CN113418449A - 一种发动机叶片叶身与缘板测量装置及测量方法 - Google Patents

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范欣欣
冶文广
窦浩
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Abstract

本发明公开了一种发动机叶片叶身与缘板测量装置及测量方法。该发明通过两个非接触式传感器同时进行测量，可以分别测得发动机叶片叶身和缘板的高精度点云数据，从而得到发动机叶片的厚度、扭曲度、变形量、表面轮廓度等的测量数据，适用于发动机叶片的大批量检测，解决了传统的三坐标测量方法和单激光测量方法在发动机叶片加工制造及质量检测时获取数据困难、检测效率低等的问题。

Description

一种发动机叶片叶身与缘板测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于复杂产品精密测量领域技术领域，具体涉及一种发动机叶片叶身与缘板测量装置及测量方法。
背景技术
在航空发动机的加工过程中，对制造质量的要求非常高，而发动机叶片作为航空发动机的关键零件之一，其质量检测尤为重要。发动机叶片的在线测量，除了要求较高的测量精度外，同时还要求测量速度满足生产节拍的要求。目前常用的加工检测方法主要分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量具有精度高、灵活性强的优点，一直被叶片制造和检测行业广为使用。但与之相比，非接触式测量方法的检测效率更高、市场应用更广泛，因此已成为现在的主要市场需求和研究对象。非接触测量中的激光测量法由于拥有较高采样精度和快速采样速度的优点，满足厂内生产效率的需求，逐渐在现代测量领域中得到了广泛的应用。如激光传感器作为新型的测量仪器，利用激光的高单色性、高方向性和高亮度等特点能无接触远距离地测量物体，并具有测量精度高，速度快，量程大，抗光、电干扰能力强等的优点，激光扫描测量技术一次扫描可获得叶片表面大量点云数据，非常适用于发动机叶片的大批量检测。但是传统的单激光传感器测量通常用于发动机叶片叶身测量，由于缘板与叶身的夹角大、设计基准与加工基准不统一等原因，导致测量时难以同时得到发动机叶片叶身和缘板的数据。因此，有必要开展基于多传感器(包括激光传感器、光谱共焦传感器或者其他的非接触式光学测量传感器等)的发动机叶片叶身及缘板的检测技术研究，实现发动机叶片叶身及缘板数据的高效率、高精度和高一致性的测量。
发明内容
本发明的目的是设计一种发动机叶片叶身与缘板测量装置及测量方法，以解决发动机叶片叶身及缘板在加工制造及质量检测时获取数据困难、检测效率低等的问题。
本发明提供的技术方案是：一种发动机叶片叶身与缘板测量装置及测量方法，该方法包括以下步骤：
该装置包括大理石平台(1)、大理石支架(2)、发动机叶片(3)、非接触式传感器1(4)、垂直升降平台(5)、传感器固定块(6)、非接触式传感器2(7)、X轴运动平台(8)、叶片夹具(9)、旋转平台(10)、Y轴运动平台(11)、标定球(12)。
该测量装置整个固定在水平放置的大理石平台(1)上，可以提高测量的稳定性。Y轴运动平台(11)固定在大理石平台(1)上，同时旋转平台(10)固定在Y轴运动平台(11)上，叶片夹具(9)安装在旋转平台(10)上，由此将叶片夹具(9)与Y轴运动平台(11)和旋转平台(10)相连接，可以实现叶片夹具在Y轴方向上的移动和任意角度的旋转。大理石支架(2)固定在大理石平台(1)上，垂直升降平台(5)固定在大理石支架(2)上，X轴运动平台(8)固定在垂直升降平台(5)上，非接触式传感器1(4)与非接触式传感器2(7)通过传感器固定块(6)固定在X轴运动平台(8)上，可以控制传感器在X轴方向和竖直方向上的移动。叶片夹具(9)装夹着发动机叶片(3)，其每移动一定的距离或旋转一定的角度，位于发动机叶片(3)上方的非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)可以分别获得叶片的叶身、缘板的测量数据。为了保证测量的精度，将旋转平台(10)的旋转轴线与叶片夹具(9)的轴线设为同轴，同时将垂直升降平台(5)固定在后侧的大理石支架(2)上，进一步提高测量的稳定性。
本发明同时提供了基于该装置的发动机叶片测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：叶片测量装置安装
首先将Y轴运动平台(11)固定在水平放置的大理石平台(1)上，再将把旋转平台(10)安装在Y轴运动平台(11)上，叶片夹具(9)则是通过螺栓固定在旋转平台(10)上，以此来调节叶片夹具(9)的位置和角度。接着通过螺栓将垂直升降平台(5)固定在竖直放置的大理石支架(2)上，将X轴运动平台(8)固定在垂直升降平台(5)上，再通过传感器固定块(6)分别将非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)固定在X轴运动平台(8)上，以此来调节传感器与安装在叶片夹具(9)上的被测叶片(3)之间的距离。通过以上装置可以分别调整叶片的位置、角度以及叶片与传感器之间的距离，以此可以获取发动机叶片叶身及缘板数据。
步骤S2：叶片测量装置标定
设备安装好及非接触式传感器1(4)、非接触式传感器2(7)的位置与角度固定好之后，保持两个传感器的位置及角度不变，取下发动机叶片(3)，将标定球(12)(图4)装夹于夹具(9)上，调节运动平台到起始位置，启动测量软件，调节水平运动平台和旋转平台，对标定球(12)表面数据进行测量，得到测量数据后，根据标定球(12)的已知尺寸，对数据进行拼合，得到点云数据拼合坐标变换矩阵。
步骤S3：发动机叶片测量
保持两个传感器的位置及角度不变，将发动机叶片(3)固定在叶片夹具(9)上，调节X轴运动平台(8)、Y轴运动平台(11)、旋转平台(10)以及垂直升降平台(5)，将叶片(3)调整到起始位置，测量过程中移动X轴运动平台(8)、Y轴运动平台(11)和旋转平台(10)，使用非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)分别获取叶片叶身数据、缘板数据。采集完某一角度的数据后，使用旋转平台(10)带动发动机叶片(3)转动，再通过水平移动平台继续调节叶片(3)的水平位置，直至采集完所需的表面数据，从而得到了发动机叶片(3)的叶身数据和缘板数据。
步骤S4：发动机叶片测量数据拼合
结合测量装置标定步骤中得到的标准球点云数据拼合而取得的坐标变换矩阵，对两个非接触式传感器得到的测量数据进行点云拼合，得到发动机叶片叶身、缘板测量数据，发动机叶片叶身及缘板测量数据拼合原理如图5所示。
本发明的有益效果是：
1、测量时采用高精度的非接触式传感器，相比于传统的接触式三坐标测量机，有效提高了测量精度。
2、通过两个非接触式传感器(如激光传感器和光谱共焦传感器)相结合进行发动机叶片叶身及缘板数据的测量，弥补了常规的单激光传感器测量发动机叶片表面数据时的缺点，提高了测量的精确性和高效性。
3、该装置在测量过程中确保了旋转平台的旋转轴线与叶片夹具的轴线同轴，避免了发动机叶片测量过程中多次移动造成的测量误差，从而有助于提高测量精度。
附图说明
图1是本专利中测量装置结构示意图
其中，1.大理石平台、2.大理石支架、3.发动机叶片、4.非接触式传感器1、5.垂直升降平台、6.传感器固定块、7.非接触式传感器2、8.X轴运动平台、9.叶片夹具、10.旋转平台、11.Y轴运动平台。
图2是本专利测量装置局部结构示意图
图3是叶片装夹示意图
图4是标定球示意图
图5是点云拼接原理图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
第一部分：
下面结合附图1至附图5对本发明进行详细说明。
1.本发明提供了一种发动机叶片叶身与缘板测量装置，该测量装置包含大理石平台(1)、大理石支架(2)、发动机叶片(3)、非接触式传感器1(4)、垂直升降平台(5)、传感器固定块(6)、非接触式传感器2(7)、X轴运动平台(8)、叶片夹具(9)、旋转平台(10)、Y轴运动平台(11)。
该测量装置整个固定在水平放置的大理石平台(1)上，可以提高测量的稳定性。Y轴运动平台(11)固定在大理石平台(1)上，同时旋转平台(10)固定在Y轴运动平台(11)上，叶片夹具(9)安装在旋转平台(10)上，由此将叶片夹具(9)与Y轴运动平台(11)和旋转平台(10)相连接，可以实现叶片夹具在Y轴方向上的移动和任意角度的旋转。大理石支架(2)固定在大理石平台(1)上，垂直升降平台(5)固定在大理石支架(2)上，X轴运动平台(8)固定在垂直升降平台(5)上，非接触式传感器1(4)与非接触式传感器2(7)通过传感器固定块(6)固定在X轴运动平台(8)上，可以控制传感器在X轴方向和竖直方向上的移动。叶片夹具(9)装夹着发动机叶片(3)，其每移动一定的距离或旋转一定的角度，位于发动机叶片(3)上方的非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)可以分别获得叶片的叶身、缘板的测量数据。为了保证测量的精度，将旋转平台(10)的旋转轴线与叶片夹具(9)的轴线设为同轴，同时将垂直升降平台(5)固定在后侧的大理石支架(2)上，进一步提高测量的稳定性。本发明同时提供了基于该装置的发动机叶片叶身与缘板测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：叶片测量装置安装
首先将Y轴运动平台(11)固定在水平放置的大理石平台(1)上，再将把旋转平台(10)安装在Y轴运动平台(11)上，叶片夹具(9)则是通过螺栓固定在旋转平台(10)上，以此来调节叶片夹具(9)的位置和角度。接着通过螺栓将垂直升降平台(5)固定在竖直放置的大理石支架(2)上，将X轴运动平台(8)固定在垂直升降平台(5)上，再通过传感器固定块(6)分别将非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)固定在X轴运动平台(8)上，以此来调节传感器与安装在叶片夹具(9)上的被测叶片(3)之间的距离。通过以上装置可以分别调整叶片的位置、角度以及叶片与传感器之间的距离，以此可以获取发动机叶片叶身及缘板数据。
步骤S2：叶片测量装置标定
设备安装好及非接触式传感器1(4)、非接触式传感器2(7)的位置与角度固定好之后，保持两个传感器的位置及角度不变，取下发动机叶片(3)，将标定球(12)(图4)装夹于夹具(9)上，调节运动平台到起始位置，启动测量软件，调节水平运动平台和旋转平台，对标定球(12)表面数据进行测量，得到测量数据后，根据标定球(12)的已知尺寸，对数据进行拼合，得到点云数据拼合坐标变换矩阵。
步骤S3：发动机叶片测量
保持两个传感器的位置及角度不变，将发动机叶片(3)固定在叶片夹具(9)上，调节X轴运动平台(8)、Y轴运动平台(11)、旋转平台(10)以及垂直升降平台(5)，将叶片(3)调整到起始位置，测量过程中移动X轴运动平台(8)、Y轴运动平台(11)和旋转平台(10)，使用非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)分别获取叶片叶身数据、缘板数据。采集完某一角度的数据后，使用旋转平台(10)带动发动机叶片(3)转动，再通过水平移动平台继续调节叶片(3)的水平位置，直至采集完所需的表面数据，从而得到了发动机叶片(3)的叶身数据和缘板数据。
步骤S4：发动机叶片测量数据拼合
结合测量装置标定步骤中得到的标准球点云数据拼合而取得的坐标变换矩阵，对两个非接触式传感器得到的测量数据进行点云拼合，得到发动机叶片叶身、缘板测量数据，发动机叶片叶身及缘板测量数据拼合原理如图5所示。

Claims (7)

1.一种发动机叶片叶身与缘板测量装置，其特征在于：该测量装置大理石平台(1)、大理石支架(2)、发动机叶片(3)、非接触式传感器1(4)、垂直升降平台(5)、传感器固定块(6)、非接触式传感器2(7)、X轴运动平台(8)、叶片夹具(9)、旋转平台(10)、Y轴运动平台(11)、标定球(12)。
2.根据权利要求1所述的一种发动机叶片叶身与缘板测量装置，其特征在于：该测量装置整个固定在水平放置的大理石平台(1)上，可以提高测量的稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种发动机叶片叶身与缘板测量装置，其特征在于：Y轴运动平台(11)固定在大理石平台(1)上，同时旋转平台(10)固定在Y轴运动平台(11)上，叶片夹具(9)安装在旋转平台(10)上，由此将叶片夹具(9)与Y轴运动平台(11)和旋转平台(10)相连接，可以实现叶片夹具在Y轴方向上的移动和任意角度的旋转。
4.根据权利要求1所述的一种发动机叶片叶身与缘板测量装置，其特征在于：大理石支架(2)固定在大理石平台(1)上，垂直升降平台(5)固定在大理石支架(2)上，X轴运动平台(8)固定在垂直升降平台(5)上，非接触式传感器1(4)与非接触式传感器2(7)通过传感器固定块(6)固定在X轴运动平台(8)上，可以控制传感器在X轴方向和竖直方向上的移动。
5.根据权利要求1所述的一种发动机叶片叶身与缘板测量装置，其特征在于：叶片夹具(9)装夹着发动机叶片(3)，其每移动一定的距离或旋转一定的角度，位于发动机叶片(3)上方的非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)可以分别获得叶片的叶身、缘板的测量数据。
6.根据权利要求1所述的一种发动机叶片叶身与缘板测量装置，其特征在于：为了保证测量的精度，将旋转平台(10)的旋转轴线与叶片夹具(9)的轴线设为同轴，同时将垂直升降平台(5)固定在后侧的大理石支架(2)上，进一步提高测量的稳定性。
7.本发明同时提供了根据权利要求1-6任一所述的一种发动机叶片叶身与缘板测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：叶片测量装置安装。首先将Y轴运动平台(11)固定在水平放置的大理石平台(1)上，再将把旋转平台(10)安装在Y轴运动平台(11)上，叶片夹具(9)则是通过螺栓固定在旋转平台(10)上，以此来调节叶片夹具(9)的位置和角度。
接着通过螺栓将垂直升降平台(5)固定在竖直放置的大理石支架(2)上，将X轴运动平台(8)固定在垂直升降平台(5)上，再通过传感器固定块(6)分别将非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)固定在X轴运动平台(8)上，以此来调节传感器与安装在叶片夹具(9)上的被测叶片(3)之间的距离。通过以上装置可以分别调整叶片的位置、角度以及叶片与传感器之间的距离，以此可以获取发动机叶片叶身及缘板数据。
步骤S2：叶片测量装置标定。设备安装好及非接触式传感器1(4)、非接触式传感器2(7)的位置与角度固定好之后，保持两个传感器的位置及角度不变，取下发动机叶片(3)，将标定球(12)(图4)装夹于夹具(9)上，调节运动平台到起始位置，启动测量软件，调节水平运动平台和旋转平台，对标定球(12)表面数据进行测量，得到测量数据后，根据标定球(12)的已知尺寸，对数据进行拼合，得到点云数据拼合坐标变换矩阵。
步骤S3：发动机叶片测量。保持两个传感器的位置及角度不变，将发动机叶片(3)固定在叶片夹具(9)上，调节X轴运动平台(8)、Y轴运动平台(11)、旋转平台(10)以及垂直升降平台(5)，将叶片(3)调整到起始位置，测量过程中移动X轴运动平台(8)、Y轴运动平台(11)和旋转平台(10)，使用非接触式传感器1(4)和非接触式传感器2(7)分别获取叶片叶身数据、缘板数据。采集完某一角度的数据后，使用旋转平台(10)带动发动机叶片(3)转动，再通过水平移动平台继续调节叶片(3)的水平位置，直至采集完所需的表面数据，从而得到了发动机叶片(3)的叶身数据和缘板数据。
步骤S4：叶片测量数据拼合。结合测量装置标定步骤中得到的标准球点云数据拼合而取得的坐标变换矩阵，对两个非接触式传感器得到的测量数据进行点云拼合，得到发动机叶片叶身、缘板测量数据，发动机叶片叶身及缘板测量数据拼合原理如图5所示。
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