CN102944206B - 一种整体叶轮三坐标测量的分步定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体叶轮三坐标测量的分步定位方法。该定位方法分为两步，第一步是利用整体叶轮上的端平面、圆柱面和叶片边缘上的点进行初步定位，使测头能够顺利接触工件并实现测量；第二步是在获得叶片上的多个测量点后，将叶片测量点与理论模型进行配准，通过配准结果对整体叶轮的周向进行定位调整，实现进一步的精确定位；适用于周向无定位特征的整体叶轮，能提高三坐标测量时整体叶轮的周向定位精度。

Description

一种整体叶轮三坐标测量的分步定位方法

技术领域

本发明涉及整体叶轮测量技术领域，特别涉及一种整体叶轮三坐标测量的分步定位方法。

背景技术

整体叶轮是发动机、透平等动力机械的关键零部件，广泛应用于航空、航天、机械等领域，具有很高的尺寸和形状要求。为了保证整体叶轮产品的质量，在加工完成后需要对其外形进行测量。

三坐标测量机是一种精密测量仪器，大量用于对整体叶轮的外形测量。测量时的一个难点是如何高精度地对整体叶轮进行定位，定位精度直接影响对测量数据的分析结果。

整体叶轮的三坐标测量定位就是在测量工件上建立一个坐标系，包括三个方面的内容：轴向定位、周向定位和中心定位。整体叶轮包含有相配合的圆柱面和一些平的端平面，这些部位制造精度高，其中平的端平面可以用于测量时的轴向定位，圆柱面可以用于中心定位。而周向定位需要依赖周向特征，但由于整体叶轮在周向上是需要进行高速旋转运动，为轴对称结构，因而很多整体叶轮在周向上没有明显的高精度定位特征，造成周向定位较为困难。通常的简单做法可以采取在叶片局部采集特征点的方法进行周向定位，但由于难以精确找到特征点的理论位置，周向定位精度较低。在初步测量后，利用测量数据与理论数模的配准可以调整工件的测量坐标系，但是由于叶片的制造精度通常比相配合的圆柱面和一些平的端平面的精度低，因此虽然提高了周向定位精度，但造成配准后的坐标系在轴向和中心处的精度损失。因此，希望设计一种定位方法，提高整体叶轮的周向定位精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是整体叶轮在采用三坐标进行零件测量时周向定位精度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种整体叶轮三坐标测量的分步定位方法。该方法包括两步。

第一步是利用整体叶轮上的端平面、圆柱面和叶片边缘上的点来建立一个包括原点O、X轴、Y轴和Z轴的初步测量坐标系OXYZ，进行初步定位，使测头能够顺利接触工件并实现测量。

第二步对叶片进行测量，获得某个叶片上的多个测量点，将测量点与理论模型进行配准，根据配准结果对整体叶轮的初步测量坐标系OXYZ进行调整，实现进一步的精细定位。

进一步在于初步测量坐标系OXYZ的建立具体为：端平面的法矢确定Z轴，圆柱面中心线与端平面的交点确定原点O，原点与叶片边缘上的点的连线确定X轴，Y轴根据Z轴和X轴以右手法则来确定。

进一步在于根据配准结果对整体叶轮的初步测量坐标系OXYZ进行调整，不改变Z轴和原点O的位置，配准结果只改变X轴方向为X′，调整整体叶轮的周向定位，新的Y′轴根据Z轴和X′轴来确定。

进一步在于通过对配准结果在六个分量上进行分解和部分分量置零的方法，使得配准结果不影响已经高精度定位的Z轴和原点O位置，仅对整体叶轮的周向X轴和Y轴进行定位调整，实现整体叶轮进一步的精细定位，对初步测量坐标系OXYZ调整的具体步骤为：

（1）采用迭代最近点（ICP）方法对叶片测量点与理论模型进行配准，获得两者间的转换矩阵 T ；

（2）将转换矩阵 T 转换分解为六个分量：三个平移量和三个旋转欧拉角；

（3）保留绕Z轴旋转的欧拉角分量，其它分量设置为0，获得新的转换矩阵 T′；

（4）将转换矩阵 T′作用于坐标系OXYZ，由于仅有绕Z轴旋转的欧拉角分量，因此X轴和Y轴将绕Z轴旋转，得到新的坐标系为O X′Y′Z。

附图说明

图1是本发明实施例的整体叶轮装夹示意图；

图2是本发明实施例的初步测量坐标系的建立示意图；

图3是本发明实施例的测量坐标系调整示意图；

其中：1-圆柱面，2-端平面，3-叶片边缘上的点。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

本实施例如图1、2、3所示，本实施提供一种整体叶轮三坐标测量的分步定位方法，以一轴流开式整体叶轮为例，叶轮如图1示意安装在三坐标测量机上的工作台上。

采用手动方式对在整体叶轮进行测量，测量内容包括：在端平面2上测量三个以上的测量点，在圆柱面1上测量6个以上的测量点，在叶片最边缘上测量一个叶片边缘上的点3。以端平面的法矢确定Z轴方向，圆柱面1中心线与端平面2的交点确定原点O，以叶片边缘上的点3与原点O建立一直线，该直线方向为X轴，建立初步测量坐标系OXYZ，如图2所示。

在初步测量坐标系OXYZ下，根据事先规划的测量路径对整体叶轮的一个叶片进行测量。

将测量数据与理论模型利用迭代最近点方法进行配准，得两者间的转换矩阵 T 。将变换矩阵 T 分解为六个自由度上子变换矩阵的乘积，坐标变换的顺序为先按照绕X、Y和Z轴进行旋转、然后绕X、Y和Z轴分别进行平移，得到：

表示绕X、Y和Z轴旋转的角度，表示沿旋转后新坐标系的平移位移，六个子变换矩阵分别为：

将配准结果进行分解后，就可对分别对六个自由度的约束作用分别进行限制。这里要求后续配准只作用于分量，因此保留的值不变，而将其他分量置为0，即其他的分量矩阵设置为单位矩阵 I ，也就是说新的变换矩阵。

将矩阵作用于坐标系OXYZ，得到新的坐标系Z轴和原点O保持不变，X轴和Y轴将绕Z轴旋转，即新的坐标系为O X′Y′Z，为更为精确的定位。测量坐标系调整示意图如图3所示。

在新的坐标系下，完成所有叶片的测量工作。

Claims (1)

1.一种整体叶轮三坐标测量的分步定位方法，其特征在于包括以下两步：

第一步将整体叶轮固定在三坐标测量机床上，利用整体叶轮上的端平面、圆柱面和叶片边缘上的点来建立一个包括原点O、X轴、Y轴和Z轴的初步测量坐标系OXYZ，进行初步定位，使测头能够顺利接触工件并实现测量；

第二步对叶片进行测量，获得某个叶片上的多个测量点，将测量点与理论模型进行配准，根据配准结果对整体叶轮的初步测量坐标系OXYZ进行调整，实现进一步的精细定位；

初步测量坐标系OXYZ是利用整体叶轮上的端平面、圆柱面和叶片边缘上的点建立的，端平面的法矢确定Z轴，圆柱面的中心线与端平面的交点确定原点O，原点O与叶片边缘上的点的连线确定X轴，Y轴根据Z轴和X轴以右手法则来确定；

根据配准结果对整体叶轮的初步测量坐标系OXYZ进行调整，不改变Z轴和原点O的位置，配准结果只改变X轴方向为X′，调整整体叶轮的周向定位，新的Y′轴根据Z轴和X′轴来确定；

对初步测量坐标系OXYZ调整的具体步骤为：

（1）采用迭代最近点ICP方法对叶片测量点与理论模型进行配准，获得两者间的转换矩阵T；

（2）将转换矩阵T转换分解为六个分量：三个平移量和三个旋转欧拉角；

（3）保留绕Z轴旋转的欧拉角分量，其它分量设置为0，获得新的转换矩阵T′；

（4）将转换矩阵T′作用于初步测量坐标系OXYZ，由于仅有绕Z轴旋转的欧拉角分量，因此X轴和Y轴将绕Z轴旋转，得到新的坐标系为O X′Y′Z。