CN108562243A - 一种四轴叶片测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴叶片测量系统及方法，包括四轴数控平台、激光传感器、计算机测量软件以及运动控制卡，所述激光传感器通过夹具搭载在四轴数控平台Y轴移动导轨上，通过X、Y、Z三轴的直线运动实现测头与叶片型面间的相对位置要求；叶片通过卡盘安装在四轴数控平台的旋转台C轴上，旋转台C轴的旋转运动与激光束保持相对的角度；根据规划好的测量路径和测量策略，通过光栅传感器和激光传感器反馈的位置信息，坐标系的变换以及MATLAB拟合算法获取叶片的型面数据。本实发明能够提高叶片测量精度，具有操作简单，测量效率高的优点；可用于解决目前叶片快速测量的技术难题，促进专用叶片测量装置的生产与不断发展。

Description

一种四轴叶片测量系统及方法

技术领域

本发明涉及叶片测量技术,具体为一种四轴叶片测量系统及方法。

背景技术

在叶片型面检测方面，运用三坐标测量机进行检测的最大的特点就是高精度。但造价高、工作环境恶劣，由于逐点停顿式的测量方式，效率低下，接触式探针引起工件表面的变形和表面应力，测头半径又通常需要误差补偿。非接触式激光法以高自动化、高信息量和高检测效率的优势逐渐被应用于生产实践之中。激光扫描非接触式系统兼顾三坐标测量机运动控制的高精度、激光扫描式测量的高效率、对工件表面测点的易达性和非接触式测量无接触应力的特性，对自由曲面检测效率和精度的综合性能指标突出，更好地保证了叶片类零件的产品质量，降低了加工制造的成本。

同时，竞争的日益激烈促使着中、小型测量机发展速度越来越快，针对不期望费用太高的用户，就会青睐性价比比较高的小型坐标测量机。根据市场调查，许多叶片生产加工的厂家，特别是中、小型企业，都急切地期待着叶片专用测量机的问世。叶片通过夹具固定在旋转工作台上，利用旋转台的旋转运动与激光光源保持相对的角度。测头搭载在叶片测量装置Y轴移动导轨的夹具上，通过三轴的直线运动实现测头与叶片型面间的相对位置要求，且有限的测头姿态便于对测头测量姿态进行误差补偿。

发明内容

本发明的目的在于针对上述航空发动机叶片的特殊性以及现有测量技术的不足,提供一种四轴叶片测量系统及方法。

本发明所采用的技术方案是，一种四轴叶片测量系统及方法，包括四轴数控平台、激光传感器、计算机测量软件以及运动控制卡，所述激光传感器通过夹具搭载在四轴数控平台Y轴移动导轨上，通过X、Y、Z三轴的直线运动实现测头与叶片型面间的相对位置要求；叶片通过卡盘安装在四轴数控平台的旋转台C轴上，旋转台C轴的旋转运动与激光束保持相对的角度；根据规划好的测量路径和测量策略，通过光栅传感器和激光传感器反馈的位置信息，坐标系的变换以及MATLAB拟合算法获取叶片的型面数据。

优选的，所述四轴数控平台包括底座、三轴移动导轨X、Y、Z轴、旋转台C轴以及安装在移动轴的光栅传感器、驱动器、伺服电机和编码器；所述底座采用铝材质，所述旋转台C轴为旋转台绕Z轴的转动，运动范围为±360°，所述光栅传感器通过反馈数据及时调整驱动器输出脉冲，对三坐标测量机的控制为精确闭环控制。

优选的，所述激光传感器包括激光测头、显示面板和电源转换器，所述激光传感器通过数据线将显示面板分别与激光测头和四轴数控平台的光栅传感器连接，所述激光测头负责发射点激光光束，接收发射到物体表面的反射光线，所述显示面板用于显示激光测头到物体表面测量点的相对距离值和四轴数控平台X、Y、Z三个移动轴的位移信息，所述电源转换器将常用电压值转换成传感器的工作电压，且转换比率选择3.0。

优选的，所述计算机测量软件(上位机)，负责测量轨迹规划和对激光测头的测量结果的计算和处理；所述运动控制卡(下位机)，负责四轴数控平台伺服系统的指令翻译、伺服插补、I\O控制以及与上位机通讯。

优选的，所述测量路径采用等高法测量路径，通过等高法生成截面型线，截面曲线的确定方法中最常用的是沿Z轴方向等均分布，具体个数可根据叶身长度及给定档位确定，其确定公式如下式：

其中Z_i为各个截平面轴向坐标值，L为叶身有效测量长度，N为待测截面型线个数，Z₀为最低档位待测截面坐标值。

优选的，所述测量路径关键是测点分布，通过限制等弧长测量点间距来优化基于等弦高的叶片测量点分布策略，为了缩短测量路径中的无效路程，需要对各截面上的测量点进行重新排序，将激光测头相同位姿归于一类。

优选的，所述测量策略把每一个叶片截面分成叶盆、后缘、叶背和前缘4个部分，分别测量，先测量测头在轨迹a的数据点，直至在该测头位姿下数据点完全获取，接着调整测头位姿测量轨迹b，测量完叶盆，将叶片顺时针旋转90°，重复以上步骤，依次测量叶片的叶盆、后缘、叶背和前缘。

优选的，所述坐标系的变换包括平移变换和旋转变换，世界坐标系的坐标为W^w＝[x^w y^w z^w]^T，平移坐标系相对世界坐标系的坐标为由世界坐标系平移到平移坐标系，平移量为T＝[t_x t_y t_y]^T，则用矩阵表示如下式：

激光测头光学零点P在平移坐标系下的坐标为激光测头的光轴方向表示为L^t _p＝[α β γ]^T，所述光轴方向与测量仪坐标轴X、Y、Z的夹角；测量任一点Q时，激光测头读数为d，则Q点在平移坐标系下的坐标为：

设Q点在世界坐标系下的坐标为可得：

优选的，所述MATLAB拟合算法包括三次样条插值、Bezier曲线拟合、三次B样条曲线拟合，优选的，在测点的数量一定的情况下，采取三次B样条曲线拟合叶片截面型线；所述三次B样条曲线拟合曲面如下式：

式中P_i,j——为B样条曲面控制点，构成一张控制网格；u——为B样条曲面的参数1；v——为B样条曲面的参数2；i——为u方向样条基函数和控制点的序号；j——为v方向样条基函数和控制点的序号；n——为控制顶点列的数量；m——为控制顶点行的数量；k——为B样条曲面u方向的阶次；l——为B样条曲面v方向的阶次；

N_i，k(u)——为k阶B样条基函数：

式中节点矢量U＝[u₀，u₁，…，u_m]，m＝n+k+1；

N_j，l(v)——为l阶B样条基函数：

在测量数据定位融合之后，还可以利用ICP算法、遗传算法、三点对齐法、最小二乘法，对旋转台机械误差进行相应的补偿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明针对航空叶片形状复杂、技术要求高、检测难度大等特点，有效解决盲孔、窄缝、复杂曲面、超高精度等测量难题；提高叶片的检测效率，对于加快叶片及其配套产品的设计周期，提高工作效率，降低人工成本，增加公司效益等方面都有着非常重要的意义。

2.针对曲线曲率变化较大的情况下，通过限制等弧长测量点间距来优化基于等弦高的叶片测量点分布策略；对各截面上的测量点进行重新排序，将相同的测头位姿划分为一类，大大缩短测量路径中的无效路程，实现叶片测量的最短路径规划，且有限的测头姿态便于对测头测量姿态进行误差补偿。

附图说明

图1为本发明所采用的叶片测量装置结构示意图；

图2为本发明的控制系统原理图；

图3为本发明的等高法叶片测量型线图；

图4为本发明的测点分布及测量轨迹图。

图中：1、叶片；2、旋转台；3、叶片测量装置；4、激光传感器

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，下面将结合具体的实施方式对本发明进行具体、完整地说明。具体技术方案仅用以说明本发明,而非对其限制,本领域普通技术人员应当理解：在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，该叶片毛坯叶身长度为155mm，宽度为80mm，最小厚度为4mm位于前后缘处，叶身为复杂曲面。本发明一种叶片测量系统及方法的具体步骤如下：

步骤1：釆用“3-2-1”法建立叶片坐标系，分别在叶根底平面测量三个点，构建方向，在背径侧面测量两个点构建方向，进汽侧面测量一个点构建方向，通过测量可获得叶片的叶根或叶冠的实际位置坐标，对理想的工件坐标系进行坐标变换，使变换后的叶根或叶冠位置与它们的实际位置重合。

步骤2：设定最近测量距离为18mm、最远测量距离为35mm以及最佳测量距离为27mm，最大测量倾角为60°；通过等高法测量路径规划来构建截面型线，规划测量8个叶片截面型线的数据，每个截面之间相距9mm，截面与叶片积叠轴方向相垂直，具体个数可根据叶身长度及给定档位确定，其确定公式：

其中Z_i为各个截平面轴向坐标值，L为叶身有效测量长度，N为待测截面型线个数，Z₀为最低档位待测截面坐标值。

步骤3：得到截面型线后，就可以对在截面线采样，获取测量点，通过限制等弧长测量点间距来优化基于等弦高的叶片测量点分布，通过设置弦高容差，以及步长容差，在截面线上生成符合要求的测量点，为了缩短测量路径中的无效路程，需要对各截面上的测量点进行重新排序，将激光测头相同位姿归于一类；本实施例设置弦高差容差为0.5mm，步长距离阈值为5mm。

步骤4：采用连续测量方式让锥光偏振全息激光测头连续工作，可以获得叶片的截面上密集的点的坐标，把每一个叶片截面分成叶盆、后缘、叶背和前缘4个部分，分别测量；先测量测头在轨迹a的数据点，直至在该测头位姿下数据点完全获取，接着调整测头位姿测量轨迹b，测量完叶盆，将叶片顺时针旋转90°，重复以上步骤，依次测量叶片的叶盆、后缘、叶背和前缘。

步骤5：通过光栅传感器和激光传感器反馈的位置信息采集测量数据，世界坐标系的坐标为W^w＝[x^w y^w z^w]^T，平移坐标系相对世界坐标系的坐标为由世界坐标系平移到平移坐标系，平移量为T＝[t_x t_y t_y]^T，则用矩阵表示如式(2)：

激光测头光学零点P在平移坐标系下的坐标为激光测头的光轴方向表示为L^t _p＝[α β γ]^T，所述光轴方向与测量仪坐标轴X、Y、Z的夹角；测量任一点Q时，激光测头读数为d，则Q点在平移坐标系下的坐标为：

设Q点在世界坐标系下的坐标为可得：

步骤6：采取三次B样条曲线拟合叶片截面型线，所述三次B样条曲线拟合曲面如式(5)。

式中P_i,j——为B样条曲面控制点，构成一张控制网格；u——为B样条曲面的参数1；v——为B样条曲面的参数2；i——为u方向样条基函数和控制点的序号；j——为v方向样条基函数和控制点的序号；n——为控制顶点列的数量；m——为控制顶点行的数量；k——为B样条曲面u方向的阶次；l——为B样条曲面v方向的阶次；

N_i，k(u)——为k阶B样条基函数：

式中节点矢量U＝[u₀，u₁，…，u_m]，m＝n+k+1；

N_j，l(v)——为l阶B样条基函数：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种四轴叶片测量系统及方法，包括四轴数控平台、激光传感器、计算机测量软件以及运动控制卡，其特征在于：所述激光传感器通过夹具搭载在四轴数控平台Y轴移动导轨上，通过X、Y、Z三轴的直线运动实现测头与叶片型面间的相对位置要求；叶片通过卡盘安装在四轴数控平台的旋转台C轴上，旋转台C轴的旋转运动与激光束保持相对的角度；根据规划好的测量路径和测量策略，通过光栅传感器和激光传感器反馈的位置信息，坐标系的变换以及MATLAB拟合算法获取叶片的型面数据。

2.根据权利要求1所述的一种四轴叶片测量系统及方法，其特征在于：所述四轴数控平台包括底座、三轴移动导轨X、Y、Z轴、旋转台C轴以及安装在移动轴的光栅传感器、驱动器、伺服电机和编码器；所述底座采用铝材质，所述旋转台C轴为旋转台绕Z轴的转动，运动范围为±360°，所述光栅传感器通过反馈数据及时调整驱动器输出脉冲，对三坐标测量机的控制为精确闭环控制。

3.根据权利要求1所述的一种四轴叶片测量系统及方法，其特征在于：所述激光传感器包括激光测头、显示面板和电源转换器，所述激光传感器通过数据线将显示面板分别与激光测头和四轴数控平台的光栅传感器连接，所述激光测头负责发射点激光光束，接收发射到物体表面的反射光线，所述显示面板用于显示激光测头到物体表面测量点的相对距离值和四轴数控平台X、Y、Z三个移动轴的位移信息，所述电源转换器将常用电压值转换成传感器的工作电压，且转换比率选择3.0。

4.根据权利要求1所述的一种四轴叶片测量系统及方法，其特征在于：所述计算机测量软件(上位机)，负责测量轨迹规划和对激光测头的测量结果的计算和处理；所述运动控制卡(下位机)，负责四轴数控平台伺服系统的指令翻译、伺服插补、I\O控制以及与上位机通讯。

5.根据权利要求1所述的一种四轴叶片测量系统及方法，其特征在于：所述测量路径采用等高法测量路径，通过等高法生成截面型线，截面曲线的确定方法中最常用的是沿Z轴方向等均分布，具体个数可根据叶身长度及给定档位确定，其确定公式如下式：

其中Z_i为各个截平面轴向坐标值，L为叶身有效测量长度，N为待测截面型线个数，Z₀为最低档位待测截面坐标值。

6.根据权利要求1所述的一种四轴叶片测量系统及方法，其特征在于：所述测量路径关键是测点分布，通过限制等弧长测量点间距来优化基于等弦高的叶片测量点分布策略，为了缩短测量路径中的无效路程，需要对各截面上的测量点进行重新排序，将激光测头相同位姿归于一类。

7.根据权利要求1所述的一种四轴叶片测量系统及方法，其特征在于：所述测量策略把每一个叶片截面分成叶盆、后缘、叶背和前缘4个部分，分别测量，先测量测头在轨迹a的数据点，直至在该测头位姿下数据点完全获取，接着调整测头位姿测量轨迹b，测量完叶盆，将叶片顺时针旋转90°，重复以上步骤，依次测量叶片的叶盆、后缘、叶背和前缘。

8.根据权利要求1所述的一种四轴叶片测量系统及方法，其特征在于：所述坐标系的变换包括平移变换和旋转变换，世界坐标系的坐标为平移坐标系相对世界坐标系的坐标为由世界坐标系平移到平移坐标系，平移量为T＝[t_x t_y t_y]^T，则用矩阵表示如下式：

激光测头光学零点P在平移坐标系下的坐标为激光测头的光轴方向表示为所述光轴方向与测量仪坐标轴X、Y、Z的夹角；测量任一点Q时，激光测头读数为d，则Q点在平移坐标系下的坐标为：

设Q点在世界坐标系下的坐标为可得：

9.根据权利要求1所述的一种四轴叶片测量系统及方法，其特征在于：所述MATLAB拟合算法包括三次样条插值、Bezier曲线拟合、三次B样条曲线拟合，优选的，在测点的数量一定的情况下，采取三次B样条曲线拟合叶片截面型线；所述三次B样条曲线拟合曲面如下式：

式中P_i,j——为B样条曲面控制点，构成一张控制网格；u——为B样条曲面的参数1；v——为B样条曲面的参数2；i——为u方向样条基函数和控制点的序号；j——为v方向样条基函数和控制点的序号；n——为控制顶点列的数量；m——为控制顶点行的数量；k——为B样条曲面u方向的阶次；l——为B样条曲面v方向的阶次；

N_i，k(u)——为k阶B样条基函数：

式中节点矢量U＝[u₀，u₁，…，u_m]，m＝n+k+1；

N_j，l(v)——为l阶B样条基函数：