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叶盘智能制造解决方案
方案咨询

飞机发动机典型零部件包括叶片、叶盘、机匣、管件等。

其中,叶片叶身是自由曲面,型面轮廓以及相关参数的加工和评价较为复杂,一直是航空发动机制造和检测的难点;而由叶片组合而成的叶盘简化了航空发动机的结构,省却了传统链接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置,降低了发动机的重量,提高了推重比,但同时,半封闭空间结构的叶盘加工难度大,叶片薄、扭曲大,具有复杂气流内腔,且端面链接采用特殊齿轮,对质量控制提出了新的要求。

I.检测难点

• 工件种类多,结构复杂:叶盘广泛应用于航空航天、汽车、压缩机和船舶等多种行业,种类繁多,结构千差万别。

• 全尺寸检测需求:叶盘通常要求全尺寸检测,叶片截面较多,检测项目较多,测量时间长。包含有叶片轮廓度和厚度、叶尖和内流道轮廓度、前缘轮廓度等。

• 复合式检测需求:通常要求复合式评价,包括叶片几何参数例如最大厚度、边缘半径等,也包含波纹度、粗糙度等。

• 高精度检测需求:叶盘属于精密复杂零部件,对检测精度和效率要求很高。

• 扫描性能要求高:95%以上的测量项目需要扫描,对扫描精度和性能提出了严格的要求。

• 没有通用的检测标准:目前国内、国际缺乏一个关于叶盘检测的通用标准,不同生产厂家需要定制不同的检测标准。从坐标系建立方法、检测项目、评价方法到报告样式等方面的定制化需求。

•特殊型面检测困难

叶盘叶片属于自由曲面( 包括窄流道),叶片扭曲严重,变形大,测针配置复杂,检测困难;叶盘叶片边缘前尾缘半径较小,易导致空扫描,检测过程易出现错误甚至停机。

• 内腔无法检测:焊接后的叶盘内腔,接触式测针无法进行有效测量;

• 检测成本高:需要使用先进检测设备满足叶盘的高检测需求,拥有成本高;

检测过程复杂,需要大量的编程时间和专业操作人员,人工成本高 。

• 测量报告格式单一:无法满足企业定制化的需求,后期处理优化困难。

• 数据信息管理缺失:检测数据及检测人员信息无法有效存储及后续处理,不能准确追溯。

• “信息孤岛”:设计、制造及检测数据无法进行统一的有效分析,实现生产制造过程的闭环及质量监控,进而实现企业的综合质量管理系统。

II.叶盘智能制造解决方案

本项目是海克斯康提供的叶盘解决方案,针对叶片复杂三维曲面特点,以专业的测量设备和权威的测量软件为平台,加上配置转台的超高精度叶盘检测专机,定制化开发的装夹、检测、结果判定、定制报告等一体化的解决方案,实现多种叶盘的全尺寸测量及检测过程的智能化,领先于竞争对手。

A.方案用途

【适用行业】航空航天行业

【适用零部件】各种类型叶盘,包括风扇轮、压缩机轮等

【检测项目】叶片分度,叶片轮廓度、厚度和步距误差,内腔,前缘轮廓度等

【系统功能】自动定位装夹、自动建立坐标系、自动生成测量路径、一键式检测、自动识别合格件、定制化报告输出

方案效益

1) 高柔性:兼容各种叶盘工件的智能检测,只需输入不同参数,即可自动生成对应测量程序;

2) 从“不能”到“能”:传统方式检测方式无专业测量程序,本方案可同时实现不同叶盘的一键式测量,无需重新编程,编程效率提升10倍以上;

3) 提升测量效率:本方案采用四轴联动扫描,相较于普通的测量方式,测量效率提高70%以上;

4) 独有内腔测量:焊接后的叶盘内腔,接触式测针无法进行有效测量,Hexagon先进测头可以有效的抵达测量部位,实现对内腔的测量。是目前航空发动机双层叶盘类工件,内腔大尺寸高精度测量独有的有效解决方案,整体叶盘检测效率提升95%;

5) 减少人工及设备成本

人工成本:叶盘的曲面类编程十分复杂,采用本方案后,编程时间从至少两天缩短至1小时左右,大幅降低编程人工和时间成本;

时间成本:普通测量方式,无变速扫描,无法兼顾效率和精度,本方案采用四轴联动,最大化的节约了测量时间,降低了时间成本;

6) 定制化报告:提供定制化报告,满足各种个性化需求。


B.专业的叶盘检测方案

a)全尺寸检测与评价

• 适合各种类型叶盘测量,包括风扇、压气机等;实现叶盘全尺寸的自动检测与评价。                                                   

b)超高速四轴联动扫描

• 叶盘叶片检测的难点在于扭曲的复杂型面,Hexagon超高速四轴扫描完美地解决了这个问题;测量软件根据叶片扭曲间隙自动计算出每个测量点的转台角度和测针进出叶片安全点的位置,节约了大量的编程时间

c)独有的非接触内腔检测

焊接后的叶盘内腔,接触式测针无法进行有效测量,Hexagon非接触光学测头的延长光线可以有效抵达测量部位,实现对内腔的测量。目前,此方案是航空发动机双层叶盘类工件负责内腔大尺寸地精测量的唯一解决方案。

• 非接触测量:使得零件免受任何机械损伤,可避免测针磨损,同时零件不需要任何喷涂标记。对有涂层的叶片,非接触测量能保持叶片涂层不受损伤;减少机械探测的局限性,实现高效的数据采集,提供了更快的扫描速度。如检测叶盘的叶尖,直接扫描全部叶片的叶尖,转台匀速旋转即可;空间分辨率高,完成最小细节乃至微观尺寸的测量,如倒角和划痕等。

此方案将成为航空复杂零部件高效率精密测量的最佳方案,它刷新了精密测量的历史记录,整体叶盘检测效率提升95%。

d)一键式操作界面

• 参数化检测界面,只需输入不同工件参数,即可一键式完成自动化测量,操作简单;全部编程封装化,适用不同尺寸工件,大幅减少编程调试的时间和人工成本;操作简单,所有测量点安全路径,转台角度,报告自动生成,即使是车间工人也可以在极短时间内轻松检测。


C. 权威的叶片分析

基于截面数据计算方法,实现对未完成和已完成的叶片的测量分析。

根据用户需求,软件包可提供多种评价方式:定制化评价和分析,用户只需提供理论数据、评价参数以及相应算法和公差要求即可完成对叶片特定要求的测量和分析评价:定制化图形报告,根据客户要求自动生成数据和图形报告,并协助进行数据分析。


D. 定制化检测报告

图形化定制报告报告:支持多种报告输出格式:PDF,JPEG和HTML格式,也可以直接打印:可直接输出元素到Quindos:可按照制定条件输出(如超差)

  

E.叶片智能化选配与排布

叶片选配求最优解的这个行业内公认的难题。发动机在选配结束后进行装配的过程中,为保证压气机转子平衡,需要依据该组转子叶片固有频率的重量矩进行排布,以为提高容错率,提高效率。

Hexagon智慧质量管理系统将叶片选配工艺和排布系统进行了集成,应用最优解算法,最大化分解出最优组合,降低库存率及人工选配出错率,大幅节省人工成本,原来人工选配需要3个人做3天的工作,采用本方案仅需要5分钟。降低行业差别性和特殊性,即使不了解行业的新人,经过简单培训也可操作。


F.方案组成

a) 检测专机

专为解决最复杂的计量问题而设计,具有有效扫描功能的活动桥式测量机。独特的TRICISIONTM式(精密三角梁)横梁设计,提供了良好的刚性质量比。轻合金桥架,与传统设计相比较刚性提高了25%,X向导轨重心降低50%,从而保证了平稳、精确的运动。移动桥上轴承跨距更宽,降低了由于桥架自转而引起的误差,从而保证了整机空间精度更高,降低了重复性误差,提高了加速和减速性能,使得测量效率更高。经过精密加工的整体燕尾型导轨,提高了机器的精度和重复性。非接触式光栅尺避免了摩擦,装配时一端固定,另一端可随温度变化而调整,光栅热膨胀系数获得PTB认证。适用于测量箱体类工件,包括各种形状以及对叶片、齿轮和螺旋转子等复杂几何元素的测量,同时还包括了自由曲面。

探测系统

• 固定式模拟扫描测量系统:专为高速、高精度测量机设计而成。此测头系统的每个轴均由高精度的LVDT(线性可变微分传感器)组成,从而允许携带长达800 mm以及重达650 g的探针和加长杆。其探测模式包括单点触发测量、自定中心和高速扫描,可完成各种复杂的测量任务,包括复杂轮廓和外形的扫描。能够兼容各种附件,包括各种探针、加长杆、连接座和关节,从而可完成任何测量任务。能够直接通过具备高度重复性的探针吸盘更换测针,而不需重新校正,仍保持测量精度。

•光学非接触测量系统:基于调频干涉光测距原理实现非接触测量。光学探针具有与接触式扫描测头相当的精度和可靠性,更高的扫描速度,更大的测量范围和非接触式测量的普遍光学优势。当测量速度很重要且零件难以通过接触式测头进入或者触发测量可能变形时,它是高精度接触式测量的替代方案。

超高速四轴联动转台

回转体类零件的检测难点在于扭曲的复杂型面,Hexagon高精度转台完美地解决了这个问题,实现高速联动扫描;测量软件根据叶片扭曲间隙自动计算出每个测量点的转台角度和测针进出叶片安全点的位置,节约了大量的编程时间。

b)专业测量软件

海克斯康集团拥有功能强大的计量软件。基于特征进行检测,程序编辑直观,人机良好互动,适合各种操作水平的测量人员使用。支持最新的Windows 10操作系统,具有CAD功能,I++接口,嵌入式界面和可订制的用户界面,便捷的操作,给操作者带来简单明了的操作体验。其基本测量特征包括点、线、圆弧、椭圆、抛物线、平面、球、圆柱、圆锥、双曲面、椭球、抛物面等。可以对测量元素进行相交投影等多种处理。根据ISO几何产品规范进行形位公差的评价,提供图文并茂的检测报告。

c) 叶盘应用检测模块

海克斯康专业的叶盘模块,实现叶盘叶片的智能化检测,并可根据客户需求进行开发定制,成本低且十分灵活。基于海克斯康强大的计量检测软件,整合叶型三维矢量算法、多种叶型分析拟合算法和专业喉道面积算法等,有效解决叶盘叶片前缘边缘的检测难题,满足叶盘测量高精度、全扫描和复合式测量的检测需求。

特殊开发的人性化的软件操作界面,无需CAD数模,避免了编程的繁琐和麻烦,将复杂的测量程序进行封装,只需键入工件参数,支持单点测量和扫描两种方式,无需人工编程,一条指令即可完成坐标系、测量、评价和报告输出整个过程,并可根据企业标注选择需要评价的特征,有效节省人工、提高产能,是叶盘检测、数据管理分析的一体化解决方案,解决了国内叶盘的测量难题。

d) 叶片分析模块

Hexagon叶片分析模块,应用基于截面数据的计算方法,实现对未完成和已完成的叶片的测量分析。通过获取的2D或3D叶片截面数据,与理论数据进行三维比较和分析,进而得到叶片各参数数据与理论值进行对比分析。

根据用户需求,软件包可提供多种评价方式。用户只需提供理论数据、评价参数以及相应算法和公差要求即可完成对叶片特定要求的测量和分析评价。分析评价过程完成后,软件包会自动根据客户要求生成数据和图形报告,客户可据此判定所检叶片是否合格,并迅速找到不合格品在制造中存在的问题点,从而解决问题。

e)叶片选配和排布模块

发动机在前期研制过程中,常常出现振动大的情况,使其零件产生疲劳损坏,降低发动机的使用寿命。而保证转子叶片具有合格的固有频率是保证压气机转子平衡的先决条件,为保证压气机转子平衡,需要依据该组转子叶片固有频率的重量矩进行排布。

Hexagon的智能化叶片选配及排序模块将叶片选配工艺和排布系统进行了集成,应用最优解算法,最大化分解出最优组合,降低库存率及人工选配出错率,大幅节省人工成本,原来人工选配需要3个人做3天的工作,采用本方案仅需要5分钟。降低行业差别性和特殊性,即使不了解行业的新人,经过简单培训也可操作。

f) 装夹系统

高质量自定心三爪卡盘,适用于多种尺寸工件的装夹。工件支撑高度可通过增加或减少转接立柱进行调整,适应不同工件的测量要求;夹具与底板之间可通过球锁快速定位锁紧,可实现多种工件夹具的快速更换。


G.先进技术

a) 叶型三维矢量补偿算法

对于大扭曲叶片的三维扫描,采用三维空间补偿、光顺算法,真实补偿出前后缘形状。

b) 专业、全面的叶型计算分析,包括多种拟合算法:

最小二乘法、有约束条件的最小二乘法进行计算的最佳拟合、矢量拟合、全叶型拟合、Min Max 最大最小法、利用叶型中线上的2点定义的区间内的点进行最佳拟合计算

c) 专业的喉道面积算法

发动机叶片的喉道面积是发动机装配,调试的重要参数,喉道面积的测量是叶片装配的关键, Hexagon专业的喉道面积算法能精确计算出盘的‘最小通道’。喉道面积的流量与发动机的推力有关,是影响发动机性能的重要因素,叶片喉道面积测具保证叶片通道排气量均匀。

d)多测头技术

同时支持高速扫描和触发式探测测量,配合自动更换设备可轻松切换不同的测头,从而最大程度实现灵活性和测量功能。

e) VHSS可变快速扫描技术

在进行复杂几何特征的扫描时(比如螺旋压缩机)传统的扫描方法需要手动调整扫描速度以避免丢失接触点,采用VHSS技术后,测量机可以在已知几何特征情况下实时调整扫描速度,平直的部位扫描速度快,曲面与弯曲部位扫描速度降低,实现了检测效率与精度的优化。

f) 智能锁定扫描技术

对于小圆弧或者棱边曲线,曲率变化较大,常规测量容易产生较大误差甚至停机,为此,海克斯康推出了“智能锁定扫描技术”来解决这个问题。

利用“智能锁定扫描技术”,在扫描过程中自动修正扫描路径并重新扫描,做到测量过程中“永不停机”,并能做到无人值守的测量操作

g) 先进模拟仿真技术

本技术可以使用一台设备进行编程活动的集中检测,几乎能实现100% 的脱机编程检测。实现一台中央设备管理所有生产现场的设备的功能。通过场景对现场的设备(包括检测设备、探测系统、更换架、校验工具、转台、温度传感器、夹具、上下料系统、办公设备、测量实验室、工厂等)进行完整的模拟仿真。可将检测程序在不同场景中进行编写和验证,然后分别布置到不同的制造现场进行实施。

h) 多处理器并行的评估和分析

大多数的测量软件顺序执行指令,在大量的数据处理时可能会浪费大量的时间。多处理器并行处理——主CPU 负责测量,并行 CPU 负责数据处理。


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海克斯康测量技术(青岛)有限公司