CN109238139A - 一种五轴联动的叶片检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五轴联动的叶片检测方法，基于UG仿真模块进行运动学及动力学分析，由运动控制器控制各轴运动，采用光谱共焦传感器进行数据采集和反馈，并采用MATLAB的采集数据处理、叶片特征参数求解、检测结果评估及检测报告定制、输出。本发明操作简单，采用光谱共焦传感器，较传统的三角测量原理的激光位移传感器而言，尺寸更小，可实现叶片槽宽、深孔、小半径弧面等部位的测量，同时设置了标准标定块，并在系统软件中开发了基于标定块和叶片自身的标定功能，通过标定求解了叶片理论数据在实际系统基坐标下的位姿关系，并消除了测头与测头夹具、测头夹具与Z轴、叶片夹具的安装误差保证了系统的整体测量精度。

Description

一种五轴联动的叶片检测方法
技术领域
本发明涉及一种五轴联动的叶片检测方法，属于检测系统技术领域。
背景技术
叶片在航空、核电、舰船等关系到国计民生的行业中被广泛运用，它将流体介质的能量转化为机械能，是发动机、汽轮机、涡轮增压器等动力设备的核心部件，其加工质量直接影响着相应设备的性能，因此需要对叶片型线及几何尺寸进行测量以保证质量。
目前叶片测量方式大致有四种：
1、样板法：为一般工厂对粗加工、半精加工叶片进行型面检测的主要方法，样板长期与卡槽接触，易造成变形影响测量精度；可测截面的档位数有限，测量数据无法反应叶片的真实状况；检测结果易受工人的主观判断和熟练程度的影响，导致测量结果的不稳定。
2、三坐标测量机（CMM）：测量头在检测过程中与工件接触，长期磨损，影响测量精度，需要定时补偿，因此很少用于粗加工、半精加工的工件检测；由于测量头的测量原理及尺寸限制，CMM无法测量某些柔软工件及细节数据；CMM需要专门的测量人员，人工成本昂贵；CMM的检测效率低，一片500mm的叶片编程时间大约需要5个小时，检测耗时近2个小时，且价格昂贵，通常用于抽样检测，在规模较小的工厂很难被推广。
3、基于数控装置的在叶片线检测系统：能够真实反映叶片的实际加工及变形情况，但测量过程占用机床加工时间，工期较紧时，不宜使用。
4、采用激光位移传感器的非接触式测量专机：测头精度无法满足叶片精加工尺寸测量精度要求，且内部控制算法及检测报告大多非自主开发，无法满足不同客户的不同需求。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种五轴联动的叶片检测方法，可实现对不同尺寸的叶片的型线及叶根、叶冠径向几何尺寸的高精度、高效率测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种五轴联动的叶片检测方法，具体检测步骤如下：
步骤1：在系统的UG仿真模块中，完成待检测叶片及工装夹具理论造型的安装；
步骤2：在UG仿真模块中，设置系统基准坐标系，参照叶片加工工艺确定待检测档位型线，通过叶片尺寸设置待检测档位型线上的目标点个数、提取理论点坐标值及外法矢量，以保证光谱共焦传感器的正确检测位姿；
步骤3：在UG仿真模块中，对步骤1中安装好的系统进行运动学仿真及动力学分析；
步骤4：系统基于UG二次开发工具UGOpen，提取叶片型线各参数及径向几何各参数，其中，叶片型线各参数包括最大厚度、弦长、出气边厚度和进气边厚度；
步骤5： 根据UG仿真模块中叶片及其夹具的安装方式对实际叶片进行装夹，控制X、Y、Z轴移动及微调，将光谱共焦传感器靠近标定块，调节光谱共焦传感器的水平和竖直位姿完成对标定块的3-2-1法标定，实现叶片理论检测位姿在实际坐标系下的转换；
步骤6：通过步骤5标定的坐标系位姿关系，将各检测点位姿转换为各电机的脉冲值，由上位机按叶片型线的时针顺序依次向运动控制器发送脉冲指令，控制电机驱动器实现各电机轴运动至待检测点的位姿，并反馈补偿达到指定精度要求；
步骤7：光谱共焦传感器到达待检测点的位姿后，上位机通过STM32控制光谱共焦传感器对各档位型线上特征点进行测量；
步骤8：在系统的MATLAB软件模块中，可对步骤7中光谱共焦传感器测得的数据进行去噪和光顺处理以消除由环境因素造成的误差点；
步骤9：在系统的MATLAB软件模块中，将步骤8处理的数据，结合理论点的坐标值、测量姿态以及光谱共焦传感器的量程，求取该理论点的实际坐标值，并按照三次非均匀B样条曲线法拟合叶片实际型线的四部分，并按最佳拟合算法匹配理论型线；
步骤10：在系统的MATLAB软件模块中，参照步骤9得到的实际档位曲线求取叶片工艺上要求测量的各项参数，包括最大厚度、弦宽、弦倾角和轮廓度，并按照客户需求定制检测报告。
优选地，所述步骤5中UG仿真模块还可以通过直接对叶片进行标定，实现叶片理论检测位姿在实际坐标系下的转换。
有益效果：本发明提供一种五轴联动的叶片检测方法，操作简单，采用光谱共焦传感器，较传统的三角测量原理的激光位移传感器而言，尺寸更小，可实现叶片槽宽、深孔、小半径弧面等部位的测量，同时设置了标准标定块，并在系统软件中开发了基于标定块和叶片自身的标定功能，通过标定求解了叶片理论数据在实际系统基坐标下的位姿关系，并消除了测头与测头夹具、测头夹具与Z轴、叶片夹具的安装误差保证了系统的整体测量精度。
附图说明
图1为本发明的系统装置结构示意图；
图2为本发明的检测姿态示意图；
图3为叶片参数示意图；
图4为光谱共焦传感器的转动示意图（竖直方向）；
图5为光谱共焦传感器的转动示意图（水平方向）；
图6为待检测档位型线示意图；
图7为本发明实际测量数据与理论数据拟合示意图。
图中：底座1、转台2、第一Z轴立柱3、第二Z轴立柱4、顶尖板5、X轴移动平台6、Y轴移动平台7、光谱夹具8、光谱滑块9、标定块10、叶片夹具11、第一平行滑轨12、第一丝杠13、第二电机14、第一滑板15、锥形顶尖16、叶片17、第二平行滑轨18、第二丝杠19、第三电机20、第三平行滑轨21、第三丝杠22、第四电机23、第四平行滑轨24、第四丝杠25、第五电机26、第二滑板27、A轴电机28、上位机29、驱动控制器30、运动控制板卡集31。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本发明中采用的五轴联动的叶片检测装置，包括底座1、转台2、第一Z轴立柱3、第二Z轴立柱4、顶尖板5、X轴移动平台6、Y轴移动平台7、光谱夹具8、光谱滑块9、标定块10，所述转台2设置在底座1上，且通过第一电机控制旋转，所述转台2上中心处设有叶片夹具11，所述第一Z轴立柱3固定在底座1上，且位于转台2一侧，所述第一Z轴立柱3的两侧边沿Z轴方向设有两条第一平行滑轨12，且两条第一平行滑轨12之间设有第一丝杠13，且第一丝杠13顶端与第二电机15的电机轴连接，所述顶尖板5的一端通过第一滑板15滑动连接在第一平行滑轨12上，且所述第一滑板15与第一丝杠13连接，所述顶尖板5的下表面设有锥形顶尖16，用于固定叶片17顶尖，所述底座1上固定有两条沿X轴方向设置的第二平行滑轨18，且两条第二平行滑轨18之间设有第二丝杠19，第二丝杠19的顶端与第三电机20的电机轴连接，所述X轴移动平台6滑动连接在第二平行滑轨18上，且与第二丝杠19连接，所述X轴移动平台6上设有沿Y轴方向设置的两条第三平行滑轨21，且两条第三平行滑轨21之间设有第三丝杠22，第三丝杠22的顶端与第四电机23的电机轴连接，所述Y轴移动平台7滑动连接在X轴移动平台6上的第三平行滑轨21上，且与第三丝杠22连接，所述第二Z轴立柱4沿Z轴方向固定在Y轴移动平台7上，且位于转台2一侧，所述第二Z轴立柱4上设有两条沿Z轴方向设置的第四平行滑轨24，两条第四平行滑轨24之间设有第四丝杠25，第四丝杠25顶端与第五电机26的电机轴连接，所述光谱滑块9通过第二滑板27滑动连接在第四平行滑轨24上，且第二滑板27与第四丝杠25连接，A轴电机28的电机轴从光谱滑块9的一侧穿过光谱滑块9底部的轴孔与光谱夹具8一端垂直连接，所述光谱夹具8内设有光谱共焦传感器，所述标定块10设置在底座1上，且位于光谱共焦传感器的检测范围内。本发明中，所述第二平行滑轨18、第三平行滑轨21和第四平行滑轨24上均设有光栅尺。第一电机、第二电机14、第三电机20、第四电机23、第五电机26均为伺服电机，且分别通过驱动控制器30控制连接，所述驱动控制器30由上位机29通过运动控制板卡集31驱动控制。且本发明中涉及到的伺服电机都设有高解析度绝对值编码器，A轴电机设有旋转编码器，实现了系统的闭环运动控制及位置补偿。本发明中的伺服电机和A轴电机均有运动控制器控制运动。
一种五轴联动的叶片检测方法，具体检测步骤如下：
步骤1：在系统的UG仿真模块中，完成待检测叶片及工装夹具理论造型的安装；
步骤2：在UG仿真模块中，设置系统基准坐标系，参照叶片加工工艺确定待检测档位型线，通过叶片尺寸设置待检测档位型线上的目标点个数、提取理论点坐标值及外法矢量，以保证光谱共焦传感器的正确检测位姿，与传统测量机相比，保了叶片检测过程中系统的稳定性及无碰撞检测；
步骤3：在UG仿真模块中，对步骤1中安装好的系统进行运动学仿真及动力学分析（本发明中，运动学仿真及动力学分析技术以及UG仿真技术均属于常规技术手段，故而未加详述）；
步骤4：系统基于UG二次开发工具UGOpen，提取叶片型线各参数、径向几何各参数、待检测档位型线上的目标点坐标及检测姿态，如图3所示，其中，叶片型线各参数包括最大厚度、弦长、出气边厚度和进气边厚度，与三坐标测量法的提取数据误差小于0.0001mm，为检测报告的输出及与三坐标数据的对比提供了理论依据，同时极大提高了检测代码的实现效率，编程时间为30分钟左右，约为三坐标编程时间的十分之一；单档位型线（300个检测点）检测时间仅需35秒左右，约为三坐标检测时间的四分之一；
步骤5： 根据UG仿真模块中叶片及其夹具的安装方式对实际叶片进行装夹，控制X、Y、Z轴移动及微调，将光谱共焦传感器靠近标定块，调节光谱共焦传感器的水平和竖直位姿完成对标定块的3-2-1法标定，实现叶片理论检测位姿在实际坐标系下的转换；
步骤6：通过步骤5标定的坐标系位姿关系，将各检测点位姿转换为各电机的脉冲值，由上位机按叶片型线的时针顺序依次向运动控制器发送脉冲指令，控制电机驱动器实现各电机轴运动至待检测点的位姿，并反馈补偿达到指定精度要求；
步骤7：光谱共焦传感器到达待检测点的位姿后，上位机通过STM32控制光谱共焦传感器对各档位型线上特征点进行测量；
步骤8：在系统的MATLAB软件模块中，可对步骤7中光谱共焦传感器测得的数据进行去噪和光顺处理以消除由环境因素造成的误差点；
步骤9：在系统的MATLAB软件模块中，将步骤8处理的数据，结合理论点的坐标值、测量姿态以及光谱共焦传感器的量程，求取该理论点的实际坐标值，并按照三次非均匀B样条曲线法拟合叶片实际型线的四部分，并按“最佳拟合算法”匹配理论型线；
步骤10：在系统的MATLAB软件模块中，参照步骤9得到的实际档位曲线求取叶片工艺上要求测量的各项参数，包括最大厚度、弦宽、弦倾角和轮廓度，并按照客户需求定制检测报告。
优选地，所述步骤5中UG仿真模块还可以通过直接对叶片进行标定，实现叶片理论检测位姿在实际坐标系下的转换。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的两种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围 。

Claims (2)

1.一种五轴联动的叶片检测方法，其特征在于，具体检测步骤如下：
步骤1：在系统的UG仿真模块中，完成待检测叶片及工装夹具理论造型的安装；
步骤2：在UG仿真模块中，设置系统基准坐标系，参照叶片加工工艺确定待检测档位型线，通过叶片尺寸设置待检测档位型线上的目标点个数、提取理论点坐标值及外法矢量，以保证光谱共焦传感器的正确检测位姿；
步骤3：在UG仿真模块中，对步骤1中安装好的系统进行运动学仿真及动力学分析；
步骤4：系统基于UG二次开发工具UGOpen，提取叶片型线各参数、径向几何各参数、待检测档位型线上的目标点坐标及检测姿态，其中，叶片型线各参数包括最大厚度、弦长、出气边厚度和进气边厚度；
步骤5： 根据UG仿真模块中叶片及其夹具的安装方式对实际叶片进行装夹，控制X、Y、Z轴移动及微调，将光谱共焦传感器靠近标定块，调节光谱共焦传感器的水平和竖直位姿完成对标定块的3-2-1法标定，实现叶片理论检测位姿在实际坐标系下的转换；
步骤6：通过步骤5标定的坐标系位姿关系，将各检测点位姿转换为各电机的脉冲值，由上位机按叶片型线的时针顺序依次向运动控制器发送脉冲指令，控制电机驱动器实现各电机轴运动至待检测点的位姿，并反馈补偿达到指定精度要求；
步骤7：光谱共焦传感器到达待检测点的位姿后，上位机通过STM32控制光谱共焦传感器对各档位型线上特征点进行测量；
步骤8：在系统的MATLAB软件模块中，可对步骤7中光谱共焦传感器测得的数据进行去噪和光顺处理以消除由环境因素造成的误差点；
步骤9：在系统的MATLAB软件模块中，将步骤8处理的数据，结合理论点的坐标值、测量姿态以及光谱共焦传感器的量程，求取该理论点的实际坐标值，并按照三次非均匀B样条曲线法拟合叶片实际型线的四部分，并按最佳拟合算法匹配理论型线；
步骤10：在系统的MATLAB软件模块中，参照步骤9得到的实际档位曲线求取叶片工艺上要求测量的各项参数，包括最大厚度、弦宽、弦倾角和轮廓度，并按照客户需求定制检测报告。
2.根据权利要求1所述的一种五轴联动的叶片检测方法，其特征在于，所述步骤5中UG仿真模块还可以通过直接对叶片进行标定，实现叶片理论检测位姿在实际坐标系下的转换。
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