CN115164809A - 一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法 - Google Patents

一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115164809A
CN115164809A CN202210765849.2A CN202210765849A CN115164809A CN 115164809 A CN115164809 A CN 115164809A CN 202210765849 A CN202210765849 A CN 202210765849A CN 115164809 A CN115164809 A CN 115164809A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coordinate system
axis
rotation
blade
blisk
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210765849.2A
Other languages
English (en)
Inventor
闫立方
张旭
徐卫飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Jihui Huake Intelligent Equipment Technology Co ltd
Original Assignee
Jiangsu Jihui Huake Intelligent Equipment Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu Jihui Huake Intelligent Equipment Technology Co ltd filed Critical Jiangsu Jihui Huake Intelligent Equipment Technology Co ltd
Priority to CN202210765849.2A priority Critical patent/CN115164809A/zh
Publication of CN115164809A publication Critical patent/CN115164809A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/20—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring contours or curvatures, e.g. determining profile
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/045—Correction of measurements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

本发明涉及整体叶盘叶片型面的检测技术领域，具体公开了一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，包括：构建转台作为第六轴的三坐标六轴测量机，并建立空间误差模型，以及计算整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点与矢量；依据旋转轴线的原点与矢量，计算出叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵；利用Z‑Y‑X欧拉角得到叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的Z‑Y‑X欧拉角等效旋转矩阵，并求解出Z‑Y‑X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值；依据测量补偿值，实现三坐标六轴测量机对整体叶盘圆周叶片的精确测量。本发明提供的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，提升了三坐标六轴测量机对整体叶盘测量精度与效率，有效降低了测量机量程。

Description

一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法
技术领域
本发明涉及整体叶盘叶片型面的检测技术领域，更具体地，涉及一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法。
背景技术
整体叶盘广泛应用于航空、国防、能源等行业，如汽车的涡轮增压器、舰船的燃汽轮机、航空的发动机、大型火力发电的蒸汽机，其叶片型面曲线、叶身表面粗糙度、前后缘曲率半径和形状特性在很大程度上决定了工作环境中介质的能量转换率，影响着相关产品的性能和寿命。整体叶盘叶片型面的检测主要是对叶片前缘、后缘、叶盆、叶背的轮廓和扭转角、叶型厚度、叶片弦长等关键尺寸的检测。传统的叶片检测主要以人工为主，其中标准样板法应用最广泛，虽然操作简单，适宜现场生产，但最大的缺点是精度低，只能对叶片型面进行定性分析，并不能获取精确的测量误差。同时，新型光学检测方法对整体叶盘这种自由曲面复杂，扭曲度大，流道狭窄的工件，较难完成其叶片型面的检测，而三坐标测量整体叶盘则成为整体叶盘叶片型面检测的最有效手段。
目前，三坐标对整体叶盘测量主要有两种技术路径：一是采用配置精密转台的高精度三坐标测量机实现四轴联动；二是采用配置多轴测座及高精度扫描测头进行测量。前者虽然配置了第四轴精密转台和多角度的触发式测头，提升测量效率，但其测头角度固定，只能测量形状参数差别较小的整体叶盘，其通用性不高，性价比较低；另一方面，大部分具有五轴测量机并未尝试配置高精度转台，即使通过其高自由度动态测量系统完成了整个叶盘的测量，但对于一些较大尺寸的叶盘，依然存在超出测量机导程而无法测量的情况，这意味着会提高检测精度和成本，一定程度上限制了检测效率。因此，设计一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，对提高回转类整体叶盘检测效率和精度有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，提高了坐标测量机对回转整体叶盘的测量效率，有效降低了测量机的检测量程，解决了转台引入误差问题，提升了测量精度。
作为本发明的第一个方面，提供一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建转台作为第六轴的三坐标六轴测量机；
步骤S2：依据在测量整体叶盘时转台回转所引入的测量误差，建立空间误差模型；
步骤S3：依据所述空间误差模型，计算整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA0003725536260000011
步骤S4：依据所述整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA0003725536260000012
计算出叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵；
步骤S5：利用Z-Y-X欧拉角对所述等效旋转矩阵的描述，得到叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵，并求解出所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值；
步骤S6：依据所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，实现所述三坐标六轴测量机对整体叶盘圆周叶片的精确测量。
进一步地，所述构建转台作为第六轴的三坐标六轴测量机，还包括：
验证转台作为第六轴的精度达标后，完成所述三坐标六轴测量机的配置，整个配置过程包括硬件连接、UCC软件配置和转台参数调节三个部分，采用放大器SPA3作为UCC控制器控制气浮转台运动的中转，硬件连接完成后，再对UCC软件系统进行匹配，并调节气浮转台的电流环、速度环以及位置环参数，若UCC控制器实现软硬件控制气浮转台成功回零，则所述三坐标六轴测量机配置完成。
进一步地，所述依据所述空间误差模型，计算在整体叶盘坐标系下旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA00037255362600000215
依据所述整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA00037255362600000214
计算出叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵，还包括：
所述整体叶盘坐标系是绕转台坐标系的中心轴线旋转，当选择转台坐标系的X轴、Y轴以及Z轴中任意一个轴作为旋转轴时，则叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵RK(θ)为：
Figure BDA0003725536260000021
式中，cθ＝cosθ，sθ＝sinθ，vθ＝1-cosθ，且
Figure BDA0003725536260000022
为旋转轴单位矢量，θ为整体叶盘随转台相对于最初位置的旋转角度，其符号由右手定则确定，即大拇指指向旋转轴矢量方向；此时，旋转轴单位矢量
Figure BDA0003725536260000023
及起点P的描述是在第1片叶片坐标系下，在求解等效旋转矩阵RK(θ)之前，需要确定
Figure BDA0003725536260000024
及起点
Figure BDA0003725536260000025
而所述第1片叶片坐标系相对于转台坐标系的描述
Figure BDA0003725536260000026
可以用，主轴单位矢量在转台坐标系单位方向分量表示：
Figure BDA0003725536260000027
Figure BDA0003725536260000028
式中，ΔXBC1、ΔYBC1、ΔZBC1为所述第1片叶片坐标系相对于所述转台坐标系的平移量，
Figure BDA0003725536260000029
为所述第1片叶片坐标系相对于所述转台坐标系的主轴矢量，
Figure BDA00037255362600000210
为所述转台坐标系相对于所述第1片叶片坐标系的描述，从
Figure BDA00037255362600000211
中可以算出所述旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA00037255362600000212
进一步地，还包括：
根据所述旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA00037255362600000213
计算转台旋转θ角度后，整体叶盘θ度位置叶片坐标系{Ci}相对于旋转前整体叶盘0度位置叶片坐标系{C1}的等效旋转矩阵RK(θ)；
设旋转前整体叶盘0度位置叶片坐标系{C1}为整体叶盘的第1片叶片坐标系，旋转后整体叶盘θ度位置叶片坐标系{Ci}为整体叶盘的第i片叶片坐标系；
首先，定义两个新的坐标系{C1'}和{Ci'}，它们相互重合，且分别相对于第1片叶片坐标系{C1}与第i片叶片坐标系{Ci}具有相同的方向，原点P为旋转矢量起点
Figure BDA0003725536260000031
坐标系{C1'}相对于第1片叶片坐标系{C1}的描述是：
Figure BDA0003725536260000032
同样，第i片叶片坐标系{Ci}相对于坐标系{Ci'}的描述是：
Figure BDA0003725536260000033
坐标系{Ci'}绕坐标系{C1'}旋转，旋转轴又经过原点P，结合所述等效旋转矩阵RK(θ)求出坐标系{Ci'}相对于坐标系{C1'}的描述
Figure BDA0003725536260000034
则旋转后第i片叶片坐标系{Ci}相对于旋转前第1片叶片坐标系{C1}的描述
Figure BDA0003725536260000035
为：
Figure BDA0003725536260000036
最后根据上述变换方程式，求出旋转后第i片叶片坐标系{Ci}相对于旋转前第1片叶片坐标系{C1}的描述
Figure BDA0003725536260000037
进一步地，所述利用Z-Y-X欧拉角对所述等效旋转矩阵的描述，得到叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵，并求解出所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，还包括：
所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值包括X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α与三轴的平移量ΔX、ΔY和ΔZ；
根据矩阵
Figure BDA0003725536260000038
得到坐标系{Ci}相对于{C1}所做的旋转变换
Figure BDA0003725536260000039
以及平移变换
Figure BDA00037255362600000310
采用Z-Y-X的欧拉角来描述坐标系{C1}所做出的旋转，先将坐标系{C1}绕Z轴旋转α角，再绕Y轴旋转β角，最后绕X轴旋转γ角，在这种表示法中每次的旋转角度都是相对于上次的旋转，坐标系{Ci}相对于坐标系{C1}的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵
Figure BDA00037255362600000311
为：
Figure BDA00037255362600000312
式中，cα＝cosα，sα＝sinα，sβ＝sinβ，cβ＝cosβ，cγ＝cosγ，sγ＝sinγ；为求解所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵
Figure BDA0003725536260000041
中的补偿值，X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α与三轴的平移量ΔX、ΔY和ΔZ，可以转化对矩阵
Figure BDA0003725536260000042
求逆解，可以将矩阵
Figure BDA0003725536260000043
的旋转3×3矩阵视为：
Figure BDA0003725536260000044
结合上述两个公式，可求得X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α：
α＝atan2(r21,r11)
Figure BDA0003725536260000045
γ＝atan2(r32,r33)
式中，atan2(y,x)是Matlab的双参变量的反正切函数，欧拉角将在以下范围-π＜α＜π、-π/2＜β＜π/2、-π＜γ＜π。
进一步地，所述依据所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，实现所述三坐标六轴测量机对整体叶盘圆周叶片的精确测量，还包括：
获取整体叶盘的第1片叶片坐标系；
在所述第1片叶片坐标系下，使用所述三坐标六轴测量机对所述整体叶盘的第1片叶片进行测量；
所述三坐标六轴测量机在进行整体叶盘θ角度对应的第i片叶片测量时，i＝2,3,4...，第i片叶片的测量过程保持一致，转台只需回转一定θ角度值，将所述测量补偿值输入至所述三坐标六轴测量机中，所述三坐标六轴测量机的测头在原有朝向和原位置下进行整体叶盘的第i叶片测量，重复本步骤，完成整体叶盘圆周所有叶片的测量。
本发明提供的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法具有以下优点：结合四轴联动和五轴测座检测整体叶盘的优势，提高了坐标测量机对回转整体叶盘的测量效率，有效降低了测量机的检测量程，解决了转台引入误差问题，提升了测量精度。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的配置转台的轴线为第六轴的坐标测量机的误差检测示意图。
图2为本发明提供的三坐标六轴测量机的配置流程图。
图3A为本发明提供的二维空间误差模型图。
图3B为本发明提供的三维空间误差模型图。
图4为本发明提供的绕矢量轴旋转的叶片坐标系变换示意图。
图5为本发明提供的Z-Y-X欧拉角旋转描述示意图。
图6为本发明提供的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法的流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本实施例中提供了一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，如图6所示，整体叶盘六轴测量和误差补偿方法包括：
步骤S1：构建转台作为第六轴的三坐标六轴测量机；并对配置好的转台进行标定，建立转台坐标系，确定转台坐标系相对于机床坐标系的位置与姿态。
步骤S2：分析将转台作为坐标测量机第六轴，依据在测量整体叶盘时转台回转所引入的测量误差，建立二维、三维空间误差模型；以及提取转台坐标系和被测整体叶盘坐标系相对于机床坐标系的位置及各轴矢量。
步骤S3：依据所述空间误差模型，计算整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA0003725536260000051
步骤S4：依据所述整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA0003725536260000052
计算出叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵；
步骤S5：利用Z-Y-X欧拉角对所述等效旋转矩阵的描述，得到叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵，并求解出所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值；
步骤S6：依据所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，实现所述三坐标六轴测量机对整体叶盘圆周叶片的精确测量。
优选地，如图2所示，所述构建转台作为第六轴的三坐标六轴测量机，还包括：
验证转台作为第六轴的精度达标后，完成所述三坐标六轴测量机的配置，整个配置过程包括硬件连接、UCC软件配置和转台参数调节三个部分，采用放大器SPA3作为UCC控制器控制气浮转台运动的中转，硬件连接完成后，再对UCC软件系统进行匹配，并调节气浮转台的电流环、速度环以及位置环参数，若UCC控制器实现软硬件控制气浮转台成功回零，则所述三坐标六轴测量机配置完成。
具体地，如图1所示，首先采用ISO 10360-3和GB/T16857.3-2009标准对配置转台进行精度测试，精度达标后，对三坐标测量系统进行转台的配置与标定，构建六轴测量系统。然后，依据机器人学空间坐标系变换原理，建立坐标系之间空间模型，分析了回转一定角度值的转台坐标系与零件坐标系之间空间误差，并对配置第六轴转台引入误差进行精确补偿，实现整个系统对整体叶盘的检测。所述三坐标六轴测量机的配置过程如下：
步骤1：根据坐标测量机的验收检测文件，设计配置转台为第六轴的坐标测量机的误差检测方案，用于验证转台精度；
需要说明的是，根据坐标测量机《产品几何技术规范(GPS)坐标测量机的验收检测和复检检测第3部分：配置转台的轴线为第四轴的坐标测量机》验收检测文件，设计配置转台为第六轴的坐标测量机的误差检测方案，如图1所示，将两个标准球安装固定在气浮转台上，A球为高球，B球为底球，两球球度误差小于1μm,之间高度差为Δh。
步骤2：搭建测试平台，利用五轴坐标测量机采集不同转台角度标准球心在机床坐标系下的坐标；
需要说明的是，按照步骤1搭建测试平台，利用五轴坐标测量机采集不同转台角度标准球心在机床坐标系下的坐标，在不同角度下测量两个球的球心坐标，建立以两个球的球心坐标系，分别旋转不同的角度反复测量。转台角度为0°、75°、125°、385°、410°、510°、820°时采集A球心坐标，在转台角度为0°、60°、75°、125°、385°、410°、510°、820°、-75°、-125°、-175°、-385°、-410°、-510°、-820°时采集B球心坐标。对于每个球体的采点，设置合适逼近回退距离，让机器自动进行，避免手动采点过程中测量力不均匀导致数据的偏差，最后记录并输出点集坐标。
步骤3：利用步骤2中采集的点集坐标建立球心坐标系，对全部A与B坐标进行处理，并计算标准球径向误差FR、切向误差FT和轴向误差FA；
步骤4：根据转台精度等级评判标准，判定配置转台作为坐标测量机第六轴的精度等级；
需要说明的是，对转台精度等级进行评判，选择其检测精度最紧公差作为初始基准，选择评判因子，分别是一般要求1/10公差，严格要求1/15公差，超高要求1/20公差，当步骤3中测试各轴误差评价满足相应的最紧公差乘以评判因子，则表明该转台精度满足相应的精度要求。判定配置转台作为坐标测量机第六轴的精度等级。
步骤5：验证步骤4转台精度达标后，完成转台在五轴坐标测量机软件与硬件的配置，集成三坐标六轴测量系统，具体流程如图2所示。
步骤6：对配置好的转台需进行标定。其过程是以转台平面法相确定Z轴矢量及高度，以固定于转台上标准球随转台旋转一周后球心拟合圆确定X、Y轴原点，此时完成转台坐标系建立后，六轴检测系统则可以确定转台坐标系相对于机床坐标系的位置与姿态，并产生交互界面。
优选地，如图3A-3B所示，所述依据所述空间误差模型，计算在整体叶盘坐标系下旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA0003725536260000061
依据所述整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA0003725536260000062
计算出叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵，还包括：
对于旋转前后叶片坐标系补偿值的计算，实际是确定叶盘坐标系{C}旋转前后相对于机床坐标系{A}与转台坐标系{B}的位置与姿态变换关系。
在转台标定与精建坐标系后，可以得到{C}、{B}与{A}之间的精确相对位置。
用
Figure BDA0003725536260000063
和
Figure BDA0003725536260000064
表示第i片叶片坐标系{Ci}相对于机床坐标系{A}的主轴单位矢量。
用
Figure BDA0003725536260000071
和
Figure BDA0003725536260000072
表示转台坐标系{B}相对于机床坐标系{A}的主轴单位矢量。
所述整体叶盘坐标系{C}是绕转台坐标系{B}的中心轴线旋转，当选择转台坐标系{B}的X轴、Y轴以及Z轴中任意一个轴作为旋转轴时，则叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵RK(θ)为：
Figure BDA0003725536260000073
式中，cθ＝cosθ，sθ＝sinθ，vθ＝1-cosθ，且
Figure BDA0003725536260000074
为旋转轴单位矢量，θ为整体叶盘随转台相对于最初位置的旋转角度，其符号由右手定则确定，即大拇指指向旋转轴矢量方向；此时，旋转轴单位矢量
Figure BDA0003725536260000075
及起点P的描述是在第1片叶片坐标系下，在求解等效旋转矩阵RK(θ)之前，需要确定
Figure BDA0003725536260000076
及起点
Figure BDA0003725536260000077
而所述第1片叶片坐标系相对于转台坐标系的描述
Figure BDA0003725536260000078
可以用，主轴单位矢量在转台坐标系单位方向分量表示：
Figure BDA0003725536260000079
式中，ΔXBC1、ΔYBC1、ΔZBC1为所述第1片叶片坐标系{C1}相对于所述转台坐标系{B}的平移量，一般情况下转台水平放置在坐标机的平台上，标定后第1片叶片坐标系{C1}相对转台坐标系{B}主轴单位矢量
Figure BDA00037255362600000710
与{C1}相对于{A}主轴单位矢量是相同的，即
Figure BDA00037255362600000711
可以用
Figure BDA00037255362600000712
表示。
同时{B}相对于{C1}的描述
Figure BDA00037255362600000713
可由
Figure BDA00037255362600000714
的转置得到：
Figure BDA00037255362600000715
式中，
Figure BDA00037255362600000716
为所述第1片叶片坐标系相对于所述转台坐标系的主轴矢量，
Figure BDA00037255362600000717
为所述转台坐标系相对于所述第1片叶片坐标系的描述，从
Figure BDA00037255362600000718
中可以算出所述旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA00037255362600000719
结合
Figure BDA00037255362600000720
和
Figure BDA00037255362600000721
的数据可以精确得出矢量
Figure BDA00037255362600000722
及矩阵
Figure BDA00037255362600000723
的值可以视为坐标系{B}相对于{C1}的偏移量ΔXC1B、ΔYC1B和ΔZC1B。
需要说明的是，如图3A-3B所示，三坐标测量机配置了气浮转台后，整体叶盘圆周叶片测量可以通过气浮转台回转运动实现，即当测量完毕第i(i＝1,2,3...)个叶片后，要进行测量第i+1个叶片时，只需要进行转台回转一个角度值，实现在新的叶片上测量。但在实际的测量过程中，叶盘坐标系的回转轴与气浮转台的回转轴线不能保持完全一致，回转运动会引入叶片坐标系的位置误差。当转台坐标系X-Y平面与整体叶盘坐标系任意轴线构成平面近似平行时，整体叶盘坐标系旋转前后点位误差可以转化为在机床坐标系X-Y平面投影上的二维误差，如图3A所示，整体叶盘随转台逆时针旋转θ角度后，旋转前叶盘0度叶片坐标系与旋转后叶盘θ度叶片坐标系下点位存在误差，且随着旋转角度的增大而增大。推广到三维，同样当转台坐标系X-Y平面与整体叶盘坐标系任意轴线构成平面存在一定夹角时，如图3B所示，三维点位空间误差更显著。因此消除转台引入的测量误差是完成精确检测的关键，又由于叶片曲面不同点位的误差值各异，当没有通用的补偿方式时，会增大补偿工作量，降低测量效率，为此将点位的误差补偿转化为坐标系空间位置与姿态误差补偿。
应当理解的是，如图3A-3B所示，通过将转台回转一定角度值，整体叶盘上其他叶片依次回转到第一片叶片所在位置的叶片坐标系{C1}下进行测量，但在实际的测量过程中，由于误差，其他叶片并没有回转到第一片叶片所在位置的叶片坐标系{C1}，如果还在之前的第一片叶片坐标系{C1}下对其他叶片进行测量，就会存在误差，所以需要在三坐标六轴测量机中将第一片叶片坐标系{C1}加上补偿值，得到其他叶片实际回转位置的坐标系，然后再通过测头依次测量。
优选地，如图4所示，还包括：
根据所述旋转轴线的原点P与矢量
Figure BDA0003725536260000081
计算转台旋转θ角度后，整体叶盘θ度位置叶片坐标系{Ci}相对于旋转前整体叶盘0度位置叶片坐标系{C1}的等效旋转矩阵RK(θ)；
设旋转前整体叶盘0度位置叶片坐标系{C1}为整体叶盘的第1片叶片坐标系，旋转后整体叶盘θ度位置叶片坐标系{Ci}为整体叶盘的第i片叶片坐标系；
首先，定义两个新的坐标系{C1'}和{Ci'}，它们相互重合，且分别相对于第1片叶片坐标系{C1}与第i片叶片坐标系{Ci}具有相同的方向，原点P为旋转矢量起点
Figure BDA0003725536260000082
坐标系{C1'}相对于第1片叶片坐标系{C1}的描述是：
Figure BDA0003725536260000083
同样，第i片叶片坐标系{Ci}相对于坐标系{Ci'}的描述是：
Figure BDA0003725536260000084
坐标系{Ci'}绕坐标系{C1'}旋转，旋转轴又经过原点P，结合所述等效旋转矩阵RK(θ)求出坐标系{Ci'}相对于坐标系{C1'}的描述
Figure BDA0003725536260000085
则旋转后第i片叶片坐标系{Ci}相对于旋转前第1片叶片坐标系{C1}的描述
Figure BDA0003725536260000086
为：
Figure BDA0003725536260000087
最后根据上述变换方程式，求出旋转后第i片叶片坐标系{Ci}相对于旋转前第1片叶片坐标系{C1}的描述
Figure BDA0003725536260000088
优选地，如图5所示，表示每次进行欧拉角变换后坐标系{C1}的轴线变化，所述利用Z-Y-X欧拉角对所述等效旋转矩阵的描述，得到叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵，并求解出所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，还包括：
所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值包括X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α与三轴的平移量ΔX、ΔY和ΔZ；
根据矩阵
Figure BDA0003725536260000091
得到坐标系{Ci}相对于{C1}所做的旋转变换
Figure BDA0003725536260000092
以及平移变换
Figure BDA0003725536260000093
采用Z-Y-X的欧拉角来描述坐标系{C1}所做出的旋转，先将坐标系{C1}绕自身Z轴逆时针旋转α角，再绕自身Y轴逆时针旋转β角，最后绕自身X轴逆时针旋转γ角，在这种表示法中每次的旋转角度都是相对于上次的旋转，且所得到的轴被附加一个“撇号”，坐标系{Ci}相对于坐标系{C1}的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵
Figure BDA0003725536260000094
为：
Figure BDA0003725536260000095
式中，cα＝cosα，sα＝sinα，sβ＝sinβ，cβ＝cosβ，cγ＝cosγ，sγ＝sinγ；为求解所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵
Figure BDA00037255362600000910
中的补偿值，X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α与三轴的平移量ΔX、ΔY和ΔZ，可以转化对矩阵
Figure BDA0003725536260000096
求逆解，可以将矩阵
Figure BDA0003725536260000097
的旋转3×3矩阵视为：
Figure BDA0003725536260000098
结合上述两个公式，可求得X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α：
α＝atan2(r21,r11)
Figure BDA0003725536260000099
γ＝atan2(r32,r33)
式中，atan2(y,x)是Matlab的双参变量的反正切函数，欧拉角将在以下范围-π＜α＜π、-π/2＜β＜π/2、-π＜γ＜π。
需要说明的是，求出坐标系{C1}到{Ci}的旋转Z-Y-X欧拉角及偏移量后，将其(补偿值)输入测量机的控制程序中，即可完成整体叶盘坐标系随转台旋转产生的误差补偿。
优选地，所述依据所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，实现所述三坐标六轴测量机对整体叶盘圆周叶片的精确测量，还包括：
获取整体叶盘的第1片叶片坐标系；
在所述第1片叶片坐标系下，使用所述三坐标六轴测量机对所述整体叶盘的第1片叶片进行测量；
需要说明的是，编制整体叶盘测量程序，建立第1片叶片的粗基准坐标系，再以第1片叶片上测量多点使用迭代的方法建立零点的精基准坐标系，其中整体叶盘精坐标系的建立已在步骤S2中完成，测量机的叶片测量程序编制好后，可实现第1叶片的测量。
当第1片叶片测量完成后，所述三坐标六轴测量机在进行整体叶盘θ角度对应的第i片叶片测量时，i＝2,3,4...，第i片叶片的测量过程保持一致，转台只需回转一定θ角度值，将所述测量补偿值输入至所述三坐标六轴测量机内的控制程序，所述三坐标六轴测量机的测头在原有朝向和原位置下进行整体叶盘的第i叶片测量，重复本步骤，完成整体叶盘圆周所有叶片的测量。
应当理解的是，在转台旋转角度位零度时，提取转台坐标系和被测整体叶盘精建坐标系相对于机床坐标系的位置及各轴矢量数据。对于整体叶盘精建坐标系过程是以基准平面和基准孔特征，确定整体叶盘的回转轴线和X-Y平面，然后，在第1片叶片测量一点作为角相，约束坐标系姿态，完成零位粗坐标系的建立，再选取第1片叶片上多点，使用迭代的方法建立整体叶盘精坐标系，即得到第1片叶片坐标系{C1}。
本发明提供的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，实现了在五轴坐标测量机上配置转台，实现了整体叶盘圆周所有叶片的轮廓度、扭转角、最大厚度等关键参数的测量，提升了三坐标测量机对整体叶盘测量精度与效率，有效降低了测量机量程。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：构建转台作为第六轴的三坐标六轴测量机；
步骤S2：依据在测量整体叶盘时转台回转所引入的测量误差，建立空间误差模型；
步骤S3：依据所述空间误差模型，计算整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure FDA0003725536250000011
步骤S4：依据所述整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure FDA0003725536250000012
计算出叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵；
步骤S5：利用Z-Y-X欧拉角对所述等效旋转矩阵的描述，得到叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵，并求解出所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值；
步骤S6：依据所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，实现所述三坐标六轴测量机对整体叶盘圆周叶片的精确测量。
2.根据权利要求1所述的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，其特征在于，所述构建转台作为第六轴的三坐标六轴测量机，还包括：
验证转台作为第六轴的精度达标后，完成所述三坐标六轴测量机的配置，整个配置过程包括硬件连接、UCC软件配置和转台参数调节三个部分，采用放大器SPA3作为UCC控制器控制气浮转台运动的中转，硬件连接完成后，再对UCC软件系统进行匹配，并调节气浮转台的电流环、速度环以及位置环参数，若UCC控制器实现软硬件控制气浮转台成功回零，则所述三坐标六轴测量机配置完成。
3.根据权利要求1所述的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，其特征在于，所述依据所述空间误差模型，计算在整体叶盘坐标系下旋转轴线的原点P与矢量
Figure FDA0003725536250000013
依据所述整体叶盘坐标系的旋转轴线的原点P与矢量
Figure FDA0003725536250000014
计算出叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵，还包括：
所述整体叶盘坐标系是绕转台坐标系的中心轴线旋转，当选择转台坐标系的X轴、Y轴以及Z轴中任意一个轴作为旋转轴时，则叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的等效旋转矩阵RK(θ)为：
Figure FDA0003725536250000015
式中，cθ＝cosθ，sθ＝sinθ，vθ＝1-cosθ，且
Figure FDA0003725536250000016
为旋转轴单位矢量，θ为整体叶盘随转台相对于最初位置的旋转角度，其符号由右手定则确定，即大拇指指向旋转轴矢量方向；此时，旋转轴单位矢量
Figure FDA0003725536250000017
及起点P的描述是在第1片叶片坐标系下，在求解等效旋转矩阵RK(θ)之前，需要确定
Figure FDA0003725536250000018
及起点
Figure FDA0003725536250000019
而所述第1片叶片坐标系相对于转台坐标系的描述
Figure FDA00037255362500000110
可以用，主轴单位矢量在转台坐标系单位方向分量表示：
Figure FDA0003725536250000021
Figure FDA0003725536250000022
式中，ΔXBC1、ΔYBC1、ΔZBC1为所述第1片叶片坐标系相对于所述转台坐标系的平移量，
Figure FDA0003725536250000023
为所述第1片叶片坐标系相对于所述转台坐标系的主轴矢量，
Figure FDA0003725536250000024
为所述转台坐标系相对于所述第1片叶片坐标系的描述，从
Figure FDA0003725536250000025
中可以算出所述旋转轴线的原点P与矢量
Figure FDA0003725536250000026
4.根据权利要求3所述的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，其特征在于，还包括：
根据所述旋转轴线的原点P与矢量
Figure FDA0003725536250000027
计算转台旋转θ角度后，整体叶盘θ度位置叶片坐标系{Ci}相对于旋转前整体叶盘0度位置叶片坐标系{C1}的等效旋转矩阵RK(θ)；
设旋转前整体叶盘0度位置叶片坐标系{C1}为整体叶盘的第1片叶片坐标系，旋转后整体叶盘θ度位置叶片坐标系{Ci}为整体叶盘的第i片叶片坐标系；
首先，定义两个新的坐标系{C1'}和{Ci'}，它们相互重合，且分别相对于第1片叶片坐标系{C1}与第i片叶片坐标系{Ci}具有相同的方向，原点P为旋转矢量起点
Figure FDA0003725536250000028
坐标系{C1'}相对于第1片叶片坐标系{C1}的描述是：
Figure FDA0003725536250000029
同样，第i片叶片坐标系{Ci}相对于坐标系{Ci'}的描述是：
Figure FDA00037255362500000210
坐标系{Ci'}绕坐标系{C1'}旋转，旋转轴又经过原点P，结合所述等效旋转矩阵RK(θ)求出坐标系{Ci'}相对于坐标系{C1'}的描述
Figure FDA00037255362500000211
则旋转后第i片叶片坐标系{Ci}相对于旋转前第1片叶片坐标系{C1}的描述
Figure FDA00037255362500000212
为：
Figure FDA00037255362500000213
最后根据上述变换方程式，求出旋转后第i片叶片坐标系{Ci}相对于旋转前第1片叶片坐标系{C1}的描述
Figure FDA00037255362500000214
5.根据权利要求4所述的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，其特征在于，所述利用Z-Y-X欧拉角对所述等效旋转矩阵的描述，得到叶片坐标系旋转后相对于旋转前变化的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵，并求解出所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，还包括：
所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值包括X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α与三轴的平移量ΔX、ΔY和ΔZ；
根据矩阵
Figure FDA0003725536250000031
得到坐标系{Ci}相对于{C1}所做的旋转变换
Figure FDA0003725536250000032
以及平移变换
Figure FDA0003725536250000033
采用Z-Y-X的欧拉角来描述坐标系{C1}所做出的旋转，先将坐标系{C1}绕Z轴旋转α角，再绕Y轴旋转β角，最后绕X轴旋转γ角，在这种表示法中每次的旋转角度都是相对于上次的旋转，坐标系{Ci}相对于坐标系{C1}的Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵
Figure FDA0003725536250000034
为：
Figure FDA0003725536250000035
式中，cα＝cosα，sα＝sinα，sβ＝sinβ，cβ＝cosβ，cγ＝cosγ，sγ＝sinγ；为求解所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵
Figure FDA0003725536250000036
中的补偿值，X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α与三轴的平移量ΔX、ΔY和ΔZ，可以转化对矩阵
Figure FDA0003725536250000037
求逆解，可以将矩阵
Figure FDA0003725536250000038
的旋转3×3矩阵视为：
Figure FDA0003725536250000039
结合上述两个公式，可求得X轴旋转角γ、Y轴旋转角β、Z轴旋转角α：
α＝atan2(r21,r11)
Figure FDA00037255362500000310
γ＝atan2(r32,r33)
式中，atan2(y,x)是Matlab的双参变量的反正切函数，欧拉角将在以下范围-π＜α＜π、-π/2＜β＜π/2、-π＜γ＜π。
6.根据权利要求1所述的整体叶盘六轴测量和误差补偿方法，其特征在于，所述依据所述Z-Y-X欧拉角等效旋转矩阵中的测量补偿值，实现所述三坐标六轴测量机对整体叶盘圆周叶片的精确测量，还包括：
获取整体叶盘的第1片叶片坐标系；
在所述第1片叶片坐标系下，使用所述三坐标六轴测量机对所述整体叶盘的第1片叶片进行测量；
所述三坐标六轴测量机在进行整体叶盘θ角度对应的第i片叶片测量时，i＝2,3,4...，第i片叶片的测量过程保持一致，转台只需回转一定θ角度值，将所述测量补偿值输入至所述三坐标六轴测量机中，所述三坐标六轴测量机的测头在原有朝向和原位置下进行整体叶盘的第i叶片测量，重复本步骤，完成整体叶盘圆周所有叶片的测量。
CN202210765849.2A 2022-07-01 2022-07-01 一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法 Pending CN115164809A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210765849.2A CN115164809A (zh) 2022-07-01 2022-07-01 一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210765849.2A CN115164809A (zh) 2022-07-01 2022-07-01 一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115164809A true CN115164809A (zh) 2022-10-11

Family

ID=83489243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210765849.2A Pending CN115164809A (zh) 2022-07-01 2022-07-01 一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115164809A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116295212A (zh) * 2023-05-17 2023-06-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置和方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116295212A (zh) * 2023-05-17 2023-06-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置和方法
CN116295212B (zh) * 2023-05-17 2023-08-11 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种辅助在位集成加工的轮廓检测装置和方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109822574B (zh) 一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法
EP1549459B1 (en) System and process for measuring, compensating and testing numerically controlled machine tool heads and/or tables
JP5448634B2 (ja) 機械の誤差同定方法およびプログラム
CN110108207B (zh) 基于探针的旋转轴回转中心线几何误差标定方法
CN102001021B (zh) 五轴联动数控机床回转摆动轴几何误差参数值的测量方法
CN111487923B (zh) 一种ca双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法
US7245982B2 (en) System and process for measuring, compensating and testing numerically controlled machine tool heads and/or tables
CN110161965B (zh) 一种大型航天机匣斜孔的在机测量方法
CN105136031A (zh) 一种五轴联动机床旋转轴的几何误差连续测量方法
CN109238199B (zh) 一种机器人旋转轴运动学参数标定方法
Chang et al. Automatic inspection of turbine blades using a 3-axis CMM together with a 2-axis dividing head
JP2018142064A (ja) 工作機械の誤差同定方法
CN112325773B (zh) 一种激光位移传感器的光束方向矢量和原点位置标定方法
Huang et al. Identification of geometric errors of rotary axes on 5-axis machine tools by on-machine measurement
CN114012585B (zh) 一种双摆轴式五轴磁流变机床抛光点位置标定方法
CN112526926A (zh) 一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法
Xiao et al. A new fixed axis-invariant based calibration approach to improve absolute positioning accuracy of manipulators
Xie et al. Pose error estimation using a cylinder in scanner-based robotic belt grinding
CN112069612A (zh) 一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法
CN115164809A (zh) 一种整体叶盘六轴测量和误差补偿方法
Chen et al. Synchronous Measurement and Verification of Position-Independent Geometric Errors and Position-Dependent Geometric Errors of Rotary Axes on Five-Axis Machine Tools
CN113467371B (zh) 一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法
CN107421476A (zh) 一种空间孔位测量基准误差补偿方法
Yu et al. An approach for machining distortion measurements and evaluation of thin-walled blades with small datum
CN114905332B (zh) 基于单轴运动的机床旋转轴位置相关几何误差辨识方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination