CN111397514B - 一种倾角误差控制方法 - Google Patents

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    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback

Abstract

本发明公开了叶片型面精密测量技术领域的一种倾角误差控制方法，包括如下步骤：采用高精度四轴运动平台实现四轴运动控制和精密位置反馈；基于激光三角测量原理的高精度激光位移传感器采集叶片型面坐标数据；利用高精度激光位移传感器扫描测量叶片夹具，实现叶片姿态调整，并将工件坐标系O‑XYZ建立在夹具安装柱中轴线上；特征点采集与测量路径规划；依据得到的规划路径和采样策略控制传感器在各规划坐标点Gj(xj,yj,zj)采集数据，得到叶型测点的精密坐标Pj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m，本方法算法简单，易于工程实现；效果好，适用范围广，精度可达10μm量级，满足一级精度航空涡轮叶片的测量要求，在实际工程应用中具有较好的实用价值。

Description

一种倾角误差控制方法
技术领域
本发明涉及叶片型面精密测量技术领域，具体为一种倾角误差控制方法。
背景技术
激光三角法是目前叶片型面光学测量的常用方法，图1为现有激光三角法测量原理图，采用点激光入射，基于透镜成像定理工作，测量像点位移，根据物像位移关系得到被测物点坐标信息。
倾角误差是影响激光三角法测量精度的重要因素。所谓倾角是指激光入射光线与被测表面法线的夹角α(见图1)。激光三角法传感器内置的位移计算模型是在α＝0条件下标定得到的。然而在叶片型面测量过程中，α随着被测曲面曲率的变化而变化，α的变化，改变了散射光场的空间分布，使成像光斑在线阵CCD上光能质心的位置也会随之变化。这样，使用原始的标定模型计算位移，必然会带来误差，这就是倾角误差。倾角误差数学模型如公式(1)所示，其中，R、θ、a、b为传感器的结构参数。由公式(1)可知，倾角误差仅随景深x和倾斜角度α的增大而增大，当景深x趋近于0时，倾角误差最小。倾角误差补偿是叶片型面光学测量研究的一个热点。目前倾角误差补偿的方法主要有数学模型补偿法和倾角控制法。两种方法均在一定程度上提高了叶片曲面的测量精度，但是在工程实践中受诸多因素的约束，限制了其应用的范围和效果。
Figure GDA0003388186600000011
基于此，本发明设计了一种倾角误差控制方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种倾角误差控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种倾角误差控制方法，包括如下步骤：
S1：采用高精度四轴运动平台实现四轴运动控制和精密位置反馈；
S2：基于激光三角测量原理的高精度激光位移传感器采集叶片型面坐标数据；
S3：利用高精度激光位移传感器扫描测量叶片夹具，实现叶片姿态调整，并将工件坐标系O-XYZ建立在夹具安装柱中轴线上；
S4：特征点采集与测量路径规划；
S5：依据得到的规划路径和采样策略控制传感器在各规划坐标点Gj(xj,yj,zj)采集数据，得到叶型测点的精密坐标Pj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m。
进一步的，所述步骤S1中的高精度四轴运动平台基于精密工程思想设计，由三个直线轴系X、Y、Z，一个回转轴系C和精密数控系统组成。
进一步的，所述步骤S2中的传感器采集叶片型面坐标的计算模型为：
Figure GDA0003388186600000021
其中，YS为传感器测量值，XO、YO、ZO、CO由各轴光栅尺直接采集，所有测量数据的单位均为毫米。
进一步的，所述步骤S3的具体方法为：首先，沿X方向扫描测量夹具安装柱的选定截面型线OCD，得到一组采样坐标Pi，基于采集的坐标数据Pi和最小二乘圆拟合算法求解拟合圆曲线的半径Rc和圆心坐标(Xc,Yc)，通过平移运动将工件坐标系O-XYZ建立在夹具安装柱中轴线上；然后，沿X方向扫描测量夹具基台的侧面，基于采集的坐标数据和最小二乘线拟合算法求解配准角γ，通过测量平台的回转运动将γ调整为0，完成夹具姿态的调整。
进一步的，所述步骤S4中的特征点采集具体方法为：首先在被测型线上规划n个特征点，n>5；然后通过四轴联动，采集各特征点的坐标数据Ci(xi,yi,zi)，i＝1,2,…,n；最后基于叶片特征造型方法和采集的坐标数据，提取测量规划路径；基于特征造型的路径规划方法为：首先基于采集的特征点坐标集Ci(xi,yi,zi)，利用四次多项式最小二乘拟合算法，求解叶片型线的数学模型；然后依据求解的数学模型，分析叶型的曲率变化规律，进而自动调整规划测点的位置和数量m，实现规划路径的自适应调整和优化，并得到规划坐标集Gj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m；为了减小叶型损失，优化叶片的空气动力学性能，叶片型线通常采用四次多项式曲线造型，其数学模型为：
y(x)＝a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0 (3)
进一步的，所述步骤S5中采用特征造型技术自动获取测量规划路径，由于各规划测量点测量景深趋近于0，且测点分布随叶型曲率变化自适应调整，所以可以有效限制倾角误差，显著提高测量精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出一种基于景深控制的倾角误差补偿新方法，采用高精度四轴运动平台和基于激光三角测量原理的高精度激光位移传感器采集叶片型面坐标数据，通过路径规划技术，保证每个测点的数据均在景深趋近于0的位置采集，限制倾角误差的大小，进而提高叶片型面坐标测量的精度，测量无需被测对象的理论模型，免于被测对象的名义形状约束；本方法算法简单，易于工程实现；效果好，适用范围广，精度可达10μm量级，满足一级精度航空涡轮叶片的测量要求，在实际工程应用中具有较好的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有激光三角法测量原理图；
图2为本发明高精度四轴运动平台系统结构图；
图3为本发明四轴运动平台空间坐标系模型；
图4为本发明现有高精度激光位移传感器实物图；
图5为本发明叶片夹具系统结构图；
图6为本发明工件坐标系建立原理图；
图7为本发明夹具姿态调整原理图；
图8为本发明四次多项式最小二乘拟合算法流程图；
图9为本发明方法流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-测量夹具安装柱，2-测量夹具基台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种倾角误差控制方法，包括如下步骤：
S1：采用高精度四轴运动平台实现四轴运动控制和精密位置反馈；
S2：基于激光三角测量原理的高精度激光位移传感器采集叶片型面坐标数据；
S3：利用高精度激光位移传感器扫描测量叶片夹具(见图5)，实现叶片姿态调整，并将工件坐标系O-XYZ建立在如图2所示的夹具安装柱中轴线上；
S4：特征点采集与测量路径规划；
S5：依据得到的规划路径和采样策略控制传感器在各规划坐标点Gj(xj,yj,zj)采集数据，得到叶型测点的精密坐标Pj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m。
其中，步骤S1中的高精度四轴运动平台基于精密工程思想设计，由三个直线轴系X、Y、Z，一个回转轴系C和精密数控系统组成，其系统结构框图如图2所示，空间坐标系模型如图3所示。
步骤S2中的传感器采集叶片型面坐标的计算模型为：
Figure GDA0003388186600000051
其中，YS为传感器测量值，XO、YO、ZO、CO由各轴光栅尺直接采集，所有测量数据的单位均为毫米。
步骤S3的具体方法为：首先，沿X方向扫描测量夹具安装柱1的选定截面型线OCD，得到一组采样坐标Pi，基于采集的坐标数据Pi和最小二乘圆拟合算法求解拟合圆曲线的半径Rc和圆心坐标(Xc,Yc)，通过平移运动将工件坐标系O-XYZ建立在夹具安装柱中轴线上；然后，沿X方向扫描测量夹具基台2的侧面，基于采集的坐标数据和最小二乘线拟合算法求解配准角γ，通过测量平台的回转运动将γ调整为0，完成夹具姿态的调整，本方法显著提高了坐标系的重复性和精度，标准偏差小于20μm。
步骤S4中的特征点采集具体方法为：首先在被测型线上规划n个特征点，n>5；然后通过四轴联动，采集各特征点的坐标数据Ci(xi,yi,zi)，i＝1,2,…,n；最后基于叶片特征造型方法和采集的坐标数据，提取测量规划路径；基于特征造型的路径规划方法为：首先基于采集的特征点坐标集Ci(xi,yi,zi)，利用四次多项式最小二乘拟合算法，求解叶片型线的数学模型；然后依据求解的数学模型，分析叶型的曲率变化规律，进而自动调整规划测点的位置和数量m，实现规划路径的自适应调整和优化，并得到规划坐标集Gj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m；为了减小叶型损失，优化叶片的空气动力学性能，叶片型线通常采用四次多项式曲线造型，其数学模型为：
y(x)＝a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0 (3)
步骤S5中采用特征造型技术自动获取测量规划路径，由于各规划测量点测量景深趋近于0，且测点分布随叶型曲率变化自适应调整，所以可以有效限制倾角误差，显著提高测量精度，本方法坐标测量精度可达10μm量级。
具体地：参照图2，本方法采用高精度四轴运动平台实现四轴运动控制和精密位置反馈。高精度四轴运动平台由三个直线轴系X、Y、Z，一个回转轴系C和精密数控系统等组成。
参照图4，本方法采用基于激光三角测量原理的高精度激光位移传感器采集叶片型面坐标数据。传感器采集型面坐标的计算模型如公式(2)所示，其中，YS为传感器测量值，XO、YO、ZO、CO由各轴光栅尺直接采集，所有测量数据的单位均为毫米。
参照图6，利用高精度激光位移传感器扫描测量夹具安装柱1的选定截面，并基于最小二乘圆拟合算法求解拟合圆曲线的半径Rc和圆心坐标(Xc,Yc)，通过平移运动将工件坐标系O-XYZ建立在如图2所示的夹具安装柱中轴线上。
参照图7，利用高精度激光位移传感器扫描测量夹具基台2的侧面，最小二乘线性拟合计算配准角γ，通过测量平台的回转运动将γ调整为0，完成夹具姿态的调整。
参照图8，基于采集的特征点坐标集Ci(xi,yi,zi)，利用四次多项式最小二乘拟合算法，求解叶片型线的数学模型，并得到规划坐标集Gj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m。
最后，依据得到的规划路径和采样策略控制传感器在各规划坐标点Gj(xj,yj,zj)采集数据，得到叶型测点的精密坐标Pj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m。由于各规划测点测量景深趋近于0，所以可以有效限制倾角误差，显著提高测量精度，本方法坐标测量精度可达10μm量级。
本发明的工作原理为：
参照图2和图4，利用本发明测量叶片型面时，采用高精度四轴运动平台和基于激光三角测量原理的高精度激光位移传感器采集叶片型面坐标数据；进一步地，参照图6，利用高精度激光位移传感器扫描测量夹具安装柱1的选定截面，并基于最小二乘圆拟合算法求解拟合圆曲线的半径Rc和圆心坐标(Xc,Yc)，通过平移运动将工件坐标系O-XYZ建立在夹具安装柱中轴线上；进一步地，参照图7，利用高精度激光位移传感器扫描测量夹具基台2的侧面，最小二乘线性拟合计算配准角γ，通过测量平台的回转运动，完成夹具姿态的调整；进一步地，参照图8，基于采集的特征点坐标集Ci(xi,yi,zi)和四次多项式最小二乘拟合算法，求解叶片型线的数学模型y(x)＝a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0，并得到规划坐标集Gj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m；最后，控制传感器在各规划坐标点Gj(xj,yj,zj)采集数据，得到叶型测点的精密坐标Pj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m。本发明基于景深控制原理，有效限制倾角误差，显著提高叶片曲面坐标测量的精度，坐标测量精度可达10μm量级。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种倾角误差控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：倾角是指激光入射光线与被测表面法线的夹角；免于被测对象的名义形状约束，采用基于激光三角测量原理的高精度激光位移传感器配合高精度四轴运动平台采集叶片型面坐标数据；
S2：采集叶片夹具测量数据，实现叶片姿态调整，并将工件坐标系O-XYZ建立在夹具安装柱中轴线上；
S3：在工件坐标系O-XYZ下，基于四次多项式最小二乘拟合和曲率优化完成理论模型自构与测量路径规划；
S4：依据得到的规划路径和采样策略控制传感器在景深趋近为0的各规划测点Gj(xj,yj,zj)采集数据，得到叶型测点的精密坐标Pj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m；
所述路径规划方法为：首先基于采集的特征点坐标集Ci(xi,yi,zi)，利用四次多项式最小二乘拟合算法，求解叶片型线的数学模型；然后依据求解的数学模型，分析叶型的曲率变化规律，进而自动调整规划测点的位置和数量m，实现规划路径的自适应调整和优化，并得到规划坐标集Gj(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m。
2.根据权利要求1所述的一种倾角误差控制方法，其特征在于：
所述步骤S1中的传感器采集叶片型面坐标的计算模型为：
Figure FDA0003706095090000011
其中，Ys为传感器测量值，XO、YO、ZO、CO由各轴光栅尺直接采集，所有测量数据的单位均为毫米。
3.根据权利要求1所述的一种倾角误差控制方法，其特征在于：所述步骤S2的具体方法为：首先，沿X方向扫描测量夹具安装柱(1)的选定截面型线OCD，得到一组采样坐标Pi，基于采集的坐标数据Pi和最小二乘圆拟合算法求解拟合圆曲线的半径Rc和圆心坐标(Xc,Yc)，通过平移运动将工件坐标系O-XYZ建立在夹具安装柱中轴线上；然后，沿X方向扫描测量夹具基台(2)的侧面，基于采集的坐标数据和最小二乘线拟合算法求解配准角γ，通过测量平台的回转运动将γ调整为0，完成夹具姿态的调整。
4.根据权利要求1所述的一种倾角误差控制方法，其特征在于：所述步骤S3中采用特征造型技术自动获取测量规划路径，由于各规划测量点测量景深趋近于0，且测点分布随叶型曲率变化自适应调整，所以可以有效限制倾角误差，显著提高测量精度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113446952B (zh) * 2021-08-17 2022-08-02 华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心) 一种在线非接触式轴径测量方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5132913A (en) * 1988-04-08 1992-07-21 Fanuc Ltd. Method and apparatus for creating a three-dimensional space curve by smoothly connecting a three-dimensional sequence of discretely given paints
CN104515478A (zh) * 2014-12-11 2015-04-15 华中科技大学 一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法和系统
CN107702651A (zh) * 2017-09-15 2018-02-16 黑龙江科技大学 基于测距传感器的四轴测量系统坐标系与被测叶片模型坐标系的配准方法
CN108562243A (zh) * 2018-04-23 2018-09-21 西安工业大学 一种四轴叶片测量系统及方法
CN109341601A (zh) * 2018-11-12 2019-02-15 中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所 一种视觉测量装置中回转台中心轴线的空间方位标定方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5132913A (en) * 1988-04-08 1992-07-21 Fanuc Ltd. Method and apparatus for creating a three-dimensional space curve by smoothly connecting a three-dimensional sequence of discretely given paints
CN104515478A (zh) * 2014-12-11 2015-04-15 华中科技大学 一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法和系统
CN107702651A (zh) * 2017-09-15 2018-02-16 黑龙江科技大学 基于测距传感器的四轴测量系统坐标系与被测叶片模型坐标系的配准方法
CN108562243A (zh) * 2018-04-23 2018-09-21 西安工业大学 一种四轴叶片测量系统及方法
CN109341601A (zh) * 2018-11-12 2019-02-15 中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所 一种视觉测量装置中回转台中心轴线的空间方位标定方法

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