CN115752294A - 一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法属于精密测量与仪器技术领域；该方法控制传感器(10)沿Z轴向上移动至测量高度处，获取测量截面的平均半径值r₂，利用标准球(3)的半径R计算Z轴与回转台轴线的夹角β，使被测轴类部件(15)随回转台(1)旋转一周；控制回转台(1)以等角度Δθ旋转，在Z轴高度z₁下进行N次测量，获取测量截面在角度θ_i下的一维测量数据；控制传感器(10)沿Z轴方向以固定步长Δh行进，在对应高度下依次获取测量截面的二维测量数据点集，将数据点集进行坐标整合及处理，实现航空发动机大型复杂轴类表面轮廓的高精度测量。

Description

一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法

技术领域

本发明属于精密测量与仪器技术领域，涉及一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法。

背景技术

轴类零件是航空发动机中的关键部件，随着航空发动机技术的不断发展，对轴类零部件加工工艺和使用条件日出了越来越高的要求，它的可靠性直接影响航空发动机的性能表现。目前常用的大型复杂轴类轮廓测量仍旧停留在二维空间下的单截面测量，针对大型复杂轴类的三维表面轮廓测量未得到重视，极大地制约了关键参数评定地精度。

专利CN112629456A“涡轴发动机零部件复杂曲面自动测量系统及测量方法”提出了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，利用对应回转台角度与样条曲线原理，将实际采样数据点与三维设计模型中理论采样点位的差异进行迭代，满足设定迭代误差后进行三维坐标系的建立，完成所有被测点的坐标信息获取。该方法基于三坐标测量机的高精度及关键测量步骤的设计，实现了高精度三维轮廓测量，但有限的测量数据点及繁琐地操作步骤制约了该方法的应用场景。

专利CN114485474A“一种三轴超精密轮廓检测装置”设计了一种三轴超精密轮廓检测装置。基于柱坐标测量原理及光谱共焦位移传感技术，实现非接触式表面轮廓信息测量，再结合直线运动平台及精密回转台完成被测零件整周三维表面轮廓信息提取。该方法实现了精密零件表面轮廓的快速检测，有效地提高了测量效率与精度，但对基准面加工精度要求过高，且测量系统整体设计中包含的传感器数量众多，导致测量系统的精度过度依赖机械结构设计与安装精度，未能修正众多变量带来的误差，限制了该方法的应用场景。

综上所述，现有的航空发动机大型复杂轴类测量方法难以实现高精度、高效率的三维表面轮廓测量，原理设计缺陷、误差修正确实以及应用场景受限等极大地制约了航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法的效率和精度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法。该方法使用的测量系统依据回转扫描及远心背光成像原理，一次测量完成两个角度位置下的轮廓信息获取，有效地提高了原始轮廓信息获取效率。使用标准球进行先期标定，计算竖直导向导轨运动方向与回转台轴线的相对位姿关系，将被测轴类部件在不同测量截面下的原始数据整合至同一坐标系下，实现高效率和高精度地航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量的目标。

本发明的技术方案是：

一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，该方法包括以下步骤：

1)将标准球放置在回转台上，使标准球随回转台旋转一周时均在传感器的测量量程内，保持传感器与回转台的相对姿态不变；控制回转台以等角度Δθ旋转，在Z轴高度为h₁下进行N次测量，获取测量截面在不同角度θ_i下的一维测量数据y_i，i∈1～2·N，计算高度h₁下所有测量截面的平均半径值r₁；

2)控制传感器沿Z轴向上移动至高度h₂处，重复步骤1)，获取高度h₂下所有测量截面的平均半径值r₂，结合标准球的半径R计算Z轴与回转台轴线的夹角β；

3)将被测轴类部件放置在回转台上，使被测轴类部件随回转台旋转一周时均在传感器的测量量程内，保持传感器与回转台的相对姿态不变；控制回转台以等角度Δθ旋转，在Z轴高度z₁下进行N次测量，获取高度z₁下测量截面在角度θ_i下的一维测量数据y_i,i∈1～2·N；

4)计算第j次测量下被测轴类部件测量截面中心的位置O_j，j∈1～N，确定高度z₁下回转台轴线与测量截面的交点Q，并计算测量截面数据至点Q的距离d_i，建立二维极坐标系下的数据点集ρ(d_i,θ_i)，i∈1～2·N；

5)控制传感器沿Z轴方向以固定步长Δh行进，在对应高度z₂,z₃,...,z_k,...,z_M下，重复步骤3)～步骤4)，依次获取所有测量截面的二维测量数据点集{ρ^k|ρ^k(d_i ^k,θ_i ^k),i∈1～2·N,k∈1～M}，共有2·N·M个数据点；

6)将不同测量截面下的数据点集{ρ^k|ρ^k(d_i ^k,θ_i ^k)}整合至以点Q为原点的右手极坐标系下，即ρ(r,α,z)＝ρ(r_i ^k,α_i ^k,z_i ^k),i∈1～2·N,k∈1～M，再转化至X-Y-Z坐标系下获得三维点云数据{W|W(x_i ^k,y_i ^k,z_i ^k),i∈1～2·N,k∈1～M}，完成航空发动机大型复杂轴类表面轮廓测量。

所述步骤1)中测量次数N的计算方法为：

所述步骤1)仅在0～π范围下进行测量，单次测量完成θ与θ+π两个角度位置下的轮廓信息获取，其中θ∈[0,π]。

所述步骤1)中平均半径值r₁的计算方法为：

所述步骤2)中Z轴方向为竖直导向导轨的运动方向，向上为正方向。

所述步骤2)中结合标准球的半径R计算Z轴与回转台轴线的夹角β的计算方法为：

所述步骤4)中第j次测量下被测轴类部件测量截面中心O_j的计算方法为：

回转台轴线与测量截面的交点Q的计算方法为：

所述步骤4)中被测轴类部件测量截面中心O_j在测量过程中绕点Q做圆周运动。

所述步骤4)中d_i的计算方法为：

所述步骤4)中数据点集ρ(d_i,θ_i)是以点Q为原点的极坐标系下的数据，ρ(d_i,θ_i)的几何特征是垂直于回转台轴线的平面圆。

所述步骤5)中两个相邻测量截面高度的关系为z_k-z_k-1＝Δh，Δh为常量。

所述步骤6)中ρ(r,α,z)的三个维度坐标为：

X-Y-Z坐标系下{W|W(x_i,y_i,z_i)}的坐标为：

所述步骤6)中整合得到的数据集合{W|W(x_i ^k,y_i ^k,z_i ^k)}是以Q为原点，回转台轴线为Z轴的坐标系下的数据点。

本发明方法的有益效果在于：

1.本发明方法基于回转扫描及远心背光成像原理测量获取被测对象在不同测量截面下的原始轮廓信息，单次测量完成两个角度位置下的轮廓信息获取，无需考虑回转台中心与被测对象中心的相对位姿关系，解决了航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量效率低的问题。

2.本发明方法使用先期快速标定结果整合原始轮廓信息，计算竖直导向导轨运动方向与回转台轴线的相对位姿关系，将航空发动机大型复杂轴类不同测量截面下的原始数据整合至同一坐标系下，解决了航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量精度低的问题。

本发明方法可以解决高效率和高精度下的航空发动机大型复杂轴类表面轮廓测量问题，通过高效率的原始数据采集和先期快速标定及高精度的数据拼接算法，解决了航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量效率低与精度低的问题。

附图说明

图1为一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法的竖直导向导轨运动方向与回转台轴线夹角测量示意图；

图2为一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法的轴类零件测量示意图；

图3为一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法测量数据示意图。

图中：1、回转台；2、标准球底座；3、标准球；4、传感器信号接收端；5、柔性驱动体；6、滑轮支架；7、滑轮；8、底座；9、转接板；10、传感器；11、竖直导向导轨；12、驱动电机；13、支承架；14、卡盘；15、被测轴类部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法包括以下步骤：

1)将标准球3放置在回转台1上，使标准球3随回转台1旋转一周时均在传感器10的测量量程内，保持传感器10与回转台1的相对姿态不变，使用的测量方法单次测量完成两个角度位置下的轮廓信息获取，而无需考虑回转台1中心与标准球3中心的位姿关系。控制回转台1以等角度Δθ旋转，在Z轴高度h₁下进行N次测量，测量次数N的计算方法为：

获取测量截面在不同角度θ_i下的一维测量数据y_i,i∈1～2·N，计算高度h₁下所有测量截面的平均半径值r₁，

2)控制传感器10沿Z轴移动至高度h₂处，重复步骤1)，获取高度h₂下所有测量截面的平均半径值r₂，结合标准球3半径R计算Z轴与回转台轴线夹角β，

3)将被测轴类部件15放置在回转台上，使被测轴类部件15随回转台1旋转一周时均在传感器10测量量程内，保持传感器10与回转台1的相对姿态不变；控制回转台1以等角度Δθ旋转，在Z轴高度z₁下进行N次测量，获取高度z₁下测量截面在角度θ_i下的一维测量数据y_i,i∈1～2·N；

4)计算第j次测量下被测轴类部件15测量截面中心的位置O_j，

确定回转台轴线与测量截面的交点Q，

计算测量截面数据至点Q的距离d_i，

d_i＝|y_i-y^Q|,i∈1～2·N

建立二维极坐标系下的数据点集ρ(d_i,θ_i)，i∈1～2·N。数据点集ρ(d_i,θ_i)是以点Q为原点的极坐标系下的数据点，ρ(d_i,θ_i)的几何特征是垂直于回转台轴线的平面圆，标准球测量截面中心C在测量过程中绕Q做圆周运动；

5)控制传感器10沿Z轴方向以固定步长Δh行进，在对应高度z₂,z₃,...,z_k,...,z_M下，重复步骤3)～步骤4)，则两个相邻测量截面的高度的关系为，

z_k-z_k-1＝Δh

依次获取所有测量截面的二维测量数据点集{ρ^k|ρ^k(d_i ^k,θ_i ^k),i∈1～2·N,k∈1～M}，共有2·N·M个数据点；

6)将不同测量截面下的数据点集{ρ^k|ρ^k(d_i ^k,θ_i ^k)}整合至以点Q为原点的右手极坐标系下，即ρ(r,α,z)＝ρ(r_i ^k,α_i ^k,z_i ^k),i∈1～2·N,j∈1～M，对应三个维度的坐标为，

再转化至X-Y-Z坐标系下获得三维点云数据{W|W(x_i ^k,y_i ^k,z_i ^k)}，对应三个维度的坐标为，

整合得到的数据集{W|W(x_i ^k,y_i ^k,z_i ^k),i∈1～2·N,k∈1～M}是以Q为原点，回转台轴线为Z轴的坐标系下的数据点，完成航空发动机大型复杂轴类表面轮廓测量。

Claims (10)

1.一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将标准球(3)放置在回转台(1)上，使标准球(3)随回转台(1)旋转一周时均在传感器(10)的测量量程内，保持传感器(10)与回转台(1)的相对姿态不变；控制回转台(1)以等角度Δθ旋转，在Z轴高度为h₁下进行N次测量，获取测量截面在不同角度θ_i下的一维测量数据y_i，i∈1～2·N，计算高度h₁下所有测量截面的平均半径值r₁；

2)控制传感器(10)沿Z轴向上移动至高度h₂处，重复步骤1)，获取高度h₂下所有测量截面的平均半径值r₂，结合标准球(3)的半径R计算Z轴与回转台轴线的夹角β；

3)将被测轴类部件(15)放置在回转台上，使被测轴类部件(15)随回转台(1)旋转一周时均在传感器(10)的测量量程内，保持传感器(10)与回转台(1)的相对姿态不变；控制回转台以等角度Δθ旋转，在Z轴高度z₁下进行N次测量，获取高度z₁下测量截面在角度θ_i下的一维测量数据y_i,i∈1～2·N；

4)计算第j次测量下被测轴类部件(15)测量截面中心的位置O_j，j∈1～N，确定高度z₁下回转台轴线与测量截面的交点Q，并计算测量截面数据至点Q的距离d_i，建立二维极坐标系下的数据点集ρ(d_i,θ_i)，i∈1～2·N；

5)控制传感器(10)沿Z轴方向以固定步长Δh行进，在对应高度z₂,z₃,...,z_k,...,z_M下，重复步骤3)～步骤4)，依次获取所有测量截面的二维测量数据点集{ρ^k|ρ^k(d_i ^k,θ_i ^k),i∈1～2·N,k∈1～M}，共有2·N·M个数据点；

6)将不同测量截面下的数据点集{ρ^k|ρ^k(d_i ^k,θ_i ^k)}整合至以点Q为原点的右手极坐标系下，即ρ(r,α,z)＝ρ(r_i ^k,α_i ^k,z_i ^k),i∈1～2·N,k∈1～M，再转化至X-Y-Z坐标系下获得三维点云数据{W|W(x_i ^k,y_i ^k,z_i ^k),i∈1～2·N,k∈1～M}，完成航空发动机大型复杂轴类表面轮廓测量。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤1)中测量次数N的计算方法为：

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤1)仅在0～π范围下进行测量，单次测量完成θ与θ+π两个角度位置下的轮廓信息获取，其中θ∈[0,π]。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤1)中平均半径值r₁的计算方法为：

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤2)中Z轴方向为竖直导向导轨(11)的运动方向，向上为正方向。

6.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤2)中结合标准球(3)的半径R计算Z轴与回转台轴线的夹角β的计算方法为：

7.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤4)中第j次测量下被测轴类部件(15)测量截面中心O_j的计算方法为：

回转台轴线与测量截面的交点Q的计算方法为：

8.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤4)中被测轴类部件(15)测量截面中心O_j在测量过程中绕点Q做圆周运动。

9.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤4)中d_i的计算方法为：

10.根据权利要求1所述的一种航空发动机大型复杂轴类三维表面轮廓测量方法，其特征在于：所述的步骤4)中数据点集ρ(d_i,θ_i)是以点Q为原点的极坐标系下的数据，ρ(d_i,θ_i)的几何特征是垂直于回转台(1)轴线的平面圆。

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