CN108278979A - 一种叶片原位接触式三维测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于叶片测量技术领域，并公开了一种叶片原位接触式三维测量装置和方法。该测量装置包括工作台面、X向运动平台、Y向运动平台、测量机构和旋转平台。其中，X向运动平台设置在Y向运动平台上，Y向运动平台设置在工作台面上，构成二维运动平台；测量机构设置在X向运动平台上，跟随二维运动平台在X、Y方向运动；叶片安装在旋转平台上，旋转平台提供叶片回转运动。该方法通过始终保持测量机构与叶片恒力接触，通过光栅尺和旋转编码器读取测量机构X、Y方向的线性位移以及叶片的旋转角度θ，经过坐标变换和球头半径补偿，就能得到叶片的表面轮廓坐标。本发明具有移动便捷，测量过程简单，成本低的特点，能实现叶片原位精确测量。

Description

一种叶片原位接触式三维测量装置和方法

技术领域

本发明属于叶片测量技术领域，更具体地，涉及一种叶片原位接触式三维测量装置和方法。

背景技术

叶片是航空发动机、燃气轮机和汽轮机的重要组成零件，其表面加工精度不仅影响机器的使用性能，还决定着零件的使用寿命。叶片加工过程中，单纯依靠理论的加工余量控制切削深度，叶片表面的加工质量没法得到保证，为了得到叶片毛坯件真实的加工余量，需要先得到叶片毛坯件的轮廓模型。叶片零件为自由曲面类零件，无法通过常规量具检测叶片的尺寸数据，叶片的测量是当前加工中的一个难点。

目前常用的方法是采用接触式或非接触式三坐标测量装置检测叶片的轮廓点位置，通过数据处理和三维重构生成叶片的三维模型。然后对比叶片的实际轮廓与理想轮廓之间的误差，计算真实的加工余量。

由于接触式测量方法相对于非接触式测量方法的精度更高，针对表面精度要求较高的叶片零件，采用接触式测量效果较佳。常规的三坐标测量仪测量精度较高，能满足精度要求，但是设备移动性差，受粉尘影响较大，不能设置在生产线中，无法及时对生产线上的叶片零件进行原位测量，另外三坐标测量仪需要提前对测针轨迹进行编程规划，针对不同型号的叶片零件分别编程则耗时耗力，工作效率低。因此，需要设计一种叶片原位接触式三维测量装置，解决叶片加工过程中的原位测量问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种叶片原位接触式三维测量装置和方法，在保证测量精度的前提下，实现叶片加工后的原位测量。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种叶片原位接触式三维测量装置，包括工作台面、XY二维水平运动平台、测量机构、旋转平台、控制器和标定杆，其特征在于，

所述XY二维水平运动平台包括X向运动平台和Y向运动平台，所述Y向运动平台安装在所述工作台面上并且其可沿Y轴移动，所述X向运动平台设置在Y向运动平台的滑块上并且其可沿X轴移动，所述X轴、Y轴与竖直方向的Z轴共同构成工作坐标系；

所述测量机构包括第一支架和测针，所述第一支架设置在所述X向运动平台的滑块上，所述测针设置在所述第一支架上，以用于与所述叶片接触来测量叶片的轮廓；

所述旋转平台通过第二支架安装在所述工作台面上，以用于安装待测试的叶片，并且该旋转平台的旋转中心线与X轴平行；

所述控制器通过所述X向运动平台和Y向运动平台可分别获得测量机构的位移x和位移为y，并且通过所述旋转平台可获得叶片的旋转角度为θ；

所述测量机构上设置有力传感器，以用于获取测量机构与叶片的接触力，所述力传感器把该接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触，测量结果由X向运动平台的位移量x、Y向运动平台的位移量y和旋转平台的旋转角度θ表示，再以(x,y,θ)的形式实时输出并储存；

所述标定杆设置在所述第一支架上，并且其平行于X轴设置，所述标定杆远离第一支架的一端的顶尖与工作坐标系的原点的连线平行于Y轴。

优选地，所述X向运动平台和Y向运动平台均包括底座、伺服电机、滑块、丝杠、滚珠螺母、联轴器、光栅尺和读数头，其中，所述伺服电机安装在所述底座上，所述伺服电机的输出轴通过所述联轴器与所述丝杠相连，所述滚珠螺母穿装在所述丝杠上，所述滑块安装在所述滚珠螺母上，所述丝杠、滚珠螺母与所述滑块共同构成丝杠滑块运动副，该丝杠滑块运动副安装在所述底座上；所述光栅尺的标尺固定在所述底座上，所述光栅尺上设置所述读数头并且该读数头所述滑块相连，所述滑块的位移通过所述光栅尺测量。

优选地，所述第一支架包括延长杆、连接杆、螺母、活动支架、紧固螺钉和固定支架，所述测针与所述延长杆通过螺纹连接，所述延长杆与所述力传感器通过所述连接杆连接；所述力传感器通过螺母固定在所述活动支架上，所述活动支架竖直设置在所述固定支架内并通过紧固螺钉固定，所述活动支架为长度可调的伸缩杆，以实现测针高度的调节，所述固定支架安装在所述X向运动平台的滑块上。

优选地，所述旋转平台包括转台伺服电机、转台联轴器、变速箱、转台、叶片夹具和支架，所述转台伺服电机通过所述转台联轴器与变速箱相连；所述变速箱为蜗轮蜗杆变速箱并且其通过蜗轮蜗杆副将转台伺服电机的旋转运动转化成转台的旋转运动；所述转台上安装有所述叶片夹具，以用于安装叶片，所述转台与变速箱之间设置有旋转编码器，以实时测量转台的旋转角度θ；所述变速箱安装在所述支架上，所述支架安装在所述工作台面上，所述支架上设置所述标定杆。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种叶片原位接触式三维测量装置进行叶片原位接触式三维测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：使测针的球形针尖的中心在标定杆的中心线上，同时使叶片的排气边与标定杆对齐，将位置记为零点，记录此时所述球形针尖的中心的坐标为(x₀,y₀,θ₀)＝(0,-L,0)，其中L为标定杆与工作坐标系原点的距离；

S2：控制X向运动平台以Δx为增量进给运动n次，直至测针对叶片的排气边、进气边和叶背的测量完成，则在各位置处，控制器驱动Y向运动平台运动，使测针与叶片的排气边接触，同时控制器控制旋转平台转动，使测针从叶片的排气边沿着叶背运行到叶片的进气边，并且测针在叶背轨迹线上运行的过程中，力传感器把测针与叶片的接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触；此外，数据采集卡以固定的频率从光栅尺和旋转编码器读取Y向运动平台的位移量数据集y₁和旋转平台的回转角度数据集θ₁，其中1≤n≤x_max/Δx，x_max为叶片X向的最大位移，k₁＝1,2,...n；

S3：将数据[x₁,y₁,θ₁]以固定格式输出并保存，其中，

式中，A₁表示第一组数据集，x₁为X向运动平台的位移量数据集，i表示在叶背、进气边和排气边上采集到的所有数据点的总数量；

S4：将X向运动平台运动到零点，调整旋转平台与Y向运动平台使得测针与叶盆和进气边的交线接触，控制X向运动平台以Δx为增量进给运动n次，直至叶片的叶背型面测量完成，则在各位置处，控制器驱动Y向运动平台运动，使测针与叶片的排气边接触，同时控制器控制旋转平台转动，使测针从叶片的进气边沿着叶背运行到叶片的排气边，并且测针在叶背轨迹线上运行的过程中，力传感器把测针与叶片的接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触；同时数据采集卡以固定的频率从光栅尺和旋转编码器读取Y向运动平台的位移量y₂和旋转平台的回转角度θ₂，其中k₂＝1,2,...n；

S5：将采集到的数据[x₂,y₂,θ₂]以固定格式输出并保存，其中，

式中，A₂表示第二组数据集，x₂为X向运动平台的位移量数据集，j表示在叶盆上采集到的所有数据点的总数量；

S6：分别对两组数据集A₁和A₂进行预处理，剔除数据中的异常点，并使用高斯滤波的方法对异常点进行补充，然后对两组数据进行拼接，则有：

式中，A表示总数据集；

S7：总数据集A中的每一组数据表示对应测量点相对于标定点(x₀,y₀,θ₀)的位移增量，则在工作坐标系下的每个测量点P(x_w,y_w,θ)表示为

然后对测量点进行坐标变换，将每个测量点P(x_w,y_w,θ)表示成叶片坐标系中的三坐标点P(x′,y′,z′)，则有

S8：通过三维重建获得叶片轮廓的三维模型。

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)测量过程无需提前进行路径规划，即可对不同规格的叶片进行表面轮廓精确测量，测量成本低、时间短、精度高。

2)测量装置可以根据叶片加工需求调整位置，对环境要求低，能实现叶片的原位测量。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的叶片原位接触式三维测量装置示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的X向运动平台示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的测量机构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的旋转平台示意图；

图5a和图5b分别是按照本发明的优选实施例所构建的叶片的不同视角下的结构示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的球头半径补偿模型。

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。

参照各附图，一种叶片55原位接触式三维测量装置，包括工作台面1、XY二维水平运动平台、测量机构4、旋转平台5、控制器和标定杆6，所述XY二维水平运动平台包括X向运动平台2和Y向运动平台3，所述Y向运动平台3安装在所述工作台面1上并且其可沿Y轴移动，所述X向运动平台2设置在Y向运动平台3的滑块23上并且其可沿X轴移动，所述X轴、Y轴与竖直方向的Z轴共同构成工作坐标系；

所述测量机构4包括第一支架和测针41，所述第一支架设置在所述X向运动平台2的滑块23上，所述测针41设置在所述第一支架上，以用于与所述叶片55接触来测量叶片55的轮廓；

所述旋转平台5通过第二支架7安装在所述工作台面1上，以用于安装待测试的叶片55，并且该旋转平台5的旋转中心线与X轴平行；

所述控制器通过所述X向运动平台2和Y向运动平台3可分别获得测量机构4的位移x和位移为y，并且通过所述旋转平台5可获得叶片55的旋转角度为θ；

所述测量机构4上设置有力传感器44，以用于获取测量机构4与叶片55的接触力，所述力传感器44把该接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台3的运动使得测针41与叶片55保持恒力接触，测量结果由X向运动平台2的位移量x、Y向运动平台3的位移量y和旋转平台5的旋转角度θ表示，再以(x,y,θ)的形式实时输出并储存

所述标定杆6设置在所述第一支架上，并且其平行于X轴设置，所述标定杆6远离第一支架的一端的顶尖与工作坐标系的原点的连线平行于Y轴。

进一步，所述X向运动平台2和Y向运动平台3均包括底座24、伺服电机27、滑块23、丝杠25、滚珠螺母45、联轴器26、光栅尺21和读数头22，其中，所述伺服电机27安装在所述底座24上，所述伺服电机27的输出轴通过所述联轴器26与所述丝杠25相连，所述滚珠螺母45穿装在所述丝杠25上，所述滑块23安装在所述滚珠螺母45上，所述丝杠25、滚珠螺母45与所述滑块23共同构成丝杠25滑块23运动副，该丝杠25滑块23运动副安装在所述底座24上；所述光栅尺21的标尺固定在所述底座24上，所述光栅尺21上设置所述读数头22并且该读数头22所述滑块23相连，所述滑块23的位移通过所述光栅尺21测量。

进一步，所述第一支架包括延长杆42、连接杆43、螺母45、活动支架46、紧固螺钉47和固定支架48，所述测针41与所述延长杆42通过螺纹连接，所述延长杆42与所述力传感器44通过所述连接杆43连接；所述力传感器44通过螺母45固定在所述活动支架46上，所述活动支架46竖直设置在所述固定支架48内并通过紧固螺钉47固定，所述活动支架46为长度可调的伸缩杆，以实现测针41高度的调节，所述固定支架48安装在所述X向运动平台2的滑块23上。

进一步，所述旋转平台5包括转台伺服电机5127、转台联轴器52、变速箱53、转台54、叶片夹具56和支架，所述转台伺服电机5127通过所述转台联轴器52与变速箱53相连；所述变速箱53为蜗轮蜗杆变速箱53并且其通过蜗轮蜗杆副将转台伺服电机5127的旋转运动转化成转台54的旋转运动；所述转台54上安装有所述叶片夹具56，以用于安装叶片55，所述转台54与变速箱53之间设置有旋转编码器，以实时测量转台54的旋转角度θ；所述变速箱53安装在所述支架上，所述支架安装在所述工作台面1上，所述支架上设置所述标定杆6。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种叶片原位接触式三维测量方法，参照图5a和图5b，叶片55具有排气边551、进气边552、叶背553、叶背轨迹线554、叶盆555、叶盆轨迹线556和叶根转角557，为了避免测针41从叶片55的进气边552过渡到叶盆555时出现跑空现象，将整个叶片55的测量分为两部分，首先控制测针41从叶片55的排气边551沿叶背553运动到叶片55的进气边552，完成凸面外型的测量，然后控制测针41沿着叶片55的叶盆555运动，完成凹面的测量，具体过程如下所示：

S1：使测针41与标定杆6对齐，同时使叶片55的排气边551与标定杆6对齐，此位置记为零点，令标定杆6与工作坐标系原点的距离为L，记录此时测得的坐标为(x₀,y₀,θ₀)＝(0,-L,0)。

S2：控制X向运动平台2以Δx为增量进给运动n(n≤x_max/Δx)次，直至叶片55的X向测量完成，其中x_max为叶片55的X向的最大尺寸，在每一个x₁＝x₀+nΔx位置，控制器驱动Y向运动平台3运动，使测针41与叶片55的排气边551接触，同时控制器控制旋转平台5转动，使测针41从叶片55的排气边551沿着叶背553运行到叶片55的进气边552。

测针41在叶背轨迹线554上运行的过程中，力传感器44把测针41与叶片55的接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台3的运动使得测针41与叶片55保持恒力接触；同时数据采集卡以固定的频率从光栅尺21和旋转编码器读取Y向运动平台3的位移量y₁和旋转平台5的回转角度θ₁。

S3：将采集到的三组数据[x₁,y₁,θ₁]以固定格式输出并保存，其中，

式中，A₁表示第一组数据集，i表示采集的数据点的总数量。

S4：将X向运动平台2运动到零点，调整旋转平台5与Y向运动平台3使得测针41与叶盆555和进气边552的交线接触。控制X向运动平台2以Δx为增量进给运动n(n≤x_max/Δx)次，直至叶片55的X向型面测量完成，其中x_max为叶片55的X向的最大尺寸，在每一个x₂＝x₀+nΔx位置，控制器驱动Y向运动平台3运动，使测针41与叶片55的叶盆555接触，同时控制器控制旋转平台5转动，使测针41从叶片55的进气边552沿叶盆轨迹线556运行到叶片55的排气边551。

测针41在叶盆轨迹线556上运行的过程中，力传感器44把测针41与叶片55的接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台3的运动使得测针41与叶片55保持恒力接触；同时数据采集卡以固定的频率从光栅尺21和旋转编码器读取Y向运动平台3的位移量y₂和旋转平台5的回转角度θ₂。

S5：将采集到的三组数据[x₂,y₂,θ₂]以固定格式输出并保存，其中，

式中，A₂表示第二组数据集，j表示采集的数据点的总数量。

S6：分别对两组数据进行预处理，剔除数据中的异常点，并使用高斯滤波的方法对异常点进行补充，然后对两组数据进行拼接，则有：

式中，A表示总数据集。

S7：总数据集A中的每一组数据表示对应测量点相对于标定点(x₀,y₀,θ₀)的位移增量，则在工作坐标系下的每个测量点P(x_w,y_w,θ)表示为

为了更容易的处理点云数据，对测量点进行坐标变换，将其表示成叶片55坐标系中的三坐标点P(x′,y′,z′)，则有

S8：由于测针41的球头半径不可忽略，上述坐标变换后的坐标值并不是叶片55真实曲面413的坐标值，而是测针41的球心坐标，如图6所示。为了补偿测针41球头半径，将变换后的点云数据导入UG软件中，使用UG可视化界面对球心点云数据进行三维重建，得到球心拟合面411，然后以球心拟合面411上的点为球心，以球头半径为半径做包络圆412，即可得到叶片55的真实曲面413的三维模型。

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 (5)

1.一种叶片原位接触式三维测量装置，包括工作台面、XY二维水平运动平台、测量机构、旋转平台、控制器和标定杆，其特征在于，

所述XY二维水平运动平台包括X向运动平台和Y向运动平台，所述Y向运动平台安装在所述工作台面上并且其可沿Y轴移动，所述X向运动平台设置在Y向运动平台的滑块上并且其可沿X轴移动，所述X轴、Y轴与竖直方向的Z轴共同构成工作坐标系；

所述测量机构包括第一支架和测针，所述第一支架设置在所述X向运动平台的滑块上，所述测针设置在所述第一支架上，以用于与所述叶片接触来测量叶片的轮廓；

所述旋转平台通过第二支架安装在所述工作台面上，以用于安装待测试的叶片，并且该旋转平台的旋转中心线与X轴平行；

所述控制器通过所述X向运动平台和Y向运动平台可分别获得测量机构的位移x和位移为y，并且通过所述旋转平台可获得叶片的旋转角度为θ；

所述测量机构上设置有力传感器，以用于获取测量机构与叶片的接触力，所述力传感器把该接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触，测量结果由X向运动平台的位移量x、Y向运动平台的位移量y和旋转平台的旋转角度θ表示，再以(x,y,θ)的形式实时输出并储存；

所述标定杆设置在所述第一支架上，并且其平行于X轴设置，所述标定杆远离第一支架的一端的顶尖与工作坐标系的原点的连线平行于Y轴。

2.如权利要求1所述的一种叶片原位接触式三维测量装置，其特征在于，所述X向运动平台和Y向运动平台均包括底座、伺服电机、滑块、丝杠、滚珠螺母、联轴器、光栅尺和读数头，其中，所述伺服电机安装在所述底座上，所述伺服电机的输出轴通过所述联轴器与所述丝杠相连，所述滚珠螺母穿装在所述丝杠上，所述滑块安装在所述滚珠螺母上，所述丝杠、滚珠螺母与所述滑块共同构成丝杠滑块运动副，该丝杠滑块运动副安装在所述底座上；所述光栅尺的标尺固定在所述底座上，所述光栅尺上设置所述读数头并且该读数头所述滑块相连，所述滑块的位移通过所述光栅尺测量。

3.如权利要求1所述的一种叶片原位接触式三维测量装置，其特征在于，所述第一支架包括延长杆、连接杆、螺母、活动支架、紧固螺钉和固定支架，所述测针与所述延长杆通过螺纹连接，所述延长杆与所述力传感器通过所述连接杆连接；所述力传感器通过螺母固定在所述活动支架上，所述活动支架竖直设置在所述固定支架内并通过紧固螺钉固定，所述活动支架为长度可调的伸缩杆，以实现测针高度的调节，所述固定支架安装在所述X向运动平台的滑块上。

4.如权利要求1所述的一种叶片原位接触式三维测量装置，其特征在于，所述旋转平台包括转台伺服电机、转台联轴器、变速箱、转台、叶片夹具和支架，所述转台伺服电机通过所述转台联轴器与变速箱相连；所述变速箱为蜗轮蜗杆变速箱并且其通过蜗轮蜗杆副将转台伺服电机的旋转运动转化成转台的旋转运动；所述转台上安装有所述叶片夹具，以用于安装叶片，所述转台与变速箱之间设置有旋转编码器，以实时测量转台的旋转角度θ；所述变速箱安装在所述支架上，所述支架安装在所述工作台面上，所述支架上设置所述标定杆。

5.权利要求1～4中任一所述的一种叶片原位接触式三维测量装置进行叶片原位接触式三维测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：使测针的球形针尖的中心在标定杆的中心线上，同时使叶片的排气边与标定杆对齐，将位置记为零点，记录此时所述球形针尖的中心的坐标为(x₀,y₀,θ₀)＝(0,-L,0)，其中L为标定杆与工作坐标系原点的距离；

S2：控制X向运动平台以Δx为增量进给运动n次，直至测针对叶片的排气边、进气边和叶背的测量完成，则在各位置处，控制器驱动Y向运动平台运动，使测针与叶片的排气边接触，同时控制器控制旋转平台转动，使测针从叶片的排气边沿着叶背运行到叶片的进气边，并且测针在叶背轨迹线上运行的过程中，力传感器把测针与叶片的接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触；此外，数据采集卡以固定的频率从光栅尺和旋转编码器读取Y向运动平台的位移量数据集y₁和旋转平台的回转角度数据集θ₁，其中1≤n≤x_max/Δx，x_max为叶片X向的最大位移，k₁＝1,2,...n；

S3：将数据[x₁,y₁,θ₁]以固定格式输出并保存，其中，

式中，A₁表示第一组数据集，x₁为X向运动平台的位移量数据集，i表示在叶背、进气边和排气边上采集到的所有数据点的总数量；

S4：将X向运动平台运动到零点，调整旋转平台与Y向运动平台使得测针与叶盆和进气边的交线接触，控制X向运动平台以Δx为增量进给运动n次，直至叶片的叶背型面测量完成，则在各位置处，控制器驱动Y向运动平台运动，使测针与叶片的排气边接触，同时控制器控制旋转平台转动，使测针从叶片的进气边沿着叶背运行到叶片的排气边，并且测针在叶背轨迹线上运行的过程中，力传感器把测针与叶片的接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触；同时数据采集卡以固定的频率从光栅尺和旋转编码器读取Y向运动平台的位移量y₂和旋转平台的回转角度θ₂，其中k₂＝1,2,...n；

S5：将采集到的数据[x₂,y₂,θ₂]以固定格式输出并保存，其中，

式中，A₂表示第二组数据集，x₂为X向运动平台的位移量数据集，j表示在叶盆上采集到的所有数据点的总数量；

S6：分别对两组数据集A₁和A₂进行预处理，剔除数据中的异常点，并使用高斯滤波的方法对异常点进行补充，然后对两组数据进行拼接，则有：

式中，A表示总数据集；

S7：总数据集A中的每一组数据表示对应测量点相对于标定点(x₀,y₀,θ₀)的位移增量，则在工作坐标系下的每个测量点P(x_w,y_w,θ)表示为

然后对测量点进行坐标变换，将每个测量点P(x_w,y_w,θ)表示成叶片坐标系中的三坐标点P(x′,y′,z′)，则有

S8：通过三维重建获得叶片轮廓的三维模型。