CN103307984A - 一种用于可调桨叶片的激光测量装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调桨叶片激光测量装置，包括底座、旋转台、激光位移传感器、横向移动机构和纵向移动机构；底座，用于支撑测量装置其它部件；旋转台，安装于底座上，用于放置和旋转待测可调桨叶片；横向移动机构，用于在水平方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；纵向移动机构，用于在竖直方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；激光位移传感器，用于采集可调桨叶片上测点与激光位移传感器之间的距离。本发明提供了一种可调桨叶片激光测量系统及方法。本发明采用激光三角测量原理获取测点的空间坐标，实现可调桨叶片的全自动测量，有效提高测量精度和效率。

Description

一种用于可调桨叶片的激光测量装置、系统及方法

技术领域

本发明属于先进测量技术领域，具体涉及一种用于可调桨叶片的激光测量装置、系统及方法。

背景技术

在现在的航空、航海和汽车领域，自由曲面类零件有着越来越多的应用，这就对自由曲面类工件的测量提出了更高的要求，测量精度和效率直接影响到零件加工的精度与效率。

大型船用螺旋桨作为典型的复杂曲面类工件，其桨叶的形状的精度在很大程度上影响着推进器的性能，可调螺距螺旋桨的桨叶作为一种新的桨叶形式，在船舰上的使用也会越来越广泛，可调螺距螺旋桨的桨叶不固定在桨毂上，可以围绕垂直于桨轴的轴线转动。利用桨毂内的操纵机构转动桨叶，改变螺距角，从而改变推力的大小和方向，以适应舰艇前进、后退、停止和变速等要求。可调螺距螺旋桨可在不同航行工况下充分利用主机的功率和转速，利用无级变速，但构造复杂，造价高，维修难度大，因此对加工制造的精度要求很高。

目前在螺旋桨加工类企业中，一般是由工厂的工作人员借助测量工具，如卡钳、千分表、螺距规等对叶片各几何参数进行测量，偶尔使用三坐标测量仪作为辅助仪器。采用这种人工为主、机器为辅的测量方法，测量范围有限，辅助时间较长，设备投入大，同时存在二次装夹定位误差以及人为引进的操作误差。

发明内容

为了解决可调桨叶片制造领域的测量问题，本发明提供了一种可调桨叶片激光测量装置、系统及方法，实现可调桨叶片的全自动测量，有效提高测量精度和效率。

一种可调桨叶片激光测量装置，包括底座、旋转台、激光位移传感器、横向移动机构和纵向移动机构；

底座，用于支撑测量装置其它部件；

旋转台，安装于底座上，用于放置和旋转待测可调桨叶片；

横向移动机构，安装于底座上，用于在水平方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；

纵向移动机构，安装于横向移动机构上，用于在竖直方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；

激光位移传感器，安装于纵向移动机构上，用于采集可调桨叶片上测点与激光位移传感器之间的距离。

进一步地，所述横向移动机构包括安装于底座上的横向移动平台、第一滚珠丝杠、第一伺服电机和第一光栅尺，第一伺服电机用于通过第一滚珠丝杠驱动横向移动平台横向移动，第一光栅尺用于测量横向移动平台的横向移动位移。

进一步地，所述纵向移动机构包括竖直架、纵向移动块、第二滚珠丝杠、第二伺服电机和第二光栅尺，竖直架安装于所述横向移动平台上，纵向移动块、第二滚珠丝杠和第二光栅尺安装于竖直架上，第二伺服电机用于通过第二滚珠丝杠驱动纵向移动块纵向移动，第二光栅尺用于测量纵向移动块的纵向移动位移。

进一步地，所述激光位移传感器采用点光源激光位移传感器。

一种可调桨叶片激光测量系统，包括

底座，用于支撑测量装置其它部件；

旋转台，安装于底座上，用于放置和旋转待测可调桨叶片，以使得可调桨叶片的待测面面向激光位移传感器；

横向移动机构，安装于底座上，用于在水平方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；

纵向移动机构，安装于横向移动机构上，用于在竖直方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；

激光位移传感器，安装于纵向移动机构上，用于采集可调桨叶片上测点与激光位移传感器之间的距离；

控制中心，分别连接旋转台、纵向移动机构、横向移动机构和激光位移传感器，用于控制旋转台旋转以使得可调桨叶片的待测面面向激光位移传感器，用于控制纵向移动机构和横向移动机构的运动以移动激光位移传感器至目标位置，接收纵向移动机构和横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的测点与传感器间的距离信息，结合激光位移传感器的位置信息和叶片测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标。

进一步地，所述控制中心包括运动控制卡和激光检测模块，激光检测模块包括CAD模型导入模块、测点路径规划模块、测量参数输入模块、数据通信模块和测量数据处理模块；

CAD模型导入模块，用于导入待测可调桨叶片的CAD模型；

测点路径规划模块，用于依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径，进而生成测量指令，将测量指令传送给运动控制卡；

测量参数输入模块，用于输入激光位移传感器的工作参数；

数据通信模块，用于接收纵向移动机构和横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的叶片测点与传感器间的距离信息；

测量数据处理模块，用于结合激光位移传感器的位置信息和叶片测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标；

运动控制卡，用于接收来自测点路径规划模块的测量指令，依据测量指令控制旋转台、纵向移动机构和横向移动机构的运动。

进一步地所述测量参数输入模块还用于输入待测工件的材质信息，所述测量数据处理模块还用于依据待测工件的材质信息和激光工作参数对激光位移传感器采集的可调桨叶片上测点与传感器间的距离信息进行修正。

一种可调桨叶片激光测量方法，具体为：

导入待测可调桨叶片的CAD模型；

依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径；

依据测量路径移动激光位移传感器至目标位置；

启动激光位移传感器，得到叶片测点与传感器间的距离信息；

结合激光位移传感器的位置信息和叶片测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明采用激光位移传感器来获取测点的空间坐标，测量精度高；该测量装置安装在工业现场，结构简单，控制方便。利用激光位移传感器较大的测量景深，能够对叶片上的点进行全覆盖测量，大大提高测量精度和效率。

附图说明

图1为本发明可调桨叶片测量装置现场测量示意图；

图2为本发明测量装置三维示意图；

图3为本发明可调桨叶片激光检测系统的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的技术原理为：测点的坐标测量是基于激光三角测量原理，激光位移传感器发出的激光束投射到被测物体表面发生反射，传感器中的CCD元件通过接收反射光线来确定被测点到光感器的距离，然后根据传感器的位置来确定测点的空间坐标。

基于上述技术原理，本发明提出了一种可调桨叶片的激光测量装置，如图1所示，该装置包括底座1、旋转台2、横向移动机构3和纵向移动机构4和激光位移传感器5。底座1用于支撑测量装置其它部件；旋转台2，安装于底座上，用于放置和旋转待测可调桨叶片；横向移动机构3，安装于底座上，用于在水平方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；激光位移传感器5，安装于纵向移动机构上，用于采集可调桨叶片上测点与激光位移传感器之间的距离。

下面给出一个较佳的具体实施方式。

横向移动机构包括安装于底座上的横向移动平台、第一滚珠丝杠、第一伺服电机和第一光栅尺，第一伺服电机用于通过第一滚珠丝杠驱动横向移动平台横向移动，第一光栅尺用于测量横向移动平台的横向移动位移。

纵向移动机构包括竖直架、纵向移动块、第二滚珠丝杠、第二伺服电机和第二光栅尺，竖直架安装于所述横向移动平台上，纵向移动块、第二滚珠丝杠和第二光栅尺安装于竖直架上，第二伺服电机用于通过第二滚珠丝杠驱动纵向移动块纵向移动，第二光栅尺用于测量纵向移动块的纵向移动位移。竖直架处在底座右端的初始位置，可调桨叶片通过起吊装置吊装到旋转台上，通过旋转台上的定位销和夹具来定位安装。

激光位移传感器采用点光源激光位移传感器。

可调桨安装在旋转台上，依靠旋转台上的定位销来精确定位。旋转台2能够在底座上旋转，带动可调桨叶片精确旋转180°的角度。第一和第二光栅尺采用长光栅尺。

激光位移传感器作为主要的测量仪器，两个长光栅尺作为辅助测量仪器。测量时竖直架在横向方向上运动，激光位移传感器在竖直方向上运动，能够完成螺旋桨叶片上任意一点的测量，也能够按照事先规划的网格进行测量。测量完一面后，旋转台带动螺旋桨转动180°，开始对另一面测量，两组测量数据经过软件拼合处理，能够建立起螺旋桨叶片精确的三维模型。

测量时，激光位移传感器移动到预定位置，按照事先规划的路径进行测量，纵向移动块的上下运动和横向移动平台的左右运动都采用步进的方式，按照网格的形式覆盖整个螺旋桨叶片，横竖两个光栅尺记录网格点的位置坐标，激光位移传感器获取叶片上点的距离坐标，通过数据采集系统将测量数据回传。测量完一面后，竖直架回到最右端的初始位置，旋转台转动180°，将螺旋桨转一个面，然后按照同样的方式测量。最后的数据通过软件拼合处理，建立起可调桨叶片的三维模型，指导工件的加工和修正。

基于上述装置，本发明还提供了基于上述激光测量装置的测量系统，上述测量装置和控制中心。控制中心包括运动控制卡和激光检测模块，激光检测模块包括CAD模型导入模块、测点路径规划模块、测量参数输入模块、数据通信模块和测量数据处理模块。

CAD模型导入模块，用于导入待测可调桨叶片的CAD模型；

测点路径规划模块，用于依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径，进而生成测量指令，将测量指令传送给运动控制卡；

测量参数输入模块，用于输入激光位移传感器的工作参数；

数据通信模块，用于接收纵向移动机构和横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的叶片测点与传感器间的距离信息；

测量数据处理模块，用于结合激光位移传感器的位置信息和叶片测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标；

运动控制卡，用于接收来自测点路径规划模块的测量指令，依据测量指令控制旋转台、纵向移动机构和横向移动机构的运动。

所述测量参数输入模块还用于输入待测工件的材质信息，所述测量数据处理模块还用于依据待测工件的材质信息和激光位移传感器入射角度对激光位移传感器采集的可调桨叶片上测点与传感器间的距离信息进行修正，具体为：事先通过实验的方式对激光位移传感器测量不同角度和不同材质的误差进行反复的验证，绘制误差曲线，设计例如差值算法的修正算法嵌入到测量数据处理模块中。由于工件的原始模型已知，激光束在各个测点上的入射角度就是已知的，利用设计的算法就能够对误差进行修正，使得修正后的测量值尽可能的接近真实值。

图3为测量系统的工作流程图，测量开始时，首先将导入可调桨叶片的CAD模型，经解释、翻译后提取出模型的几何特征并实时的显示仿真模型的状态，根据模型的几何信息规划测量路径和和测点的分布，生成测量指令，控制中心执行测量指令，激光位移传感器按照控制中心规划的路径进行测量，每次测得的点的坐标及时回传至控制系统存储。检测完可调桨叶片的一面后，旋转台旋转180°，开始重复上述过程测量另一面，直至所有点测量完毕。当螺旋桨检测完毕后，控制系统依据可调桨叶片材质信息和激光位移传感器入射角度对数据进行误差修正，利用修正后的数据来建立螺旋桨叶片的三维模型，测量结果以报表形式输出。通过计算实现毛坯的余量分配，指导企业的生产加工。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可调桨叶片激光测量装置，包括底座、旋转台、激光位移传感器、横向移动机构和纵向移动机构；

底座，用于支撑测量装置其它部件；

旋转台，安装于底座上，用于放置和旋转待测可调桨叶片；

横向移动机构，安装于底座上，用于在水平方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；

纵向移动机构，安装于横向移动机构上，用于在竖直方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；

激光位移传感器，安装于纵向移动机构上，用于采集可调桨叶片上测点与激光位移传感器之间的距离。

2.根据权利要求1所述的可调桨叶片激光测量装置，其特征在于，所述横向移动机构包括安装于底座上的横向移动平台、第一滚珠丝杠、第一伺服电机和第一光栅尺，第一伺服电机用于通过第一滚珠丝杠驱动横向移动平台横向移动，第一光栅尺用于测量横向移动平台的横向移动位移。

3.根据权利要求2所述的可调桨叶片激光测量装置，其特征在于，所述纵向移动机构包括竖直架、纵向移动块、第二滚珠丝杠、第二伺服电机和第二光栅尺，竖直架安装于所述横向移动平台上，纵向移动块、第二滚珠丝杠和第二光栅尺安装于竖直架上，第二伺服电机用于通过第二滚珠丝杠驱动纵向移动块纵向移动，第二光栅尺用于测量纵向移动块的纵向移动位移。

4.根据权利要求1所述的可调桨叶片激光测量装置，其特征在于，所述激光位移传感器采用点光源激光位移传感器。

5.一种可调桨叶片激光测量系统，包括

底座，用于支撑测量装置其它部件；

旋转台，安装于底座上，用于放置和旋转待测可调桨叶片，以使得可调桨叶片的待测面面向激光位移传感器；

横向移动机构，安装于底座上，用于在水平方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；

纵向移动机构，安装于横向移动机构上，用于在竖直方向上调节激光位移传感器相对可调桨叶片上测点的位置；

激光位移传感器，安装于纵向移动机构上，用于采集可调桨叶片上测点与激光位移传感器之间的距离；

控制中心，分别连接旋转台、纵向移动机构、横向移动机构和激光位移传感器，用于控制旋转台旋转以使得可调桨叶片的待测面面向激光位移传感器，用于控制纵向移动机构和横向移动机构的运动以移动激光位移传感器至目标位置，接收纵向移动机构和横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的测点与传感器间的距离信息，结合激光位移传感器的位置信息和叶片测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标。

6.根据权利要求5所述的可调桨叶片激光测量系统，其特征在于，所述控制中心包括运动控制卡和激光检测模块，激光检测模块包括CAD模型导入模块、测点路径规划模块、测量参数输入模块、数据通信模块和测量数据处理模块；

CAD模型导入模块，用于导入待测可调桨叶片的CAD模型；

测点路径规划模块，用于依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径，进而生成测量指令，将测量指令传送给运动控制卡；

测量参数输入模块，用于输入激光位移传感器的工作参数；

数据通信模块，用于接收纵向移动机构和横向移动机构反馈的激光位移传感器的位置信息，接收激光位移传感器采集的叶片测点与传感器间的距离信息；

测量数据处理模块，用于结合激光位移传感器的位置信息和叶片测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标；

运动控制卡，用于接收来自测点路径规划模块的测量指令，依据测量指令控制旋转台、纵向移动机构和横向移动机构的运动。

7.根据权利要求6所述的可调桨叶片激光测量系统，其特征在于，所述测量参数输入模块还用于输入待测工件的材质信息，所述测量数据处理模块还用于依据待测工件的材质信息和激光工作参数对激光位移传感器采集的可调桨叶片上测点与传感器间的距离信息进行修正。

8.一种可调桨叶片激光测量方法，具体为：

导入待测可调桨叶片的CAD模型；

依据CAD模型的几何信息确定测点分布，规划测量路径；

依据测量路径移动激光位移传感器至目标位置；

启动激光位移传感器，得到叶片测点与传感器间的距离信息；

结合激光位移传感器的位置信息和叶片测点与传感器间的距离信息计算得到测点的空间坐标。

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