CN105222720B - 一种螺旋桨加工变形测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨加工变形测量装置，包括支座、位移传递组件、位移传感器和控制器，位移传递组件包括套管、调节螺杆、顶杆、压缩弹簧和限位销，套管上设置有外螺纹段且其通过该外螺纹段螺纹连接在支座上；调节螺杆的右端螺纹连接在套管的左端并且其伸入所述套管内；顶杆的左端伸入套管内且可沿套管的轴向移动；压缩弹簧的一端抵靠在所述调节螺杆上，另一端抵靠在顶杆上；位移传感器用于检测顶杆沿套管轴向的位移并将检测信号传送给控制器，以获得所述顶杆沿套管轴向的位移量。本发明在加工机床上直接对螺旋桨变形进行精确测量，有利于依据加工变形量和变形规律及时采取补偿控制措施，以提高桨叶一次装夹加工精度和加工效率。

Description

一种螺旋桨加工变形测量装置和方法

技术领域

本发明属于测量装置领域，更具体地，涉及一种螺旋桨加工变形测量装置和方法。

背景技术

大型船用螺旋桨是船舶和海洋平台动力定位全回转推进系统的关键部件，其加工精度和表面质量直接关系到推进系统的快速、实时响应能力和高可靠性，决定了船舶和海洋平台在深远海开展多种工况、可靠作业时能否实现准确、安全定位与维持精确稳定的航迹。目前，螺旋桨的加工多采用多轴联动数控铣床进行切削加工。对于大型螺旋桨，桨叶悬臂距离较长，桨叶形状多为复杂自由曲面，扭曲严重，厚度较薄，刚度差。加工过程中，在切削力作用下桨叶会发生弹性变形，载荷点的实际切削深度小于理论上的切削深度，一部分待加工材料会被残留下来，弹性变形恢复后，使得桨叶在尺寸、形状方面存在误差，即产生让刀变形，或引起桨叶的振动，使得表面生成振纹，严重影响表面的加工质量。

目前对螺旋桨叶片的加工变形测量多大是采用三坐标测量机和螺距规的离线测量方法，通过高精度三坐标测量机和螺距规对桨叶的形貌和型线、叶宽、叶厚等进行离线终检检测。这种离线测量方法不能实时反映桨叶加工过程中的变形情况和弹性变形量；另外，如需对所测的加工变形量进行补偿控制，则要将桨叶返回机床重新装夹定位进行修复再加工，但此时加工基准将很难再准确定位，从而无法保证定位精度以及变形补偿的准确性。

另外，公开号为CN101769720B的中国专利公开了一种空间位移传感器，其柔顺机构由n个刚性杆件和n-1个短臂柔铰交错串联构成，并且n为大于等于4的正整数，另外，其为未封闭式柔顺机构，比较适用于二维或三维空间位移的测量，但各短臂柔铰均需计算出转角，不仅计算量大而且存在各转角的误差累积，影响测量精度，因此对于一维位移测量适用性较差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种螺旋桨加工变形测量装置和方法，克服现有技术中离线测量的不足，能够实时监测桨叶在加工中的变形量，由此得到螺旋桨的加工变形规律，方便加工时进行变形补偿控制。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种螺旋桨加工变形测量装置，包括支座、位移传递组件、位移传感器和控制器，其特征在于：

所述位移传递组件包括套管、调节螺杆、顶杆、压缩弹簧和限位销，所述套管、调节螺杆和顶杆均水平设置，其中，所述套管上设置有外螺纹段且其通过该外螺纹段螺纹连接在所述支座上；所述调节螺杆的右端螺纹连接在所述套管的左端并且其伸入所述套管内；所述顶杆的左端伸入所述套管内且可沿套管的轴向移动，其右端用于抵靠在螺旋桨上；所述压缩弹簧的一端抵靠在所述调节螺杆上，另一端抵靠在所述顶杆上；

所述位移传感器用于检测所述顶杆沿套管轴向的位移并将检测信号传送给控制器，以获得所述顶杆沿套管轴向的位移量。

优选地，所述位移传感器为光纤光栅位移传感器，其包括单模光纤光栅和一体成型的柔顺机构，其中，

所述柔顺机构由三个短臂柔铰和两个刚性杆件交错串联而成；其中，所有短臂柔铰的中心线均竖直设置，所述两刚性杆件长度相等且左右对称,从而使所述三个短臂柔铰以等腰三角形的布局方式分布；两刚性杆件分别为左刚性杆件和右刚性杆件，左刚性杆件通过布置在其左端的短臂柔铰固定设置左移动连接杆，右刚性杆件通过布置在其右端的短臂柔铰固定设置右移动连接杆，这两个移动连接杆左右设置且纵向均与所述套管的轴线垂直，而且其中一个移动连接杆固定设置在所述套管上，另一个移动连接杆固定设置在所述顶杆上；

所述单模光纤光栅均包括光栅段和单模光纤；其中，所述光栅段粘贴在两刚性杆件之间的短臂柔铰的外弧面上，所述光栅段通过所述单模光纤连接所述控制器；

所述控制器包括计算机和光纤光栅解调仪，以用于获得光栅段的形变量，进而获得所述顶杆沿套管轴向的位移量。

优选地，所述位移传感器还包括连接在两移动连接杆上的另一柔顺机构并且这两个柔顺机构前后对称设置，从而使所述位移传感器整体呈六边形；相应地，所述单模光纤光栅的数量设置为两个，每个柔顺机构上分别粘贴一光栅段，并且两光栅段前后对称设置，每个光栅段分别通过其上的单模光纤连接所述控制器。

优选地，左移动连接杆通过左连接块安装在套管上，右移动连接杆通过右连接块安装在顶杆上，并且左连接块左右位置可调整地安装在套管上，右连接块左右位置可调整地安装在顶杆上。

优选地，左移动连接杆至少通过两个螺钉安装在左连接块上，右移动连接杆至少通过两个螺钉安装在右连接块上。

优选地，所述套管和顶杆上分别设置有水平定位基准平面，以分别用于左连接块和右连接块的移动定位。

优选地，所述套管和顶杆上分别设置有竖直定位基准平面，以分别用于左连接块和右连接块的移动定位。

优选地，左连接块至少通过两个螺钉安装在所述套管上，右连接块至少通过两个螺钉安装在所述顶杆上。

优选地，所述套管的侧壁设置有限位通槽，所述限位通槽处设置有限位销，所述限位销的一端伸入套管内并固定设置在所述顶杆上，以限制所述顶杆的移动行程和转动。

优选地，所述顶杆靠近压缩弹簧的一端设置有轴肩，所述压缩弹簧抵靠在该轴肩上。

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，能够取得下列有益效果：

1)、在加工机床上直接对桨叶变形进行精确测量，解决了离线测量拆卸修复再定位难题，从而有利于依据加工变形量和变形规律及时采取补偿控制措施，提高桨叶一次装夹加工精度和加工效率；

2)、本发明是基于光纤光栅位移传感器实现的。光纤光栅以光信号为传播介质，所以抗电磁干扰，且耐腐蚀、灵敏度高、对电绝缘、成本低，适合用于在线变形测量，拥有传统电阻应变片无法比拟的优点；其输出的检测信息是测量到的波长变化量，所以位移传感器具有自参照性；整个位移传感器采用柔顺机构作为待测变形量的“收集器”，结构简单、操作和测量方便、测量精度高；

3)、本发明的位移传感器采用对称封闭式结构，其由两个柔顺机构和两移动连接杆构成，每个柔顺机构由三个短臂柔铰和两个刚性杆件交错串联构成，只需计算最前端或最后端的短臂柔铰的转角就能分别得出一个测量值，而前后对称设置的柔顺机构不仅能保证结构稳定，还能一次得出两个测量值，既能相互验证，又能通过求平均减小测量误差，提高测量精度。

4)、对于不同曲率和轮廓尺寸的桨叶，可以设计不同尺寸的套管和顶杆，能够测量各种尺寸规格桨叶表面上不同点的变形量，适应性强。

附图说明

图1为本发明安装在工作台上工作时的结构示意图；

图2为本发明中位移传感器安装在位移传递组件上的结构示意图；

图3为图1中位移传递组件的剖视图。

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。

参照图1～图3，一种螺旋桨加工变形测量装置，包括支座8、位移传递组件3、位移传感器4和控制器，所述位移传递组件3包括套管12、调节螺杆11、顶杆13、压缩弹簧17和限位销18，所述套管12、调节螺杆11和顶杆13均水平设置，其中，所述套管12上设置有外螺纹段且其通过该外螺纹段螺纹连接在所述支座8上；所述调节螺杆11的右端螺纹连接在所述套管12的左端并且其伸入所述套管12内；所述顶杆13的左端伸入所述套管12内且可沿套管12的轴向移动，其右端用于抵靠在桨叶2上；优选地，所述顶杆13靠近压缩弹簧17的一端设置有轴肩，所述压缩弹簧17抵靠在该轴肩上，以便于压缩弹簧17的径向定位。另外，位移传递组件3可以设置多组，以用于测量桨叶2不同部位的加工变形量。

所述位移传感器4用于检测所述顶杆13沿套管12轴向的位移并将检测信号传送给控制器，以获得所述顶杆13沿套管12轴向的位移量。

进一步，所述位移传感器4为光纤光栅位移传感器，其包括两单模光纤光栅14和一体成型的柔顺机构16，其中，

所述柔顺机构16由三个短臂柔铰20和两个刚性杆件交错串联而成；其中，所有短臂柔铰20的中心线均竖直设置，所述两刚性杆件长度相等且左右对称,从而使所述三个短臂柔铰20以等腰三角形的布局方式分布；两刚性杆件分别为左刚性杆件21和右刚性杆件23，左刚性杆件21通过布置在其左端的短臂柔铰20固定设置左移动连接杆22，右刚性杆件23通过布置在其右端的短臂柔铰20固定设置右移动连接杆19，这两个移动连接杆左右设置且纵向均与所述套管12的轴线垂直，而且其中左移动连接杆22固定设置在所述套管12上，右移动连接杆19固定设置在所述顶杆13上；

所述单模光纤光栅14均包括光栅段15和单模光纤；其中，所述光栅段15粘贴在两刚性杆件之间的短臂柔铰20的外弧面上，所述光栅段15通过所述单模光纤连接所述控制器；

所述控制器包括计算机6和光纤光栅解调仪5，以用于获得光栅段15的形变量，进而获得所述顶杆13沿套管12轴向的位移量。

作为更进一步的优选，所述位移传感器4还包括连接在两移动连接杆上的另一柔顺机构16并且这两个柔顺机构16前后对称设置，从而使所述位移传感器4整体呈六边形，这个六边形的结构是一体成型的；相应地，所述单模光纤光栅14的数量设置为两个，每个柔顺机构16上分别粘贴一光栅段15，并且两光栅段15前后对称设置，每个光栅段15分别通过其上的单模光纤连接所述控制器。

进一步，左移动连接杆22通过左连接块10安装在套管12上，右移动连接杆19通过右连接块9安装在顶杆13上，并且左连接块10左右位置可调整地安装在套管12上，右连接块9左右位置可调整地安装在顶杆13上。

进一步，左移动连接杆22至少通过两个螺钉安装在左连接块10上，右移动连接杆19至少通过两个螺钉安装在右连接块9上，左连接块10至少通过两个螺钉安装在所述套管12上，右连接块9至少通过两个螺钉安装在所述顶杆13上，以防左移动连接杆22和右移动连接杆19转动而影响测量结果。

进一步，所述套管12和顶杆13上分别设置有水平定位基准平面，以分别用于左连接块10和右连接块9的移动定位，所述套管12和顶杆13上分别设置有竖直定位基准平面，以分别用于左连接块10和右连接块9的移动定位，这样便于左连接块10和右连接块9的左右移动，以调整位置。

进一步，所述套管12的侧壁设置有限位通槽，所述限位通槽处设置有限位销18，所述限位销18的一端伸入套管12内并固定设置在所述顶杆13上，以限制所述顶杆13的移动行程和转动。

如图2所示，光纤光栅位移传感器4具有柔顺机构16和单模光纤光栅14，单模光纤光栅14由光栅段15与单模光纤串联构成，光栅段15为经过加工处理后具有应变敏感特性的一段区域。

优选的位移传感器4为呈六边形的封闭环形对称结构。在与顶杆13轴线方向相同的对称轴的每一侧分别布置一柔顺机构16，每个柔顺机构16的三个短臂柔铰20以等腰三角形的布局方式分别分布在顶角和两个底角的位置。短臂柔铰20为一段具有较高柔性的圆弧形薄壁结构，圆弧形薄壁在受很小的力时就会发生弯曲，并且在内外圆弧形表面产生拉伸或挤压应变，这一应变即可通过粘贴到该位置的光栅段15进行检测。

上述等腰三角形布局中，只需要测量出顶角位置处短臂柔铰20外圆弧面弧长方向的应变量，就可以根据短臂柔铰20的几何参数和材料力学公式计算出柔顺机构16的顶角位置处短臂柔铰20的转角，再综合顶角位置处短臂柔铰20的转动信息和两刚性杆件的几何参数得出柔顺机构16两端的左移动连接杆22和右移动连接杆19的相对运动结果，即顶杆13的位移量，则可得出桨叶2的加工变形量。

本测量装置的工作过程具体如下：

测量前，先确定桨叶2表面上的待测量点的位置，根据待测点位置将位移传递组件3安装固定在支座8上，适当调整固定在机床工作台7上的支座8的位置，使顶杆13与待测点对齐；然后旋转调节螺杆11推动压缩弹簧17和顶杆13，直至顶杆13与待测点接触，然后微调调节螺杆使压缩弹簧17压缩给顶杆13施加一个很小的预紧力，保证顶杆13右端始终与桨叶2表面待测点紧密接触，该过程中用限位销18限制顶杆13的行程范围和防止顶杆13转动；之后将光纤光栅位移传感器4的单模光纤光栅14连接到光纤光栅解调仪5上，再将两移动连接杆分别与右连接块9和左连接块10用螺钉紧固，再将右连接块9和左连接块10分别用螺钉安装固定在顶杆13和套管12的基准平面上；将光纤光栅解调仪5用网线与计算机6连接。

测量时，光纤光栅解调仪5发出激光，沿单模光纤传输，当激光到达位于短臂柔铰20位置的光栅段15时，将光信号反射回光纤光栅解调仪5，光纤光栅解调仪5接收到反射光后进行解调，并以数字形式输出波长信息在计算机6上显示出来。当机床刀具1加工到待测点相应位置时，桨叶2发生变形，变形量以位移形式通过位移传递组件3传递到柔顺机构16上，使柔顺机构16发生变形，并将变形集中体现在短臂柔铰角位移上，短臂柔铰的角位移使外圆弧表面产生拉伸或挤压应变，带动粘贴于其上的光栅段15发生轴向应变，使光栅段15中光栅的反射波长发生变化，变化的波长经光纤光栅解调仪5解调后传输到计算机6输出波长变化的数字信息。

测量后，由波长变化的数字信息计算光栅段15发生的应变，再根据应变公式计算出短臂柔铰20外圆弧表面应变量，根据短臂柔铰20的几何参数和材料力学公式计算出短臂柔铰20的转角，最后根据短臂柔铰20的转动信息和两刚性杆件的几何参数计算出柔顺机构16两端的移动连接杆的相对运动结果，进而得出通过位移传递组件3的顶杆13传递的位移量，即为桨叶2的加工变形量。

本发明的柔顺机构16采用对称布局，对称的两个光栅段15可同时测量两组数据，求平均值后，可进一步提高测量精度。

以上所述为本发明较佳的实施例，应当指出，只需改变本发明中测量装置的尺寸规格，它不仅能适用于不同尺寸可调距螺旋桨的加工变形测量，还适用于不同尺寸定距螺旋桨的加工变形测量。

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 (10)

1.一种螺旋桨加工变形测量装置，包括支座、位移传递组件、位移传感器和控制器，其特征在于：

所述位移传递组件包括套管、调节螺杆、顶杆、压缩弹簧和限位销，所述套管、调节螺杆和顶杆均水平设置，其中，所述套管上设置有外螺纹段且其通过该外螺纹段螺纹连接在所述支座上；所述调节螺杆的右端螺纹连接在所述套管的左端并且其伸入所述套管内；所述顶杆的左端伸入所述套管内且可沿套管的轴向移动，其右端用于抵靠在螺旋桨上；所述压缩弹簧的一端抵靠在所述调节螺杆上，另一端抵靠在所述顶杆上；

所述位移传感器用于检测所述顶杆沿套管轴向的位移并将检测信号传送给控制器，以获得所述顶杆沿套管轴向的位移量；其中，所述位移传感器为光纤光栅位移传感器，其包括单模光纤光栅和一体成型的柔顺机构，所述柔顺机构由三个短臂柔铰和两个刚性杆件交错串联而成；两刚性杆件分别为左刚性杆件和右刚性杆件，左刚性杆件通过布置在其左端的短臂柔铰固定设置左移动连接杆，右刚性杆件通过布置在其右端的短臂柔铰固定设置右移动连接杆，其中一个移动连接杆固定设置在所述套管上，另一个移动连接杆固定设置在所述顶杆上；

所述单模光纤光栅均包括光栅段和单模光纤；其中，所述光栅段粘贴在两刚性杆件之间的短臂柔铰的外弧面上，所述光栅段通过所述单模光纤连接所述控制器；

所述控制器包括计算机和光纤光栅解调仪，以用于获得光栅段的形变量，进而获得所述顶杆沿套管轴向的位移量；

当机床刀具加工到待测点相应位置时，桨叶发生变形，变形量以位移形式通过位移传递组件传递到柔顺机构上，使柔顺机构发生变形，并将变形集中体现在短臂柔铰角位移上，短臂柔铰的角位移使外圆弧表面产生拉伸或挤压应变，带动粘贴于其上的光栅段发生轴向应变，使光栅段中光栅的反射波长发生变化，变化的波长经光纤光栅解调仪解调后传输到计算机输出波长变化的数字信息，进而得出顶杆传递的位移量，即为桨叶的加工变形量。

2.如权利要求1所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于：

所有短臂柔铰的中心线均竖直设置，所述两刚性杆件长度相等且左右对称,从而使所述三个短臂柔铰以等腰三角形的布局方式分布；

这两个移动连接杆左右设置且纵向均与所述套管的轴线垂直。

3.如权利要求2所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于，所述位移传感器还包括连接在两移动连接杆上的另一柔顺机构并且这两个柔顺机构前后对称设置，从而使所述位移传感器整体呈六边形；相应地，所述单模光纤光栅的数量设置为两个，每个柔顺机构上分别粘贴一光栅段，并且两光栅段前后对称设置，每个光栅段分别通过其上的单模光纤连接所述控制器。

4.如权利要求1所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于，左移动连接杆通过左连接块安装在套管上，右移动连接杆通过右连接块安装在顶杆上，并且左连接块左右位置可调整地安装在套管上，右连接块左右位置可调整地安装在顶杆上。

5.如权利要求1所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于：左移动连接杆至少通过两个螺钉安装在左连接块上，右移动连接杆至少通过两个螺钉安装在右连接块上。

6.如权利要求4所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于，所述套管和顶杆上分别设置有水平定位基准平面，以分别用于左连接块和右连接块的移动定位。

7.如权利要求4所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于，所述套管和顶杆上分别设置有竖直定位基准平面，以分别用于左连接块和右连接块的移动定位。

8.如权利要求4所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于，左连接块至少通过两个螺钉安装在所述套管上，右连接块至少通过两个螺钉安装在所述顶杆上。

9.如权利要求1所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于，所述套管的侧壁设置有限位通槽，所述限位通槽处设置有限位销，所述限位销的一端伸入套管内并固定设置在所述顶杆上，以限制所述顶杆的移动行程和转动。

10.如权利要求1所述的一种螺旋桨加工变形测量装置，其特征在于，所述顶杆靠近压缩弹簧的一端设置有轴肩，所述压缩弹簧抵靠在该轴肩上。