CN103245291B - 叶片类零件装配精度检测方法 - Google Patents

Abstract

叶片类零件装配精度检测方法，具体操作步骤如下：步骤一，采集装配前的各叶片工作曲面数据，计算平均偏差值；步骤二，建立叶片转子的实际坐标系；步骤三，采集装配后的各叶片工作曲面的数据；步骤四，计算叶片装配偏差数据；步骤五，确定叶片装配位置偏差值和叶片装配角度偏差值。本发明以叶片工作面为测量目标，采集整个工作面上各点的空间位置坐标，以所采集到得几万个测量点为基础，计算出叶片的装配偏差，可真实完整地表征出叶片的装配偏差，极大地提高其测量精度，为叶片的后期安装调整提供了精度保障。

Description

叶片类零件装配精度检测方法

技术领域

本发明属于曲面类零件装配精度检测技术领域，具体涉及一种叶片类零件装配精度检测方法。

背景技术

叶片为大型动力装备中广泛使用的零件。船用螺旋桨、汽轮机、航空发动机等大型动力装备均属于叶片式流体机械，它们具有相同的工作原理，通过装有叶片的转子高速旋转，流体在叶片所组成的流道中通过，将各种形式的能量与机械能相互转化。转子作为完成能量转换的核心部件，其上叶片的安装精度直接影响着流道形状，进而决定了整套系统的工作性能。

以组合式船用螺旋桨推进器转子为例。如图1所示，其主要由两部分组成叶片1和桨毂2。多个叶片通过自身安装基准：导向柱1-3和定位卡槽1-3-1通过装配孔2-1安装于桨毂上组成转子。如图1所示：叶片工作面由空间曲面叶面1-1和叶背1-2组成，而叶片的装配精度指的是叶片工作面与设计位置间的偏差。现行叶片装配精度的检测方法皆采用间接的测量方式，以叶片一部分特征为测量目标，检测其与理论位置间的偏差来表征整个叶片的装配精度。这种检测方式，由于所测量部分的面积有限，无法完整真实的表征叶片工作面的装配精度，测量精度较低。而且，若存在制造误差和叶片工作面变形等因素时，被测量部分与叶片工作面产生位置偏差，该种方法已无法用于检测叶片的安装精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶片类零件装配精度检测方法，解决了现有方法由于采用间接的测量方式，以叶片部分特征为测量目标，无法完整真实的表征整个叶片的装配精度，致使测量精度较低的问题。

本发明的目的是这样实现的，叶片类零件装配精度检测方法，具体操作步骤如下：

步骤一，采集装配前的各叶片工作曲面数据，计算平均偏差值；

步骤二，建立叶片转子的实际坐标系；

步骤三，采集装配后的各叶片工作曲面的数据；

步骤四，计算叶片装配偏差数据；

步骤五，确定叶片装配位置偏差值和叶片装配角度偏差值。

本发明的特点还在于：

上述步骤一包括：

(1)使用激光测量设备对未装配的每个叶片上下工作曲面进行扫描，采集工作面上各点的实际空间坐标，采集点数平均500～1500点/cm²。

(2)将所采集的每个叶片的实际空间坐标数据及叶片标准三维模型导入至三维检测软件，以叶片测量点的实际空间坐标数据为测量目标，以叶片三维模型中上下工作曲面为参考基准，采用偏差最小值对齐方式对齐数据和标准三维模型，计算叶片工作面上各点的实际空间位置与标准三维模型间的平均偏差值б_e初始。

偏差最小值对齐方式为不断变换测量点的实际数据的坐标系，当所有测量点与三维模型曲面间平均偏差达到最小值时即认为变换完成。

上述步骤二包括建立与转子三维模型的理论坐标系“X，Y，Z，O”相对应的实际坐标系“X1，Y1，Z1，O1”，其具体步骤如下：

(1)将未装有叶片的桨轮固定后，通过激光测量设备打点测量桨毂端面、中心轴孔及装配孔的数据点；

(2)对桨毂端面上的数据进行拟合得到基准“X1，Y1”平面；

(3)对中心轴孔测得的数据向步骤二中(2)步中拟合出的“X1，Y1”平面进行投影，对投影点数据进行圆拟合，圆心即为坐标系原点O1；

(4)对装配孔上的数据进行圆柱拟合，拟合出轴心线，将该中心线投影至基准“X1，Y1”平面上，过原点O1做一条指向装配孔并与投影线平行的直线“O1，X1”，直线“O1，X1”所指方向即为坐标系的X1轴方向；过原点O1做直线“O1，X1”的垂线“O1，Y1”，其为坐标系的Y1轴方向，过原点O1做垂直于基准“X1，Y1”平面的直线“O1，Z1”，其为坐标系Z1轴方向；坐标系“X1，Y1，Z1，O1”为建立起来的实际坐标系。

上述步骤三为将所有叶片装配于桨毂上，以装配孔上装配的叶片为第一个叶片，通过使用激光测量设备，依次采集到各叶片的上下工作曲面的测量点数据，采集点数平均500～1500点/cm²，所采集到的数据以同一叶片为一组的原则依次保存。

上述步骤四包括：

(1)将步骤三中第一组叶片测量点数据与步骤二中建立起的实际坐标系数据导入至三维检测软件，并将两组数据合并为一组。

(2)将装配好叶片的转子三维模型也导入至三维检测软件，以第一组叶片测量点数据为测量目标，以转子三维模型中所对应的叶片的叶面和叶背为参考基准，采用偏差最小值对齐方式对齐数据和标准三维模型，计算第一组叶片工作面上各点的实际空间位置与标准三维模型间的平均偏差值б_{e装 配}，当б_e初始－б_e装配≤±“激光测量设备的测量精度”时，既认为对齐完成。

(3)在第一组叶片数据的对齐过程中，零件实际坐标系数据也随着对齐至装配好叶片的转子三维模型中，理论上如果叶片数据与参考基准完全一致时，实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”也应与模型中的理论坐标系“X，Y，Z，O”相重合，然而由于存在装配偏差，其无法达到重合，因此，对齐后的实际坐标系数据与模型中的坐标系的偏差即可表征第一组叶片的装配精度；

(4)依次对测得的各组叶片数据，实施步骤四中(1)至(3)步操作，即可得到各组叶片的装配精度数据。

上述步骤五中：

(1)叶片装配位置偏差值的确定

叶片装配位置偏差值为其实际位置与理论位置之间的偏差，可由步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的原点“O1”在模型理论坐标系“X，Y，Z，O”下的坐标值“X_O1，Y_O1，Z_O1”所表示；

(2)叶片装配角度偏差值的确定

a，叶片装配周向角度偏差值θ

叶片的周向角度偏差值θ为叶片实际中心轴1-3-2-1与叶片理论中心轴间的夹角，可由在步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的“X1”轴投影至“X，Y”面，该投影线与“X”轴间的夹角θ₁所表征；

b，叶片装配径向角度偏差值α

叶片的径向角度偏差值α为叶片沿径向剖面，理论位置与实际位置间的偏转角度，可由步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的“Z1”轴投影至叶片的径向剖面，该投影线与“Z”轴间的夹角α₁所表征。

上述激光检测设备为关节臂式激光测量机。

本发明具有如下有益效果，本发明以叶片工作面为测量目标，采集整个工作面上各点的空间位置坐标，以所采集到得几万个测量点为基础，计算出叶片的装配偏差，可真实完整地表征出叶片的装配偏差，极大地提高其测量精度，为叶片的后期安装调整提供了精度保障。

附图说明

图1是组合式船用螺旋桨推进器转子示意图；

图2是图1中的叶片示意图；

图3是图1中的叶片叶面示意图；

图4是本发明采用关节臂式激光测量机测量原理示意图；

图5是采用本发明叶片类零件装配精度检测方法的叶片实际坐标系建立示意图；

图6是采用本发明叶片类零件装配精度检测方法的叶片装配周向角度偏差值示意图；

图7是采用本发明叶片类零件装配精度检测方法的叶片装配径向角度偏差值示意图；

图中，1.叶片，1-1.叶面，1-2.叶背，1-3.导向柱，1-3-1.定位卡槽，1-3-2.叶片理论中心轴，1-3-2-1.叶片实际中心轴，2.桨毂，2-1.装配孔，2-6.中心轴孔，2-7.桨毂端面，3.测量曲面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明叶片类零件装配精度检测方法，使用激光测量设备，该种设备只要同时具备打点测量和激光扫描测量功能，均可用于实施本发明中的方法，如关节臂式激光测量机，其测量原理如图4所示，以其自身为基准坐标系如图中的X，Y，Z，O可测量周围各点的实际空间坐标，如图5中所示的测量曲面3上个点的坐标。然而测量曲面3三维建模时的坐标系为图中的X1，Y1，Z1，O1坐标系，因此，为了对比测量数据与三维模型间的偏差，必须将测量数据坐标系变换为三维模型坐标系，为此使用到一种变换方式，即不断变换测量数据的坐标系，当计算所有测量点与三维模型曲面间平均偏差达到最小值时即认为变换完成，而该种方法也是本发明中所使用到的，可称其为“偏差最小值对齐方式”。

具体按照以下步骤实施：

步骤一，采集装配前的各叶片工作曲面数据，计算平均偏差值；

步骤二，建立叶片转子的实际坐标系；

步骤三，采集装配后的各叶片工作曲面的数据；

步骤四，计算叶片装配偏差数据；

步骤五，确定叶片装配位置偏差值和叶片装配角度偏差值。

实施例

图1是组合式船用螺旋桨推进器转子示意图；按本发明中提出的检测方法检测偏转角度，具体实施步骤如下：

步骤一：装配前单叶片工作曲面数据采集及偏差对比

(1)使用关节臂式激光测量机对未装配的每个叶片上下工作曲面进行扫描，采集工作面上各点的实际空间坐标，采集点数平均500～1500点/cm²。

(2)将所采集的每个叶片的数据及叶片标准三维模型导入至“三维检测软件”，以叶片测量点数据为测量目标，以叶片三维模型中上下工作曲面为参考基准，采用“偏差最小值对齐方式”对齐数据和标准三维模型，计算叶片工作面上各点的实际空间位置与标准三维模型间的平均偏差值(叶片序号)б_e初始。

步骤二：建立转子实际坐标系

如图5所示，坐标系“X，Y，Z，O”为转子三维模型的理论坐标系所在位置。其具体位置为“X，Y”基准面位于桨毂端面2-7上，原点O位于桨毂2的中心轴孔2-6的圆心上，X轴所指方向为桨毂2上叶片装配孔2-1的轴线方向。

为建立起转子的实际坐标系，根据以上所述情况，考虑到转子的实际安装情况及测量方便，建立与转子三维模型的理论坐标系“X，Y，Z，O”相对应的实际坐标系“X1，Y1，Z1，O1”，其具体步骤如下：

(1)将未装有叶片的桨轮固定后，通过关节臂式激光测量机打点测量如图1中的桨毂端面2-7，中心孔2-6及装配孔2-1的数据点。

(2)对桨毂端面2-7上的数据进行拟合得到基准“X1，Y1”平面。

(3)对中心轴孔2-6测得的数据向(2)中拟合出的“X1，Y1”平面进行投影，对投影点数据进行圆拟合，圆心即为坐标系原点O1。

(4)对装配孔2-1上的数据进行圆柱拟合，拟合出轴心线，将该中心线投影至基准“X1，Y1”平面上，过原点O1做一条指向装配孔2-1并与投影线平行的直线“O1，X1”，直线“O1，X1”所指方向即为坐标系的X1轴方向。过原点O1做直线“O1，X1”的垂线“O1，Y1”，其为坐标系的Y1轴方向，过原点O1做垂直于基准“X1，Y1”平面的直线“O1，Z1”，其为坐标系Z1轴方向。坐标系“X1，Y1，Z1，O1”为建立起来的实际坐标系。

步骤三：装配后各叶片工作曲面的数据采集

将所有叶片装配于桨毂2上，以装配孔2-1上装配的叶片为第一个叶片，通过使用关节臂式激光测量机，依次采集到各叶片的上下工作曲面的测量点数据，采集点数平均500～1500点/cm²，所采集到的数据以同一叶片为一组的原则依次保存。

步骤四：叶片装配偏差数据获得

(1)将步骤三中第一组叶片测量点数据与步骤二中建立起的零件实际坐标系数据导入至“三维检测软件”，并将两组数据合并为一组。

(2)将装配好叶片的转子三维模型也导入至“三维检测软件”。以第一组叶片测量点数据为测量目标，以转子三维模型中所对应的叶片的叶面和叶背为参考基准，采用“偏差最小值对齐方式”对齐数据和标准三维模型，计算第一组叶片工作面上各点的实际空间位置与标准三维模型间的平均偏差值б_e装配，当б_e初始－б_e装配≤±“激光测量设备的测量精度”时，既认为对齐完成。

(3)在第一组叶片数据的对齐过程中，零件实际坐标系数据也随着对齐至装配好叶片的转子三维模型中，理论上如果叶片数据与参考基准完全一致时，零件实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”也应与模型中的理论坐标系“X，Y，Z，O”相重合，然而由于存在装配偏差，其无法达到重合，因此，对齐后的零件实际坐标系数据与模型中的坐标系的偏差即可表征第一组叶片的装配精度。

(4)依次对测得的各组叶片的数据，实施(1)至(3)步操作即可得到各组叶片的装配精度数据。

步骤五：叶片装配偏差值数据分析

叶片的装配偏差为一个三维空间数据，其主要分为位置偏差值和角度偏差值。

(1)叶片装配位置偏差值分析

叶片装配位置偏差值为其实际位置与理论位置之间的偏差，可由步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的原点“O1”在模型理论坐标系“X，Y，Z，O”下的坐标值“X_O1，Y_O1，Z_O1”所表示。

(2)叶片装配角度偏差值分析

a，叶片装配周向角度偏差值θ

叶片的周向角度偏差值θ，如图6所示为叶片实际中心轴1-3-2-1与理论中心轴1-3-2间的夹角，可由在步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的“X1”轴投影至“X，Y”面，该投影线与“X”轴间的夹角θ₁所表征。

b，叶片装配径向角度偏差值α

叶片的径向角度偏差值α，如图7所示为叶片沿径向剖面，理论位置与实际位置间的偏转角度，可由步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的“Z1”轴投影至叶片的径向剖面，该投影线与“Z”轴间的夹角α₁所表征。

本实施例通过采集整个叶片工作面各点的空间位置坐标，以所采集到得几万个测量点为基础，计算出叶片的装配偏差，避免了现有技术采用间接测量方式，由于所测量部分的面积有限，无法完整真实的表征叶片工作面的装配精度，测量精度较低的问题。本发明可真实完整地表征出叶片的装配偏差，极大地提高其测量精度，为叶片的后期安装调整提供了精度保障。

Claims (7)

1.叶片类零件装配精度检测方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤一，采集装配前的各叶片工作曲面数据，计算平均偏差值；

步骤二，建立叶片转子的实际坐标系；

步骤三，采集装配后的各叶片工作曲面的数据；

步骤四，计算叶片装配偏差数据；

步骤五，确定叶片装配位置偏差值和叶片装配角度偏差值。

2.如权利要求1所述的叶片类零件装配精度检测方法，其特征在于，所述步骤一包括：

(1)使用激光测量设备对未装配的每个叶片上下工作曲面进行扫描，采集工作面上各点的实际空间坐标，采集点数平均500～1500点/cm²；

(2)将所采集的每个叶片的实际空间坐标数据及叶片标准三维模型导入至三维检测软件，以叶片测量点的实际空间坐标数据为测量目标，以叶片三维模型中上下工作曲面为参考基准，采用偏差最小值对齐方式对齐数据和标准三维模型，计算叶片工作面上各点的实际空间位置与标准三维模型间的平均偏差值б_e初始；

偏差最小值对齐方式为不断变换测量点的实际数据的坐标系，当所有测量点与三维模型曲面间平均偏差达到最小值时即认为变换完成。

3.如权利要求1或2所述的叶片类零件装配精度检测方法，其特征在于，所述步骤二包括建立与转子三维模型的理论坐标系“X，Y，Z，O”相对应的实际坐标系“X1，Y1，Z1，O1”，其具体步骤如下：

(1)将未装有叶片的桨轮固定后，通过激光测量设备打点测量桨毂端面、中心轴孔及装配孔的数据点；

(2)对桨毂端面上的数据进行拟合得到基准“X1，Y1”平面；

(3)对中心轴孔测得的数据向步骤(2)中拟合出的“X1，Y1”平面进行投影，对投影点数据进行圆拟合，圆心即为坐标系原点O1；

(4)对装配孔上的数据进行圆柱拟合，拟合出轴心线，将该中心线投影至基准“X1，Y1”平面上，过原点O1做一条指向装配孔并与投影线平行的直线“O1，X1”，直线“O1，X1”所指方向即为坐标系的X1轴方向；过原点O1做直线“O1，X1”的垂线“O1，Y1”，其为坐标系的Y1轴方向，过原点O1做垂直于基准“X1，Y1”平面的直线“O1，Z1”，其为坐标系Z1轴方向；坐标系“X1，Y1，Z1，O1”为建立起来的实际坐标系。

4.如权利要求3所述的叶片类零件装配精度检测方法，其特征在于，所述步骤三为将所有叶片(1)装配于桨毂(2)上，以装配孔(2-1)上装配的叶片(1)为第一个叶片，通过使用激光测量设备，依次采集到各叶片(1)的上下工作曲面的测量点数据，采集点数平均500～1500点/cm²，所采集到的数据以同一叶片(1)为一组的原则依次保存。

5.如权利要求4所述的叶片类零件装配精度检测方法，其特征在于，所述步骤四包括：

(1)将步骤三中第一组叶片测量点数据与步骤二中建立起的实际坐标系数据导入至三维检测软件，并将两组数据合并为一组；

(2)将装配好叶片的转子三维模型也导入至三维检测软件，以第一组叶片测量点数据为测量目标，以转子三维模型中所对应的叶片的叶面和叶背为参考基准，采用偏差最小值对齐方式对齐数据和标准三维模型，计算第一组叶片工作面上各点的实际空间位置与标准三维模型间的平均偏差值б_e装配，当б_e初始－б_e装配≤±“激光测量设备的测量精度”时，既认为对齐完成；

(3)在第一组叶片数据的对齐过程中，零件实际坐标系数据也随着对齐至装配好叶片的转子三维模型中，理论上如果叶片数据与参考基准完全一致时，实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”也应与模型中的理论坐标系“X，Y，Z，O”相重合，然而由于存在装配偏差，其无法达到重合，因此，对齐后的实际坐标系数据与模型中的坐标系的偏差即可表征第一组叶片的装配精度；

(4)依次对测得的各组叶片数据，实施步骤四中(1)至(3)步操作，即可得到各组叶片的装配精度数据。

6.如权利要求5所述的叶片类零件装配精度检测方法，其特征在于，所述步骤五中包括：

(1)叶片装配位置偏差值的确定

叶片装配位置偏差值为其实际位置与理论位置之间的偏差，可由步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的原点“O1”在模型理论坐标系“X，Y，Z，O”下的坐标值“X_O1，Y_O1，Z_O1”所表示；

(2)叶片装配角度偏差值的确定

a，叶片装配周向角度偏差值θ

叶片的周向角度偏差值θ为叶片实际中心轴(1-3-2-1)与叶片理论中心轴间的夹角，可由在步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的“X1”轴投影至“X，Y”面，该投影线与“X”轴间的夹角θ₁所表征；

b，叶片装配径向角度偏差值α

叶片的径向角度偏差值α为叶片沿径向剖面，理论位置与实际位置间的偏转角度，可由步骤四中获得的叶片实际坐标系数据“X1，Y1，Z1，O1”中的“Z1”轴投影至叶片的径向剖面，该投影线与“Z”轴间的夹角α₁所表征。

7.如权利要求6所述的叶片类零件装配精度检测方法，其特征在于，所述激光检测设备为关节臂式激光测量机。