等部位的无损检测,同时告竣叶片厚度的切确丈量。

  (2)基于叶片的 CAD 模子举办叶片仿加工获取死板手扫查轨迹,凭据扫查轨迹告竣叶片笔直入射检测叶片内部缺陷,斜入射检测进排气边,并告竣叶片指定测厚点厚度的切确丈量。

  (3)本课题研制的死板手超声主动化检测体系可已毕检测叶身长度为 50~300mm 的 叶 片,被测叶片最大重量 4kg,可能告竣叶身缺陷检测、叶身厚度检测,缺陷检测才华可检测出 直径为 0.15mm的平底孔缺陷和 0.15mm×10mm的裂纹缺陷。厚度丈量界限为0.5~12mm,测 量 精 度 0.03mm,胜利管理了航空动员机叶片的无损检测困难。