CN218723885U - 叶片四坐标测量平台 - Google Patents

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张蕾
张海亮
于思淼
杨福来
代安裕
米艳强
李飞
周洪燕
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Abstract

叶片四坐标测量平台。传感器的安装过程中，不可避免的将引入安装误差，导致传感器的实际出光方向与四坐标测量平台的X坐标轴不平行，在传感器使用过程中存在线性误差。本实用新型组成包括：底座、立轴运动结构、X轴运动结构、Y轴运动结构、Z轴运动结构和C轴运动结构；立轴运动结构上固定有顶尖支臂（5）；Z轴运动结构固定在Y轴运动结构上，带动Z轴运动结构沿Y轴运动；X轴运动结构固定在Z轴运动结构上，带动X轴运动结构沿Z轴运动；X轴运动结构上固定有传感器，带动传感器沿X轴运动；底座上固定有C轴运动结构。本实用新型用于光谱共焦位移传感器空间校准。

Description

叶片四坐标测量平台
技术领域：
本实用新型涉及精密测量技术领域，具体涉及一种叶片四坐标测量平台。
背景技术：
叶片作为航空发动机的心脏构件，数量庞大、型面复杂、尺寸跨度大，其几何形状和尺寸决定着叶片的工作性能，型面质量的微小变化对发动机的效率影响很大，随着航空发动机性能的不断提升，如何高效制造出合格的叶片是目前的研究热点，而检测是保证制造精度的重要手段，因此对于航空发动机叶片型面的检测精度和检测效率的要求越来越高，叶片型面的高精高效检测具有十分重要的意义。
光谱共焦位移传感器是由光源射出一束宽光谱的复合光，通过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的单色光，每一个波长焦点都对应一个被测物体的位置，测量光射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单色光，可以通过小孔被光谱仪感测到没通过计算被感测的波长，换算获得距离值。光谱共焦位移传感器作为典型的光学非接触测量手段，传感器与被测工件不发生接触，具有量程大、响应灵敏、无测量力等优势，同时又可以避免量具与被测工件摩擦而发生磨损的情况出现，在自由的非均匀复杂曲面的测量中，光谱共焦位移传感器不用补偿测头半径，也无需接触被测工件即可完成复杂曲面的测量，因此极大地提高了测量效率，非常适用于航空发动机叶片复杂型面的高效检测。但在传感器的安装过程中，不可避免的将引入安装误差，导致传感器的实际出光方向与四坐标测量平台的X坐标轴不平行，在传感器使用过程中存在线性误差，为了保证仪器的高测量精度与长期精度的稳定性，必须对传感器的姿态进行空间校准。对于光谱共焦位移传感器的空间校准本质上是通过建立以平面约束为目标函数的优化问题，得到适合优化的平面约束函数，考虑算法的效率、稳定性以及计算精度选择合适的方法进行超定方程组求解，最终采用高斯-牛顿法求解方程组最优解，满足工程领域的要求，大大提高了整体的校准精度和效率。
实用新型内容：
本实用新型的目的是为了保证光谱共焦位移传感器引起的安装误差处于最优状态，从而保证叶片四坐标测量平台的高测量精度与长期精度的稳定性，本实用新型提出了一种叶片四坐标测量平台，提高了整体测量系统的精度。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种叶片四坐标测量平台，其组成包括底座、立轴运动结构、X轴运动结构、Y轴运动结构、Z轴运动结构和C轴运动结构；
所述的立轴运动结构上固定有顶尖支臂；
所述的Z轴运动结构固定在所述的Y轴运动结构上，带动所述的Z轴运动结构沿Y轴运动；
所述的X轴运动结构固定在所述的Z轴运动结构上，带动所述的X轴运动结构沿Z轴运动；
所述的X轴运动结构上固定有传感器，带动所述的传感器沿X轴运动；
所述的底座上固定有所述的C轴运动结构。
所述的叶片四坐标测量平台，所述的立轴运动结构包括顶尖立柱和立柱电机，所述的顶尖立柱上固定有立柱导轨，所述的立柱电机的输出端固定有驱动丝杠，所述的驱动丝杠与所述的顶尖支臂螺纹连接。
所述的叶片四坐标测量平台，所述的Y轴运动结构包括固定在底座上的Y轴驱动直线电机和Y轴导轨，所述的Y轴导轨与Y轴滑板滑动配合。
所述的叶片四坐标测量平台，所述的Z轴运动结构包括固定在Y轴滑板上的Z轴立柱、Z轴驱动直线电机、Z轴导轨和Z轴滑板，所述的Z轴导轨和所述的Z轴驱动直线电机固定在所述的Z轴立柱上，所述的Z轴滑板与所述的Z轴导轨滑动配合。
所述的叶片四坐标测量平台，所述的X轴运动结构包括固定在Z轴滑板上的X轴驱动电机和X轴导轨，所述的X轴导轨与X轴滑板滑动配合，所述的X轴滑板上固定有所述的传感器。
有益效果：
1.本实用新型在叶片四坐标测量平台上安装光谱共焦位移传感器实现对航空发动机叶片复杂型面的高精高效检测，通过传感器扫描作为标定参考物的基准平面，合理规划扫描轨迹，并同步获得采样数据，建立以平面约束为目标函数的优化问题，得到适合优化的平面约束函数，充分考虑了算法的计算效率、稳定性以及计算的精度，采用高斯-牛顿法求解方程组最优解，满足工程领域的要求，大大提高了整体的校准精度和效率。
附图说明：
附图1是本实用新型的结构示意图；
图中：1、立柱电机；2、驱动丝杠；3、立柱导轨；4、顶尖立柱；5、顶尖支臂；6、Z轴立柱；7、Z轴驱动直线电机；8、Z轴导轨；9、Z轴滑板；10、X轴导轨；11、X轴驱动直线电机；12、X轴滑板；13、Y轴滑板；14、底座；15、Y轴导轨；16、Y轴驱动直线电机；
附图2是本实用新型C轴运动结构的结构示意图；
图中：17、C轴工作台；18、C轴轴系；19、C轴驱动力矩电机；
附图3是本实用新型的结构简图；
附图4是基准平面初始安装位置示意图；
附图5是光谱共焦位移传感器空间校准前基准平面位置示意图；
附图6是光谱共焦位移传感器对基准平面空间校准的扫描路径示意图。
具体实施方式：
参照图1-图2，一种叶片四坐标测量平台，其组成包括底座、立轴运动结构、X轴运动结构、Y轴运动结构、Z轴运动结构和C轴运动结构；
所述的立轴运动结构上固定有顶尖支臂5；
所述的立轴运动结构包括顶尖立柱4和立柱电机1，所述的顶尖立柱上固定有立柱导轨3，所述的立柱电机的输出端固定有驱动丝杠2，所述的驱动丝杠与所述的顶尖支臂螺纹连接；
所述的Z轴运动结构固定在所述的Y轴运动结构上，带动所述的Z轴运动结构沿Y轴运动；
所述的Y轴运动结构包括固定在底座上的Y轴驱动直线电机16和Y轴导轨15，所述的Y轴导轨与Y轴滑板13滑动配合。
所述的X轴运动结构固定在所述的Z轴运动结构上，带动所述的X轴运动结构沿Z轴运动；
所述的Z轴运动结构包括固定在Y轴滑板上的Z轴立柱6、Z轴驱动直线电机7、Z轴导轨8和Z轴滑板9，所述的Z轴导轨和所述的Z轴驱动直线电机固定在所述的Z轴立柱上，所述的Z轴滑板与所述的Z轴导轨滑动配合。
所述的X轴运动结构上固定有传感器，带动所述的传感器沿X轴运动；
所述的X轴运动结构包括固定在Z轴滑板上的X轴驱动电机11和X轴导轨10，所述的X轴导轨与X轴滑板12滑动配合，所述的X轴滑板上固定有所述的传感器。
所述的底座上固定有所述的C轴运动结构。
所述的C轴运动结构包括C轴驱动力矩电机19和C轴工作台17，所述的C轴驱动力矩电机的输出端与C轴轴系18固定，所述的C轴轴系与所述的C轴工作台固定。
所述的叶片四坐标测量平台的光谱共焦位移传感器空间校准方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，如图3所示为搭载光谱共焦位移传感器的叶片四坐标测量平台示意图，叶片四坐标测量平台是一个包含三个直线轴和一个回转轴的用于测量航空发动机叶片的四坐标测量机，为光谱共焦位移传感器的量程距离；
计算机控制叶片四坐标测量平台的各轴电机，实现各坐标轴按照预定的路径运动，使光谱共焦位移传感器相对叶片的运动轨迹为齿面测量曲线，传感器在相对运动的同时，计算机同步采集各光栅轴的实际位置和传感器示值，并将采集到的数据与叶片的理论型面的位置进行比较，从而完成对航空发动机叶片的型面检测；
建立传感器坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、光栅坐标系/>
Figure 752789DEST_PATH_IMAGE002
、仪器坐标系/>
Figure DEST_PATH_IMAGE003
以及工件坐标系/>
Figure 399757DEST_PATH_IMAGE004
；传感器坐标系/>
Figure 179494DEST_PATH_IMAGE001
为原点在传感器的量程起点处；光栅坐标系/>
Figure 43545DEST_PATH_IMAGE002
为光栅零位处原点；仪器坐标系/>
Figure 857917DEST_PATH_IMAGE003
由光栅坐标系/>
Figure 149221DEST_PATH_IMAGE002
和传感器坐标系/>
Figure 416255DEST_PATH_IMAGE001
合成：/>
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；工件坐标系/>
Figure 83996DEST_PATH_IMAGE004
为由叶片工件给出的坐标系原点；
变换坐标系，由光谱共焦位移传感器扫描叶片型面得到的测量数据经过坐标系变换，换算到工件坐标系，再通过和叶片理论型面比较计算出误差；
步骤二，安装基准平面于叶片四坐标测量平台的转台上，该基准平面为与仪器Y轴平行，并与Z轴成角的平面，基准平面初始安装位置如图4所示；
步骤三，计算机控制叶片四坐标测量平台的主轴带动基准平面顺时针旋转，旋转后的基准平面位置如图5所示；然后手动调整传感器的位置，使其确保射出的光照射到基准平面上，从而测定出基准平面的初始位置；
步骤四，根据基准平面位置规划出位移传感器空间校准的两条扫描路径，扫描起点与终点为传感器的线性量程的起点和终点，在基准平面上规划出十字形扫描路径，如图6所示，路径1为在基准平面上由传感器的量程起点扫描至量程终点，再由量程终点扫描至量程起点的平行于X轴的直线，路径2为在基准平面上由传感器的量程起点扫描至量程终点，再由量程终点扫描至量程起点的与Z轴成角的直线；
步骤五，进行规划路径扫描之前，实时采集当前传感器的坐标值；控制叶片四坐标测量平台的运动轴在基准平面上动态实时扫描步骤四中的十字形测量轨迹，并实时采集每个扫描位置的坐标值；
步骤六，传感器安装于叶片四坐标测量平台后，由于安装误差等因素不可避免的将导致其出光方向与平台的X轴不平行，在作为位移传感器使用进行叶片型面测量时，存在线性误差，其出光方向与仪器的X轴、Y轴、Z轴的夹角分别为α、β和γ；
由此构建光谱共焦位移传感器的误差校准模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure DEST_PATH_IMAGE011
写成矩阵形式为：
Figure 470984DEST_PATH_IMAGE012
式中，l为传感器的测量距离，矩阵A为标定矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
数据点可以变换到仪器坐标系
Figure 933190DEST_PATH_IMAGE003
Figure DEST_PATH_IMAGE015
步骤七，通过扫描基准平面可以获得一系列数据点，这些数据点理论上均分布在基准平面上，从而建立平面约束方程：
Figure 156360DEST_PATH_IMAGE016
，a,b,c为平面方程系数,构建以测量平面约束为目标函数的最优化问题；
步骤八，将变换到仪器坐标系
Figure 893372DEST_PATH_IMAGE003
的测量数据点带入到建立的平面约束方程中，传感器的空间校准实质上就是计算矩阵A的值，用高斯-牛顿法求解超定方程组从而得到它的最优解。/>

Claims (5)

1.一种叶片四坐标测量平台，其特征是：其组成包括底座、立轴运动结构、X轴运动结构、Y轴运动结构、Z轴运动结构和C轴运动结构；
所述的立轴运动结构上固定有顶尖支臂；
所述的Z轴运动结构固定在所述的Y轴运动结构上，带动所述的Z轴运动结构沿Y轴运动；
所述的X轴运动结构固定在所述的Z轴运动结构上，带动所述的X轴运动结构沿Z轴运动；
所述的X轴运动结构上固定有传感器，带动所述的传感器沿X轴运动；
所述的底座上固定有所述的C轴运动结构。
2.根据权利要求1所述的叶片四坐标测量平台，其特征是：所述的立轴运动结构包括顶尖立柱和立柱电机，所述的顶尖立柱上固定有立柱导轨，所述的立柱电机的输出端固定有驱动丝杠，所述的驱动丝杠与所述的顶尖支臂螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的叶片四坐标测量平台，其特征是：所述的Y轴运动结构包括固定在底座上的Y轴驱动直线电机和Y轴导轨，所述的Y轴导轨与Y轴滑板滑动配合。
4.根据权利要求1所述的叶片四坐标测量平台，其特征是：所述的Z轴运动结构包括固定在Y轴滑板上的Z轴立柱、Z轴驱动直线电机、Z轴导轨和Z轴滑板，所述的Z轴导轨和所述的Z轴驱动直线电机固定在所述的Z轴立柱上，所述的Z轴滑板与所述的Z轴导轨滑动配合。
5.根据权利要求1所述的叶片四坐标测量平台，其特征是：所述的X轴运动结构包括固定在Z轴滑板上的X轴驱动电机和X轴导轨，所述的X轴导轨与X轴滑板滑动配合，所述的X轴滑板上固定有所述的传感器。
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