航空發動機葉片型面測具快速設計系統
葉片是航空發動機zui為關鍵的零件之一，其型面質量對發動機的能量轉換效率起決定性作用，因此葉片質量檢測非常重要[1]；另一方面，葉片結構和形狀復雜，其型面質量檢測具有相當的難度。在生產實踐中，葉片型面檢測需要設計的測具。在以前的葉片型面測具設計過程中，每次設計同一類葉片測具時，都會做許多重復工作，如定位尺寸的計算及檢測截面的生成等。本文結合某航空發動機制造公司的實際需求，研究參數化設計方法，通過特征提取、自動裝配等技術，在unigraphics平臺上，應用二次開發工具ug/open開發航空發動機葉片型面測具的快速設計系統，對不同尺寸的相似結構葉片實現型面測具的快速設計，生成相應的二維裝配圖和零件圖，達到設計重用、提率的目的。
目前葉片的測量方法主要包括樣板法、光學投影測量法、電感測量法、三坐標測量法、激光測量法和機器視覺測量法等[2-3]。其中樣板法屬于模擬量檢測方法，是用葉片型線的理論值生成樣板的檢測面，然后將加工的樣板和葉片上對應的型線進行比對，借助燈光等輔助手段觀察樣板和葉片葉身的間隙大小，估計對應型線的誤差[4]，具有檢測速度快、操作簡單、便于現場使用等優點，在葉片加工檢驗過程中得到廣泛使用。電感測量法和三坐標測量法的測量精度較高，但技術操作比較復雜，且準備時間長、成本較高，通常作為抽檢、批量產品*檢測或zui終檢驗的技術手段[5]。本文所開發的系統面向樣板測量法的葉片型面測具快速設計。
葉片測具模板的設計
針對一類檢測葉片，基于樣板法的葉片測具的結構形式相對固定，分析其結構組成及結構間關系，抽象為一種固化的參數化結構模型，本文稱之為模板。針對待檢葉片的結構和尺寸形狀，系統進行相關參數的計算，可快速生成新的測具。模板的設計主要考慮葉片定位合理及生成測具中檢測樣板的型線。所需檢測的航空發動機葉片結構如圖1所示，此類葉片的定位元素包含4個定位基準點和4個定位基準面，定位基準點同在葉盆或葉背一側，葉片型面測具以這些定位元素為基準，對葉片進行定位，具體定位方式如圖2所示。
樣板檢測法是將葉片理論型線作為幾何特征來制作檢測某一型線的樣板，通過精密加工方法保證樣板的型面尺寸和形狀精度，以樣板型面和所對應葉片上的型線的吻合度作為衡量其是否合格的依據。為降低測具結構的復雜程度，樣板除檢測型面以外的部分設計為統一結構。樣板型面部分倒角以避免和葉身干涉，同時防止檢測時阻擋視線，如圖3所示。樣板支座采用插槽的形式放置樣板，如圖4所示。
葉片測具模板驅動技術
1參數化技術的應用
參數化設計（parametricdesign）也叫尺寸驅動（dimension-driven），是指設計對象的結構外形大致一樣，可以用一組參數來約定其尺寸關系[6]。采用參數化設計方法，首先建立葉片型面測具模板，模板的模型全部通過參數進行驅動，如果檢測葉片尺寸形狀改變，只需更新模板對應的表達式參數，即可實現葉片測具的快速設計。
在測具模板的建模過程中，采用自頂向下的裝配設計方法。根據實際工程經驗，對從以往測具設計過程中提煉的相關設計參數信息進行分類：（1）通過葉片參數更新的測具模型變量參數；（2）通過測具模型參數更新變量參數；（3）不需更新的常量參數。幾何尺寸參數和非幾何參數全部定義在裝配體模型中，零件模型通過引用裝配體中的參數驅動其模型更新，零件模型中的幾何參數和裝配體中的非幾何參數同時驅動二維工程圖更新。這樣設計可以方便參數更新、便于管理模型數據。以樣板支座的一個插槽特征為例，共有8個參數，其中插槽的長度（length）、深度（depth）和位置（positioning）分別引用裝配體中的參數thickness_yangban、depth_yangban和position_1，文中將它們定義為第1類參數；插槽寬度width與支座寬度p10相同，定義為第2類參數；其他參數可以作為常量不變，定義為第3類參數。
2樣板檢測型面的自動生成
型面測具工作時的主要部件是檢測樣板，而檢測樣板的關鍵是其檢測面特征生成。
首先將葉片在測具模型中進行準確定位獲得型線和樣板之間正確的相對位置，根據葉片和測具的裝配關系進行裝配特征的匹配并創建裝配約束，實現自動裝配。根據葉片在測具上的定位方式，需建立的定位約束和裝配特征如表1所示。
用戶通過交互選擇所有需要檢測的葉身型線即可確定葉片檢測特征，然后系統對這些型線進行編碼，在將葉片裝配到測具上的正確位置以后，此時型線和樣板的位置關系已經確定，調用ug中的wave幾何鏈接器將葉身型線鏈接到檢測樣板模型中，以這條型線按照樣板設計方法生成所需的樣板結構。所謂鏈接，就是在裝配環境下可以將部件a上的1個幾何元素（例如1條邊）以現有的位置關系復制到部件b中，如果a的模型發生更新，這條邊的位置發生變化，此時復制到部件b中的這條邊同樣會更新位置，關系如圖5所示。為簡化程序，在樣板模板中先創建一條曲線，通過拉伸、修剪、倒角等操作，生成一個完整的樣板模型，獲得鏈接的葉身型線之后，將這條型線替換樣板中的曲線，模型中曲線特征之后的操作就會以鏈接的型線為父對象進行操作，從而生成樣板的檢測面，程序流程如圖6所示。
系統實現
在teamcenter和ug平臺上開發了葉片型面測具快速設計系統，所有的數據由teamcenter進行統一管理。teamcenter是西門子開發的一款產品數據管理（pdm，productsdatamanagement）軟件，能夠和ug進行無縫集成，管理ug中的所有模型和數據，實現產品數據來源的*性，避免數據冗余，方便協同設計。
工裝設計人員根據設計向導提示，首先輸入需要檢測的葉片模型id，裝載該葉片模型，然后根據提示信息分別輸入葉片有關數據，交互選擇所需的葉片模型特征，系統會高亮顯示所選葉片特征，操作界面如圖7所示。zui后選擇命名方式并進行存儲，系統自動進行相關計算和操作，快速生成所需的葉片測具。圖8為某葉片設計測具實例。
圖7葉片測具快速設計系統界面
圖8葉片型面測具設計實例
結論
本文在分析葉片型面測具設計的基礎上，結合某航空企業實際需求，通過提煉設計過程，采用參數化設計方法，建立模板，使用特征提取、自動裝配等技術開發出基于ug平臺的葉片測具快速設計系統，設計人員只需輸入有關參數、選擇相關葉片特征，即可在幾分鐘之內完成葉片測具設計，有效地提高了設計效率及自動化水平。
（文章來源：南京航空航天大學機電學院）
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