CN112629456A - 涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统和测量方法，涉及三坐标测量技术领域，测量系统包括主控计算机、三坐标测量机、控制系统和涡轴发动机零部件，所述的三坐标测量机上设置有自动转台，所述的涡轴发动机零部件设置在自动转台上，所述的三坐标测量机上设置有测量探头，所述的主控计算机与控制系统连接，控制系统与三坐标测量机连接，解决了卧轴发动机零部件复杂曲面测量难点，实现自动调整转台角度，精准、高效的自动测量曲面的要求，降低检测及编程过程的操作难度，提高检测速度，提供更细致、直观的结果分析，实现检测效率的提升。

Description

涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及三坐标测量技术领域，特别涉及一种涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量 系统及测量方法。

背景技术

涡轴发动机中常见复杂曲面结构，其测量比较困难，如叶轮前缘、内流道、外流道的 轮廓度偏差及叶片厚度的测量，由于产品的叶片扭曲严重,普通的三坐标测量方案只能单点测 量，通过分次旋转转台调整零件角度实现测量，但这种测量方法测量效率低，测量准确性差， 而且极易发生测量干涉。

发明内容

本发明的目的：本发明提供一种涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统及测量方法， 解决复杂曲面测量难点，实现自动调整转台角度，精准、高效的自动测量曲面的要求。

本发明的技术方案：

涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统，包括主控计算机、三坐标测量机、控制系 统和涡轴发动机零部件，所述的三坐标测量机上设置有自动转台，所述的涡轴发动机零部件 设置在自动转台上，所述的三坐标测量机上设置有测量探头，所述的主控计算机与控制系统 连接，控制系统与三坐标测量机连接。

所述涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将涡轴发动机零部件曲面上的理论坐标点导入主控计算机；

步骤2：将涡轴发动机零部件放置在自动转台上，使涡轴发动机零部件中心与自动转台 中心同轴；

步骤3：建立基于三坐标测量机的三维坐标系；

步骤4：使用测量探头测量涡轴发动机零部件某一叶片上任一点，生成该叶片对应的转 台角度，进而，使用叶片对应的转台角度以及样条曲线原理，生成测量涡轴发动机零部件所 有被测点的转台角度；

步骤5：测量涡轴发动机零部件的叶片所有被测点坐标；

步骤6：对步骤5测量得到的涡轴发动机零部件叶片被测点坐标数据进行处理与评价；

步骤7：输出厚度偏差、轮廓度偏差以及与公差的对比结果，并生成报告。

进一步，步骤1所述的理论坐标点是涡轴发动机零部件位于设计坐标系下的坐标点； 理论坐标点为TXT格式。

进一步，步骤1具体为：将涡轴发动机零部件曲面上的理论坐标点导入主控计算机， 所述的理论坐标点是涡轴发动机零部件位于设计坐标系下的坐标点；将涡轴发动机零部件三 维数字化实体设计模型导入主控计算机中，在主控计算机中自动生成三维数字化实体设计模 型的数字化矩形点阵，包括三维数字化实体设计模型压力面上的坐标点以及对应的吸力面上 的坐标点，压力面、吸力面上的坐标点矢量自动重合，点数相同。

进一步，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1使用测量探头测量涡轴发动机零部件定心圆柱面上多点的坐标，确定三维坐 标系下Z轴，使用测量探头测量涡轴发动机零部件端面上多点的坐标，确定三维坐标系的原 点；

步骤3.2使用测量探头测量涡轴发动机零部件任一叶片两侧对应的一对点的坐标，将 测量数据与步骤1中的该对点的理论坐标进行对比迭代，确定三维坐标系的角向，完成三维 坐标系的建立，该三维坐标系与步骤1中的设计坐标系一致。

进一步，步骤5具体为：使用测量探头分别扫描涡轴发动机零部件叶片的吸力面、压 力面、前缘、内流道、外流道，扫描过程中，根据涡轴发动机零部件曲率变化，主控计算机自动调节测量探头扫描速度，曲率小的部位扫描速度快，曲率大的部位扫描速度降低，同时，自动转台随测量探头与涡轴发动机零部件不同的位置关系发生联动，保证测量探头与涡 轴发动机零部件不干涉，实现涡轴发动机零部件叶片被测点坐标的连续测量。

进一步，步骤6具体包括以下步骤：

步骤6.1主控计算机识别并删除无效的被测点坐标数据；

步骤6.2评价涡轴发动机零部件叶片的厚度；

步骤6.3：分别评价涡轴发动机零部件叶片吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的 轮廓度。

进一步，步骤6.2具体为：根据步骤1中的理论坐标点得到涡轴发动机零部件叶片的理 论厚度，根据步骤5中被测点坐标得到涡轴发动机零部件叶片的实际厚度，理论厚度与实际 厚度的差值为厚度偏差，与设计厚度公差进行对比。

进一步，步骤6.3具体为：根据步骤1中的理论坐标点得到涡轴发动机零部件叶片吸力 面、压力面、前缘、内流道、外流道的理论轮廓度，根据步骤5中被测点坐标得到涡轴发动 机零部件叶片的吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的实际轮廓度，将理论轮廓度与实 际轮廓度在6个自由度方向上做最佳拟合，分别得到涡轴发动机零部件叶片吸力面、压力面、 前缘、内流道、外流道的轮廓度偏差，再分别与设计轮廓度公差进行对比。

本发明的有益效果：

本发明提供一种涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统及测量方法，解决了卧轴发 动机零部件复杂曲面测量难点，实现自动调整转台角度，精准、高效的自动测量曲面的要求， 降低检测及编程过程的操作难度，提高检测速度，提供更细致、直观的结果分析，实现检测 效率的提升。

附图说明

图1本发明结构系统结构示意图；

其中：1-涡轴发动机零部件，2-自动转台，3-测量探头，4-控制系统，5-主控计算机， 6-三坐标测量机。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的 形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操 作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案 有更完整、准确和深入的理解：

如图1所示，涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统，包括主控计算机5、三坐标测 量机6、涡轴发动机零部件1、控制系统4，所述的三坐标测量机6上设置有自动转台2，所述的涡轴发动机零部件1设置在自动转台2上，所述的三坐标测量机6上设置有测量探头3，所述的主控计算机5与三坐标测量机6连接。

主控计算机5：用于向控制系统4发送指令，控制系统4将信号转换处理传递给三坐标 测量机6；

三坐标测量机6：接收控制系统4的指令并进行相应的操作；

自动转台2：根据指令在三坐标测量机6上进行旋转；

测量探头3：在三坐标测量机3上移动，对涡轴发动机零部件1进行扫描。

本发明的测量方法采用Quindos7测量软件加自动转台2的方式进行测量，Quindos7界 面，可以自由选择测量任务和坐标系建立方式，软件评价功能包括：叶片分度；叶片轮廓度、 厚度和步距误差；流道轮廓度和跳动，同时流道支持变公差评价；前缘轮廓度等，并可输出 测量点到TXT文件，供加工机床分析。输出点包括点偏差，X、Y、Z理论和实测值。适合 任意类型的叶轮测量，包括单片、双片，左旋、右旋。叶片、流道、前缘均支持单点、扫描 两种测量方式。所有测量点安全路径，转台角度，报告自动生成，并支持一键式操作，容易 操作。所有轮廓度评价支持六个方向自由度最佳拟合，并可指定最佳拟合旋转量。

步骤1：将涡轴发动机零部件1曲面上的理论坐标点导入主控计算机5，所述的理论坐 标点是涡轴发动机零部件5位于设计坐标系下的坐标点；将涡轴发动机零部件1三维数字化 实体设计模型导入主控计算机5中，在主控计算机5中自动生成三维数字化实体设计模型的 数字化矩形点阵，包括三维数字化实体设计模型压力面上的坐标点以及对应的吸力面上的坐 标点，压力面、吸力面上的坐标点矢量自动重合，点数相同，具体包括以下步骤：

步骤1.1：将涡轴发动机零部件1曲面上的理论坐标点与涡轴发动机零部件1三维数字 化实体设计模型导入到主控计算机5的测量软件中；

步骤1.1.1：将理论坐标点以TXT格式存入主控计算机，理论坐标点要附加数据头“$ELE (NAME-ELE：FLOW_Inside,TYP＝NPT,FLD＝(X,Y,Z))”和数据尾“$END”，如下：

$ELE(NAM＝ELE:ELE NAME,TYP＝NPT,FLD＝(D,X,Y,Z))

1,19.5306,4.5331,45.5021

2,19.9117,4.8122,45.8518

3,22.1205,6.1231,46.9054

……

73,66.9221,92.8680,91.6669

$END

步骤1.1.2：将涡轴发动机零部件1三维数字化实体设计模型导入主控计算机5，在软 件中输入CadLoadModel指令并进入指令，在advanced处按数模在计算机中的路径将其调入 测量软件，模型的命名以英文大写字母开头；

步骤1.1.3：选中模型，使用Import wizard指令，删除模型中多余的面；

元素分组，导入的模型是一个整体，需要将所有元素分组，在模型区域点击鼠标右键， 选择“Prepare modle…”，点击“Select group automatically”，点击Save保存。

步骤1.1.4：查看曲面方向，点“Surface orientation”,查看曲面的矢量，如果错误则点 “Reverse surface”将曲面方向反向，最后点“Save”保存；

步骤1.1.5：导入理论坐标点。输入指令CNVFIL，按理论坐标点在计算机中的路径调 入软件。各理论坐标点的命名原则为：

大叶片压力面/大叶片吸力面	Main Pressure/Main Suction
		小叶片压力面/小叶片吸力面	Sub Pressure/Sub Suction
内流道	Flow Inside
		外流道	Flow Outside
大叶片前缘/小叶片前缘	Main Lead/Sub Lead

步骤1.2：输入指令TRAOBJ执行元素的旋转和平移，使得元素与理论坐标点拟合。

步骤1.3：设置理论点类型是PRB，使用SETFLD指令调取导入的理论坐标点，将其逐一改为PRB。输入EXCHNG指令执行转换。

步骤1.4：查找理论点的IJK。指令MESERF，先选中数模上的曲面，连接CAD，查找IJK，再断开CAD。

步骤2：摆放涡轴发动机零部件1。将涡轴发动机零部件1放置在自动转台2上，使涡轴发动机零部件1中心与自动转台2中心同轴。可以任意摆放工件角向位置，无需在没有专用夹具的情况下将零件坐标系的X轴和机器X轴平行，可以设置转台偏置——将角向坐标系X轴设置为转台零位。

步骤3：建立基于三坐标测量机的三维坐标系；

步骤3.1使用测量探头3测量涡轴发动机零部件1定心圆柱面上多点的坐标，确定三 维坐标系下Z轴，使用测量探头3测量涡轴发动机零部件1端面上多点的坐标，确定三维坐 标系的原点；

步骤3.2使用测量探头3测量涡轴发动机零部件1任一叶片两侧对应的一对点的坐标， 将测量数据与步骤1中的该对点的理论坐标进行对比迭代，确定三维坐标系的角向，完成三 维坐标系的建立，该三维坐标系与步骤1中的设计坐标系一致。

步骤4：使用测量探头3测量涡轴发动机零部件1某一叶片上任三点，生成该叶片对应 的转台角度，进而，使用叶片对应的转台角度以及样条曲线原理，生成测量涡轴发动机零部 件1所有被测点的转台角度；

步骤4.1：坐标系迭代。任意选择一个大叶片压力面，迭代一组坐标，指令为AlnBestfit。 手动采集涡轴发动机零部件1任一叶片右侧靠近叶尖一点，采集结束后测量机会自动在叶片 两侧反复采点，直到迭代误差至0.005以内后自动结束。目的是将测量数据与步骤1中的该 对点的理论坐标进行对比迭代，确定三维坐标系的角向，完成三维坐标系的建立，该三维坐 标系与步骤1中的设计坐标系一致；

步骤4.2：编辑理论点号。指令为Test_Surface，回车后出现报告图形，数出每一行的 点数，再次执行Test_Surface指令，将查好的每行点的数量以“，”相隔的形式填入点编号 栏。压力面与吸力面数据做此步骤处理，编辑点号是为了用于生成叶型测量点的转台角度和 报告显示。

步骤4.3：生成转台角度。指令GenRtAngleFromPts用于生成叶型、流道、前缘和回流 器等曲面的转台角度，原理是线在曲面上获取一些关键点，然后根据样条曲线原理生成所有 测量点的转台角度。

分别手动采集同一叶片叶片压力面和吸力面的中间位置从上至下不同截面1点；采集 叶尖上面1点；内流道1点；前缘左右各1点；生成后使用MeaBladeSurface测试转台角度 是否有碰撞。

步骤5：测量涡轴发动机零部件1的叶片所有被测点坐标：使用测量探头3分别扫描涡 轴发动机零部件1叶片的吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道，扫描过程中，根据涡轴发动机零部件1曲率变化，主控计算机5自动调节测量探头3扫描速度，曲率小的部位扫描速度快，曲率大的部位扫描速度降低，同时，自动转台2随测量探头3与涡轴发动机零部 件1不同的位置关系发生联动，保证测量探头3与涡轴发动机零部件1不干涉，实现涡轴发 动机零部件1叶片被测点坐标的连续测量；

每组叶片测量时，先扫描大叶片的压力面，然后做仅绕Z轴旋转地最佳匹配得到新坐 标系，转换压力面坐标点到新坐标系下，然后在新坐标系下测量大叶片的吸力面，小叶片的 压力面和吸力面。其他组叶片按照相同的方式循环测量；

测量过程中实现了以下技术效果：

(1)四轴联动扫描，能够在狭窄的测量空间内完成复杂零件的自动转台2上的连续性 四轴扫描，转台动态参数自动调整，连续密级的点云捕捉确保无任何妥协的高效率质量控制， 自动识别并删除无效点，扫描过程中测力保持恒定，以保证测量高精度。

自动转台2随测量探头3与涡轴发动机零部件1不同的位置关系发生联动，保证测量 探头3与涡轴发动机零部件1不干涉，实现涡轴发动机零部件1叶片被测点坐标的连续测量。

(2)VHSS-可变速扫描，在进行复杂几何特征的扫描时传统的扫描方法需要手动调整 扫描速度以避免丢失接触点，而可变速扫描扫描速度尽可能的快，靠曲面曲率驱动，在已知 几何特征上实时连续调整测量速度，以最大化节省时间，保证最优化的测量精度。

扫描过程中，根据涡轴发动机零部件1曲率变化，主控计算机自动调节测量探头3扫 描速度，曲率小的部位扫描速度快，曲率大的部位扫描速度降低。

(3)三维扫描，三维半径修正。三坐标测量机6自动根据测针直径生成球心轨迹，沿着空间曲面矢量方向做高速连续扫描，扫描结束后，测量软件自动做三维半径修正，得到最优化的产品表面数据。

(4)智能锁定扫描，对于小圆弧或者棱边曲线，曲率变化较大，常规测量容易产生较 大误差甚至停机，利用“智能锁定扫描技术”，在扫描过程中自动修正扫描路径并重新扫描， 做到测量过程中“永不停机”，并能做到无人值守的测量操作。

步骤6：对步骤5测量得到的涡轴发动机零部件1叶片被测点坐标数据采用多线程并发 快速处理方法进行处理与评价；

多线程并发快速处理数据方法，是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。 在一个程序中，这些独立运行的程序片段叫作“线程”，利用它编程的概念叫作“多线程处 理”，在测量过程中，测量过程和数据处理并行的测量技术，保证了扫描测量和数据处理同 步，测量连续，最大化提升测量效率；

步骤6.1主控计算机5识别并删除无效的被测点坐标数据；

步骤6.2评价涡轴发动机零部件1叶片的厚度：根据步骤1中的理论坐标点得到涡轴 发动机零部件1叶片的理论厚度，根据步骤5中被测点坐标得到涡轴发动机零部件1叶片的 实际厚度，理论厚度与实际厚度的差值为厚度偏差，与设计厚度公差进行对比；

步骤6.3：分别评价涡轴发动机零部件1叶片吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的轮廓度，根据步骤1中的理论坐标点得到涡轴发动机零部件1叶片吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的理论轮廓度，根据步骤5中被测点坐标得到涡轴发动机零部件1叶片的吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的实际轮廓度，将理论轮廓度与实际轮廓度在6个自 由度方向上做最佳拟合，分别得到涡轴发动机零部件1叶片吸力面、压力面、前缘、内流道、 外流道的轮廓度偏差，再分别与设计轮廓度公差进行对比。

步骤6.4：厚度评价，厚度根据对应的叶盆和叶背点计算点间距离，和理论的点间距离 相减得出厚度偏差。

步骤7：输出厚度偏差、轮廓度偏差以及与公差的对比结果，并生成报告，报告以TXT 文本形式输出，附带拓扑图，在输出整个零件的测量结果的同时，也能够直观的显示每一片 叶片和所有测量点的测量结果。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限 制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本 发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统，其特征在于：包括主控计算机(5)、三坐标测量机(6)、控制系统(4)和涡轴发动机零部件(1)，所述的三坐标测量机(6)上设置有自动转台(2)，所述的涡轴发动机零部件(1)设置在自动转台(2)上，所述的三坐标测量机(6)上设置有测量探头(3)，所述的主控计算机(5)与控制系统(4)连接，控制系统(4)与三坐标测量机(6)连接。

2.根据权利要求1所述涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将涡轴发动机零部件(1)曲面上的理论坐标点导入主控计算机(5)；

步骤2：将涡轴发动机零部件(1)放置在自动转台(2)上，使涡轴发动机零部件(1)中心与自动转台(2)中心同轴；

步骤3：建立基于三坐标测量机(6)的三维坐标系；

步骤4：使用测量探头(3)测量涡轴发动机零部件(1)某一叶片上任一点，生成该叶片对应的转台角度，进而，使用叶片对应的转台角度以及样条曲线原理，生成测量涡轴发动机零部件(1)所有被测点的转台角度；

步骤5：测量涡轴发动机零部件(1)的叶片所有被测点坐标；

步骤6：对步骤5测量得到的涡轴发动机零部件(1)叶片被测点坐标数据进行处理与评价；

步骤7：输出厚度偏差、轮廓度偏差以及与公差的对比结果，并生成报告。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：步骤1所述的理论坐标点是涡轴发动机零部件(1)位于设计坐标系下的坐标点；理论坐标点为TXT格式。

4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：步骤1具体为：将涡轴发动机零部件(1)曲面上的理论坐标点导入主控计算机(5)；将涡轴发动机零部件(1)三维数字化实体设计模型导入主控计算机(5)中，在主控计算机(5)中自动生成三维数字化实体设计模型的数字化矩形点阵，包括三维数字化实体设计模型压力面上的坐标点以及对应的吸力面上的坐标点，压力面、吸力面上的坐标点矢量自动重合，点数相同。

5.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1使用测量探头(3)测量涡轴发动机零部件(1)定心圆柱面上多点的坐标，确定三维坐标系下Z轴，使用测量探头(3)测量涡轴发动机零部件(1)端面上多点的坐标，确定三维坐标系的原点；

步骤3.2使用测量探头(3)测量涡轴发动机零部件(1)任一叶片两侧对应的一对点的坐标，将测量数据与步骤1中的该对点的理论坐标进行对比迭代，确定三维坐标系的角向，完成三维坐标系的建立，该三维坐标系与步骤1中的设计坐标系一致。

6.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：步骤5具体为：使用测量探头(3)分别扫描涡轴发动机零部件(1)叶片的吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道，扫描过程中，根据涡轴发动机零部件(1)曲率变化，主控计算机(5)自动调节测量探头(3)扫描速度，曲率小的部位扫描速度快，曲率大的部位扫描速度降低，同时，自动转台(2)随测量探头(3)与涡轴发动机零部件(1)不同的位置关系发生联动，保证测量探头(3)与涡轴发动机零部件(1)不干涉，实现涡轴发动机零部件(1)叶片被测点坐标的连续测量。

7.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：步骤6具体包括以下步骤：

步骤6.1主控计算机(5)识别并删除无效的被测点坐标数据；

步骤6.2评价涡轴发动机零部件(1)叶片的厚度；

步骤6.3：分别评价涡轴发动机零部件(1)叶片吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的轮廓度。

8.根据权利要求7所述的量方法，其特征在于：步骤6.2具体为：根据步骤1中的理论坐标点得到涡轴发动机零部件(1)叶片的理论厚度，根据步骤5中被测点坐标得到涡轴发动机零部件(1)叶片的实际厚度，理论厚度与实际厚度的差值为厚度偏差，与设计厚度公差进行对比。

9.根据权利要求7所述的量方法，其特征在于：步骤6.3具体为：根据步骤1中的理论坐标点得到涡轴发动机零部件(1)叶片吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的理论轮廓度，根据步骤5中被测点坐标得到涡轴发动机零部件(1)叶片的吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的实际轮廓度，将理论轮廓度与实际轮廓度在6个自由度方向上做最佳拟合，分别得到涡轴发动机零部件(1)叶片吸力面、压力面、前缘、内流道、外流道的轮廓度偏差，再分别与设计轮廓度公差进行对比。

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