一种叶片原位接触式三维测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于叶片测量技术领域，并公开了一种叶片原位接触式三维测量装置和方法。该测量装置包括工作台面、X向运动平台、Y向运动平台、测量机构和旋转平台。其中，X向运动平台设置在Y向运动平台上，Y向运动平台设置在工作台面上，构成二维运动平台；测量机构设置在X向运动平台上，跟随二维运动平台在X、Y方向运动；叶片安装在旋转平台上，旋转平台提供叶片回转运动。该方法通过始终保持测量机构与叶片恒力接触，通过光栅尺和旋转编码器读取测量机构X、Y方向的线性位移以及叶片的旋转角度θ，经过坐标变换和球头半径补偿，就能得到叶片的表面轮廓坐标。本发明专利技术具有移动便捷，测量过程简单，成本低的特点，能实现叶片原位精确测量。

An in situ contact three-dimensional measuring device and method for blades

The invention belongs to the field of blade measuring technology, and discloses a leaf in situ contact three-dimensional measuring device and method. The measuring device includes a working table, a X moving platform, a Y moving platform, a measuring mechanism and a rotating platform. Among them, X is set on the motion platform on the platform of Y to motion platform, and the Y is set on the working platform to form a two-dimensional motion platform, and the measuring mechanism is set on the platform of X to motion platform in the direction of X and Y, and the blade is mounted on the rotating platform, and the rotating platform provides the rotary motion of the blade. By keeping the contact between the measuring mechanism and the blade constant, the linear displacement of the X and Y direction of the measuring mechanism and the rotating angle theta of the blade are read through the grating ruler and the rotary encoder. The surface contour coordinates of the blade can be obtained through the coordinate transformation and the compensation of the radius of the ball head. The invention has the advantages of convenient movement, simple measuring process and low cost, and can realize accurate in-situ measurement of blades.

【技术实现步骤摘要】
一种叶片原位接触式三维测量装置和方法
本专利技术属于叶片测量
，更具体地，涉及一种叶片原位接触式三维测量装置和方法。
技术介绍
叶片是航空发动机、燃气轮机和汽轮机的重要组成零件，其表面加工精度不仅影响机器的使用性能，还决定着零件的使用寿命。叶片加工过程中，单纯依靠理论的加工余量控制切削深度，叶片表面的加工质量没法得到保证，为了得到叶片毛坯件真实的加工余量，需要先得到叶片毛坯件的轮廓模型。叶片零件为自由曲面类零件，无法通过常规量具检测叶片的尺寸数据，叶片的测量是当前加工中的一个难点。目前常用的方法是采用接触式或非接触式三坐标测量装置检测叶片的轮廓点位置，通过数据处理和三维重构生成叶片的三维模型。然后对比叶片的实际轮廓与理想轮廓之间的误差，计算真实的加工余量。由于接触式测量方法相对于非接触式测量方法的精度更高，针对表面精度要求较高的叶片零件，采用接触式测量效果较佳。常规的三坐标测量仪测量精度较高，能满足精度要求，但是设备移动性差，受粉尘影响较大，不能设置在生产线中，无法及时对生产线上的叶片零件进行原位测量，另外三坐标测量仪需要提前对测针轨迹进行编程规划，针对不同型号的叶片零件分别编程则耗时耗力，工作效率低。因此，需要设计一种叶片原位接触式三维测量装置，解决叶片加工过程中的原位测量问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种叶片原位接触式三维测量装置和方法，在保证测量精度的前提下，实现叶片加工后的原位测量。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种叶片原位接触式三维测量装置，包括工作台面、XY二维水平运动平台、测量机构、旋转平台、控制器和标定杆，其特征在于，所述XY二维水平运动平台包括X向运动平台和Y向运动平台，所述Y向运动平台安装在所述工作台面上并且其可沿Y轴移动，所述X向运动平台设置在Y向运动平台的滑块上并且其可沿X轴移动，所述X轴、Y轴与竖直方向的Z轴共同构成工作坐标系；所述测量机构包括第一支架和测针，所述第一支架设置在所述X向运动平台的滑块上，所述测针设置在所述第一支架上，以用于与所述叶片接触来测量叶片的轮廓；所述旋转平台通过第二支架安装在所述工作台面上，以用于安装待测试的叶片，并且该旋转平台的旋转中心线与X轴平行；所述控制器通过所述X向运动平台和Y向运动平台可分别获得测量机构的位移x和位移为y，并且通过所述旋转平台可获得叶片的旋转角度为θ；所述测量机构上设置有力传感器，以用于获取测量机构与叶片的接触力，所述力传感器把该接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触，测量结果由X向运动平台的位移量x、Y向运动平台的位移量y和旋转平台的旋转角度θ表示，再以(x,y,θ)的形式实时输出并储存；所述标定杆设置在所述第一支架上，并且其平行于X轴设置，所述标定杆远离第一支架的一端的顶尖与工作坐标系的原点的连线平行于Y轴。优选地，所述X向运动平台和Y向运动平台均包括底座、伺服电机、滑块、丝杠、滚珠螺母、联轴器、光栅尺和读数头，其中，所述伺服电机安装在所述底座上，所述伺服电机的输出轴通过所述联轴器与所述丝杠相连，所述滚珠螺母穿装在所述丝杠上，所述滑块安装在所述滚珠螺母上，所述丝杠、滚珠螺母与所述滑块共同构成丝杠滑块运动副，该丝杠滑块运动副安装在所述底座上；所述光栅尺的标尺固定在所述底座上，所述光栅尺上设置所述读数头并且该读数头所述滑块相连，所述滑块的位移通过所述光栅尺测量。优选地，所述第一支架包括延长杆、连接杆、螺母、活动支架、紧固螺钉和固定支架，所述测针与所述延长杆通过螺纹连接，所述延长杆与所述力传感器通过所述连接杆连接；所述力传感器通过螺母固定在所述活动支架上，所述活动支架竖直设置在所述固定支架内并通过紧固螺钉固定，所述活动支架为长度可调的伸缩杆，以实现测针高度的调节，所述固定支架安装在所述X向运动平台的滑块上。优选地，所述旋转平台包括转台伺服电机、转台联轴器、变速箱、转台、叶片夹具和支架，所述转台伺服电机通过所述转台联轴器与变速箱相连；所述变速箱为蜗轮蜗杆变速箱并且其通过蜗轮蜗杆副将转台伺服电机的旋转运动转化成转台的旋转运动；所述转台上安装有所述叶片夹具，以用于安装叶片，所述转台与变速箱之间设置有旋转编码器，以实时测量转台的旋转角度θ；所述变速箱安装在所述支架上，所述支架安装在所述工作台面上，所述支架上设置所述标定杆。按照本专利技术的另一个方面，还提供了一种叶片原位接触式三维测量装置进行叶片原位接触式三维测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：使测针的球形针尖的中心在标定杆的中心线上，同时使叶片的排气边与标定杆对齐，将位置记为零点，记录此时所述球形针尖的中心的坐标为(x0,y0,θ0)＝(0,-L,0)，其中L为标定杆与工作坐标系原点的距离；S2：控制X向运动平台以Δx为增量进给运动n次，直至测针对叶片的排气边、进气边和叶背的测量完成，则在各位置处，控制器驱动Y向运动平台运动，使测针与叶片的排气边接触，同时控制器控制旋转平台转动，使测针从叶片的排气边沿着叶背运行到叶片的进气边，并且测针在叶背轨迹线上运行的过程中，力传感器把测针与叶片的接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触；此外，数据采集卡以固定的频率从光栅尺和旋转编码器读取Y向运动平台的位移量数据集y1和旋转平台的回转角度数据集θ1，其中1≤n≤xmax/Δx，xmax为叶片X向的最大位移，k1＝1,2,...n；S3：将数据[x1,y1,θ1]以固定格式输出并保存，其中，式中，A1表示第一组数据集，x1为X向运动平台的位移量数据集，i表示在叶背、进气边和排气边上采集到的所有数据点的总数量；S4：将X向运动平台运动到零点，调整旋转平台与Y向运动平台使得测针与叶盆和进气边的交线接触，控制X向运动平台以Δx为增量进给运动n次，直至叶片的叶背型面测量完成，则在各位置处，控制器驱动Y向运动平台运动，使测针与叶片的排气边接触，同时控制器控制旋转平台转动，使测针从叶片的进气边沿着叶背运行到叶片的排气边，并且测针在叶背轨迹线上运行的过程中，力传感器把测针与叶片的接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触；同时数据采集卡以固定的频率从光栅尺和旋转编码器读取Y向运动平台的位移量y2和旋转平台的回转角度θ2，其中k2＝1,2,...n；S5：将采集到的数据[x2,y2,θ2]以固定格式输出并保存，其中，式中，A2表示第二组数据集，x2为X向运动平台的位移量数据集，j表示在叶盆上采集到的所有数据点的总数量；S6：分别对两组数据集A1和A2进行预处理，剔除数据中的异常点，并使用高斯滤波的方法对异常点进行补充，然后对两组数据进行拼接，则有：式中，A表示总数据集；S7：总数据集A中的每一组数据表示对应测量点相对于标定点(x0,y0,θ0)的位移增量，则在工作坐标系下的每个测量点P(xw,yw,θ)表示为然后对测量点进行坐标变换，将每个测量点P(xw,yw,θ)表示成叶片坐标系中的三坐标点P(x′,y′,z′)，则有S8：通过三维重建获得叶片轮廓的三维模型。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叶片原位接触式三维测量装置，包括工作台面、XY二维水平运动平台、测量机构、旋转平台、控制器和标定杆，其特征在于，所述XY二维水平运动平台包括X向运动平台和Y向运动平台，所述Y向运动平台安装在所述工作台面上并且其可沿Y轴移动，所述X向运动平台设置在Y向运动平台的滑块上并且其可沿X轴移动，所述X轴、Y轴与竖直方向的Z轴共同构成工作坐标系；所述测量机构包括第一支架和测针，所述第一支架设置在所述X向运动平台的滑块上，所述测针设置在所述第一支架上，以用于与所述叶片接触来测量叶片的轮廓；所述旋转平台通过第二支架安装在所述工作台面上，以用于安装待测试的叶片，并且该旋转平台的旋转中心线与X轴平行；所述控制器通过所述X向运动平台和Y向运动平台可分别获得测量机构的位移x和位移为y，并且通过所述旋转平台可获得叶片的旋转角度为θ；所述测量机构上设置有力传感器，以用于获取测量机构与叶片的接触力，所述力传感器把该接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触，测量结果由X向运动平台的位移量x、Y向运动平台的位移量y和旋转平台的旋转角度θ表示，再以(x,y,θ)的形式实时输出并储存；所述标定杆设置在所述第一支架上，并且其平行于X轴设置，所述标定杆远离第一支架的一端的顶尖与工作坐标系的原点的连线平行于Y轴。...

【技术特征摘要】
1.一种叶片原位接触式三维测量装置，包括工作台面、XY二维水平运动平台、测量机构、旋转平台、控制器和标定杆，其特征在于，所述XY二维水平运动平台包括X向运动平台和Y向运动平台，所述Y向运动平台安装在所述工作台面上并且其可沿Y轴移动，所述X向运动平台设置在Y向运动平台的滑块上并且其可沿X轴移动，所述X轴、Y轴与竖直方向的Z轴共同构成工作坐标系；所述测量机构包括第一支架和测针，所述第一支架设置在所述X向运动平台的滑块上，所述测针设置在所述第一支架上，以用于与所述叶片接触来测量叶片的轮廓；所述旋转平台通过第二支架安装在所述工作台面上，以用于安装待测试的叶片，并且该旋转平台的旋转中心线与X轴平行；所述控制器通过所述X向运动平台和Y向运动平台可分别获得测量机构的位移x和位移为y，并且通过所述旋转平台可获得叶片的旋转角度为θ；所述测量机构上设置有力传感器，以用于获取测量机构与叶片的接触力，所述力传感器把该接触力实时反馈给控制器，控制器通过调控Y向运动平台的运动使得测针与叶片保持恒力接触，测量结果由X向运动平台的位移量x、Y向运动平台的位移量y和旋转平台的旋转角度θ表示，再以(x,y,θ)的形式实时输出并储存；所述标定杆设置在所述第一支架上，并且其平行于X轴设置，所述标定杆远离第一支架的一端的顶尖与工作坐标系的原点的连线平行于Y轴。2.如权利要求1所述的一种叶片原位接触式三维测量装置，其特征在于，所述X向运动平台和Y向运动平台均包括底座、伺服电机、滑块、丝杠、滚珠螺母、联轴器、光栅尺和读数头，其中，所述伺服电机安装在所述底座上，所述伺服电机的输出轴通过所述联轴器与所述丝杠相连，所述滚珠螺母穿装在所述丝杠上，所述滑块安装在所述滚珠螺母上，所述丝杠、滚珠螺母与所述滑块共同构成丝杠滑块运动副，该丝杠滑块运动副安装在所述底座上；所述光栅尺的标尺固定在所述底座上，所述光栅尺上设置所述读数头并且该读数头所述滑块相连，所述滑块的位移通过所述光栅尺测量。3.如权利要求1所述的一种叶片原位接触式三维测量装置，其特征在于，所述第一支架包括延长杆、连接杆、螺母、活动支架、紧固螺钉和固定支架，所述测针与所述延长杆通过螺纹连接，所述延长杆与所述力传感器通过所述连接杆连接；所述力传感器通过螺母固定在所述活动支架上，所述活动支架竖直设置在所述固定支架内并通过紧固螺钉固定，所述活动支架为长度可调的伸缩杆，以实现测针高度的调节，所述固定支架安装在所述X向运动平台的滑块上。4.如权利要求1所述的一种叶片原位接触式三维测量装置，其特征在于，所述旋转平台包括转台伺服电机、转台联轴器、变速箱、转台、叶片夹具和支架，所述转台伺服电机通过所述转台联轴器与变速箱相连；所述变速箱为蜗轮蜗杆变速箱并且其通过蜗轮蜗杆副将转台伺服电机的旋转运动转化成转台的旋转运动；所述转台上安装有所述叶片夹具，以用于安装叶片，所述转台与变速箱之间设置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵欢，李昊，陈茜，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42