CN112729129A - 一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量装置和方法，该装置包括三轴移动组件、C轴旋转平台和控制组件，三轴移动组件中三轴的端点为坐标原点，均采用轴滚珠丝杠结构，所述三个移动轴上分别设置有X向滑块、Y向滑块和Z向滑块，Z轴的顶端设置有C轴旋转平台，C轴旋转平台上设置有工件夹具,工件夹具的旋转中心轴线平行于Z向滑块的运动方向,X向滑块、Y向滑块、Z向滑块和C轴旋转平台分别连接步进电机；激光位移传感器安装在Y轴末端，Y轴上的电机尾部安装有光栅尺和编码器。本发明客服了现有技术存在的测量时间过长，易产生误差而造成实际工程中的失误的问题。

Description

一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量装置和方法

技术领域

本发明涉及四轴叶片激光测量技术领域，具体涉及一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量装置和方法。

背景技术

坐标测量机的测量方式通常可分为接触式测量和非接触式测量。接触测量方式对工作环境要求严格，难以满足现场测量的要求，测量效率低，误差大，对于薄型叶片型面难以测量，测量手段单一，逆向工程的时候可能会造成误差。非接触式三坐标测量机因结构简单、使用方便、速度快、分辨率较高、测量范围较大，所以目前以激光扫描测量为叶片测量技术的主要发展方向。

但是传统的激光扫描测量策略为等高法，也就是按照一定的距离将叶片分成若干个截面，按照周测量方案实现对每个截面的测量。现有技术存在的问题是：

(1)对整个叶片的测量分解成若干个截面的测量，因此对截面个数的选取成为一个难题，截面数量选取较少，容易造成重要数据丢失，截面数量选取过多会造成测量时间过长，从而影响整个测量工程的周期；

(2)由于测量的两个相邻的截面之间存在一定的区域没有测量，所以在后期三维重建的过程中可能会影响拟合的精度，从而影响误差对比的结果，造成实际工程中的失误。

(3)对于扭曲度较大的叶片，各个截面之间有“空白区”的存在，使得在后期三维逆向建模过程中，空白区的拟合并不一定是按照理想状态进行的，在后期拟合过程中可能会造成一定的误差，对实际中的误差评定造成一定的影响。

为了克服上述方法的问题,现有技术又提供了边界法测量方法，实现Z轴纵向的测量，其测量方案和登高法类似，将叶片纵向平面沿X方向分为若干待测曲线。边界测量主要是利用了激光位移传感器的有效测量范围与无效测量范围之间变化时输出信号发生阶越的特征，当在激光位移传感器有效量程之内时，激光位移传感器发射的激光会通过透镜由发射器下方的接收器进行接收其反馈的电压会呈现一个0V到5V的线性变化；当超出量程时，接收器接收不到任何信息，其电压将为5V。该测量方案较为容易实现,解决了等高法确定测量截面数的问题,在一定程度上弥补了等高法在后续三维重建中所带来的额外误差问题, 但是使用边界法测量时，因为叶片下方有底座，需要人为设定运动边界，测量时间过长,同时下方靠近底座部分并不能完全测量，易产生误差而造成实际工程中的失误。

发明内容

本发明要克服现有技术存在的测量时间过长，易产生误差而造成实际工程中的失误的问题，提供了一种具有精度高、无死角、效率高、成本低的四轴叶片激光测量平台的点激光测量装置和方法。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量装置，包括三轴移动组件、C轴旋转平台(4)和控制组件，

所述三轴移动组件中三轴的端点为坐标原点，均采用轴滚珠丝杠结构，所述三个移动轴上分别设置有X向滑块(1)、Y向滑块(2)和Z向滑块(3)，Z 轴的顶端设置有C轴旋转平台(4)，所述C轴旋转平台上设置有工件夹具(5), 工件夹具(5)的旋转中心轴线平行于Z向滑块的运动方向,X向滑块、Y向滑块、Z向滑块和C轴旋转平台分别连接步进电机；激光位移传感器(6)安装在 Y轴末端，Y轴上的电机尾部安装有光栅尺(7)和编码器(8)。

一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量方法，包括以下步骤：

步骤一、将被测量叶片夹装在C轴旋转平台的工件夹具上，三轴移动组件中的X向滑块(1)、Y向滑块(2)和Z向滑块(3)联动调整位置，

步骤二、C轴旋转平台上的回转轴每旋转一周完成对一个截面的测量，之后 X向滑块(1)、Y向滑块(2)和Z向滑块(3)联动移动一个步长进行对下一个截面进行测量；

步骤三、在对每个截面完成测量之后，以叶片的左下方或者右下方为起点，以Z向为测量路径，利用点激光位移传感器的三角激光法中的电压的变化规律识别点激光位移传感器是否已经达到叶片的边界点，若已达到，则移动一个步长，进行下一个路线的测量，三轴移动组件和C轴旋转平台通过控制组件调整被测量叶片的姿态，点激光位移传感器测量被测叶片的各个角度，完成测量；

步骤四：测量完成，数模采集卡将测得数据返回，用户进行误差评定，对被测叶片进行能否使用的评测，判断是否为合格件或不合格件。

进一步的，所述步骤三中，点激光位移传感器采用直射式三角法进行对被测量叶片的测量，参见式(2)：

由相似三角形可得：

综合可得：

为了减少步进电机在运行时产生的惯性冲击，提高设备的稳定性和电机的使用寿命，采用S性速度规划，在电机刚运行时加速，在快到目标点时减速得式(3)：

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明在截面法测量的截面因为各个截面之间有空白区，对空白区叶片曲率的变化不明确，因此在拟合时会造成误差，本发明在此基础上加上对Z轴面的测量，明确叶片的曲率变化，可以很好的弥补这一误差。

2、本发明利用自主搭建的装置为基础，测量机以金属长方体为框架，四轴电机并行联动的测量控制方案，且其中C轴旋转平台安装在Z向滑块上，采用工件升降不是测头升降，尽可能的减少激光位移传感器的移动频率，间接的减少了激光位移传感器移动过程中可能产生震动所带来的误差，保证了测头的稳定性。同时选用改进测量路径规划的方法，代替传统截面法在逆向工程中所带来的误差。因此，具有高自由度、结构简单、成本较低、避免测量盲区等优点，可以实现叶片的高精度测量。

3、本发明末端采用点激光位移传感器，以数模采集卡采集所测得数据，减少测量所需的时间，提高测量效率。

附图说明

图1是等高法原理图；

图2是四轴叶片测量装置下位机简图；

图3是激光三角法测量原理图；

图4是边界判定原理图；

图5是周测量原理图；

图6是新型点激光测量策略原理图；

图7是S型加减速控制；

图8是路径流程图。

图中，1-X向滑块、2-Y向滑块、3-Z向滑块、4-C轴旋转平台、5-工件夹具，6-激光位移传感器，7-光栅尺、8-编码器、9-驱动方程盒、10-上位机，11- 点激光发射器，12-第一透镜，13-被测件，14-第二透镜，15-受光体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，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做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。

参见图1，传统测量叶片时往往采用截面法，即假设叶片的长度为L，按Z 轴等分的方式将叶片分成若干个界面，即一个需要测量的截面数Z为式(1)：

Z＝L/N (1)

具体需要测量界面的个数Z可根据叶片扭转度的大小进行更改。

实施例：

本发明提供的一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量装置，包括三轴移动组件、C轴旋转平台4和控制组件，所述三轴移动组件中三轴的端点为坐标原点，均采用轴滚珠丝杠结构，所述三个移动轴上分别设置有X向滑块1、Y向滑块2和Z向滑块3，Z轴的顶端设置有C轴旋转平台4，所述C轴旋转平台上设置有工件夹具5,工件夹具5的旋转中心轴线平行于Z向滑块的运动方向,X 向滑块、Y向滑块、Z向滑块和C轴旋转平台分别连接步进电机；激光位移传感器6安装在Y轴末端，Y轴上的电机尾部安装有光栅尺7和编码器8。

所述控制组件包括驱动方程盒9和上位机10，驱动方程盒由DMC驱动器、电源、A/D模块构成；上位机由PC机和四轴运动控制卡构成。本发明以4个步进电机为自由度驱动，实现被测叶片的无死角测量。用户通过上位机10连接的四轴运动控制卡通过PCI总线与驱动方程盒相连，驱动方程盒9中的DMC驱动器由24V电源驱动，通过A/D模块转换后接收用户传来的信息，进行解析翻译发送给装置中的步进电机脉冲数和方向，实现用户所需的测量路径。为了实现测量控制的精确测量，搭建闭环系统，步进电机尾部连接的编码器8反馈给用户脉冲数，滚珠丝杠下方安装的光栅尺7反馈给用户步进电机具体的行程数，用户通过观察即可给予某个电机一定的补偿数，从而实现精确测量。

本发明的测量原理是：在等高法的基础上利用点激光位移传感器的三角激光法的原理，所提供的一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量方法，将叶片按Z向分成若干截面，首先实现各个截面的测量；然后按照Z轴方向实现对纵向面的测量，按照面的宽度可以按照一定的间隔进行线性测量，以达到对两个截面之间空白区叶片曲率补偿的效果，更有利于后期逆向重建。参见图3，所说的点激光位移传感器的激光发射器11发射激光经过第一透镜12打在被测件13 上，然后经过θ角经过第二透镜14透镜由受光体15进行接收，根据数学的几何知识即可得到激光位移传感器到被测件的距离，同时随着返回距离值的不同返回的电压值也不同，当被测件超出激光位移传感器量程或者不在量程之内时，返回的电压为恒定值，若在量程之内则电压值会根据距离的变化而变化，如图4 所示。可由此为依据，判断叶片是否超出激光位移传感器的量程，是否超出叶片的边界点。

本发明提供的一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量方法，包括下述步骤：

步骤一、将被测量叶片夹装在C轴旋转平台的工件夹具上，三轴移动组件中的X向滑块1、Y向滑块2和Z向滑块3联动调整位置，

步骤二、C轴旋转平台上的回转轴每旋转一周完成对一个截面的测量，之后 X向滑块1、Y向滑块2和Z向滑块3联动移动一个步长进行对下一个截面进行测量(图5所示)。

在此过程中的路径规划要满足以下要求:(1)尽可能的缩短测量时间；(2) 安全性高，避免测量过程中产生碰撞,造成设备损坏或对使用者产生伤害；(3) 准确性高，不能因为提高效率减少部分关键信息的测量。

在等高法的基础上添加边界法的测量，变相来看，边界法相当于X轴方向的等高法，设叶片横向X轴方向的距离为D，则:

式中：

D_i—表示当前检测面线的Y向坐标值(i＝0，1，2···)；

D₀—表示最下一个测量面线的Y向坐标值；

在使用周测量方法完成截面测量之后，人工划分测量线，测量线的目的是为了达到修正的效果，因此，测量线不必太多。利用4所示的边界判定条件，让点激光位移传感器右上往下移动，当进入有效测量区时开始测量，直到下方人为设定的运动边界，完成一个测量线的测量，往右或往左移动继续下一个测量线的测量，路径流程图如图8所示。

步骤三、在对每个截面完成测量之后，以叶片的左下方或者右下方为起点，以Z向为测量路径，利用点激光位移传感器的三角激光法中的电压的变化规律识别点激光位移传感器是否已经达到叶片的边界点，若已达到，则移动一个步长，进行下一个路线的测量，(如图6所示)三轴移动组件和C轴旋转平台通过控制组件调整被测量叶片的姿态，点激光位移传感器测量被测叶片的各个角度，完成测量。

上述点激光位移传感器采用直射式三角法进行对被测量叶片的测量，由图2 得式(2)：

由相似三角形可得：

综合可得：

为了减少步进电机在运行时产生的惯性冲击，提高设备的稳定性和电机的使用寿命，采用S性速度规划，在电机刚运行时加速，在快到目标点时减速由图7得式(3)：

用户可以通过C语言进行叶对底层DLL函数库的修改，通过VB语言在上位机进行测量软件开发并实现DLL函数库的调用从而实现测量路径的规划，实现四轴叶片激光测量平台的点激光测量方法。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (3)

1.一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量装置，其特征在于，包括三轴移动组件、C轴旋转平台(4)和控制组件，

所述三轴移动组件中三轴的端点为坐标原点，均采用轴滚珠丝杠结构，所述三个移动轴上分别设置有X向滑块(1)、Y向滑块(2)和Z向滑块(3)，Z轴的顶端设置有C轴旋转平台(4)，所述C轴旋转平台上设置有工件夹具(5),工件夹具(5)的旋转中心轴线平行于Z向滑块的运动方向,X向滑块、Y向滑块、Z向滑块和C轴旋转平台分别连接步进电机；激光位移传感器(6)安装在Y轴末端，Y轴上的电机尾部安装有光栅尺(7)和编码器(8)。

2.一种四轴叶片激光测量平台的点激光测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将被测量叶片夹装在C轴旋转平台的工件夹具上，三轴移动组件中的X向滑块(1)、Y向滑块(2)和Z向滑块(3)联动调整位置，

步骤二、C轴旋转平台上的回转轴每旋转一周完成对一个截面的测量，之后X向滑块(1)、Y向滑块(2)和Z向滑块(3)联动移动一个步长进行对下一个截面进行测量；

步骤三、在对每个截面完成测量之后，以叶片的左下方或者右下方为起点，以Z向为测量路径，利用点激光位移传感器的三角激光法中的电压的变化规律识别点激光位移传感器是否已经达到叶片的边界点，若已达到，则移动一个步长，进行下一个路线的测量，三轴移动组件和C轴旋转平台通过控制组件调整被测量叶片的姿态，点激光位移传感器测量被测叶片的各个角度，完成测量；

步骤四：测量完成，数模采集卡将测得数据返回，用户进行误差评定，对被测叶片进行能否使用的评测，判断是否为合格件或不合格件。

3.根据权利要求2所述四轴叶片激光测量平台的点激光测量方法，其特征在于，所述步骤三中，点激光位移传感器采用直射式三角法进行对被测量叶片的测量，参见式(2)：

由相似三角形可得：

综合可得：

为了减少步进电机在运行时产生的惯性冲击，提高设备的稳定性和电机的

使用寿命，采用S性速度规划，在电机刚运行时加速，在快到目标点时减速得式(3)：

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