大型高速回转装备关键构件几何特征精密测量方法与装置属于精密仪器及机械技术领域；该装置包括隔振平台(1)、回转台(3)、调整台(4)、标定球(6)、传感器控制器(7)、位姿调整机构(9)、传感器(8)和立柱(12)；传感器(8)与位姿调整机构(9)固连，位姿调整机构(9)连接平移机构(10)，通过导向滑块(11)沿立柱(7)竖向移动；导向滑块(11)通过调整锁紧机构(13)、回转单元(15)及俯仰单元(14)对传感器(8)分别进行升降、俯仰和回转调整；回转台(3)带动标定球(6)转动一周，传感器(8)测量被测构件(16)表面轮廓获得点云数据，依据被测要素进行几何特征提取和评定，获得被测几何特征的测量结果；本发明专利技术可实现大型高速回转装备关键构件几何特征的快速高精度测量。的快速高精度测量。的快速高精度测量。
【技术实现步骤摘要】
一种大型高速回转装备关键构件几何特征精密测量方法与装置
[0001]本专利技术属于精密仪器及机械
，特别涉及一种大型高速回转装备关键构件几何特征精密测量方法与装置。
技术介绍
[0002]航空发动机作为典型的大型高速回转装备，是装备制造领域的尖端产品，代表着一个国家的科技水平和综合国力，一直以来都被视为影响国家空中运输、国防安全和保持国家战略优势的核心技术。航空发动机是十分复杂的气动热力旋转机械，零部件众多，很多零部件工作在高温、高压、高速旋转、强振动和复杂多变的环境条件下，因此发动机零部件的加工质量检测十分重要。
[0003]接触式测量是航空发动机制造中常用的测量手段，测量设备通常包括三坐标测量机和轮廓仪。三坐标测量机具有X、Y、Z三个相互垂直移动的导轨，它以空间直角坐标为参考，通过接触式探头可以精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。由于测头半径须小于被测圆弧半径，所以对于航空发动中常见的小圆弧结构三坐标测量获得的数据点有限，且出现不过心的问题，无法准确测得其几何特征。
[0004]表面轮廓测量仪是表面二维轮廓和三维形貌测量的有效方法。轮廓仪通过触针与被测表面滑移进行测量，传感器的触针由金刚石制成，针尖圆弧半径为微米量级，可以直接测量某些难以测量到的微细结构零件表面，又能直接按某种评定标准读数或是描绘出表面轮廓曲线的形状，测量速度快、操作方便。但由于测量力的存在，非常容易划伤部件破坏其表面特性，这在航空发动机关键构件检测中是不允许的。
[0005]专利CN106767418B“一种大型回转体外形扫描测量装置及方法”，提出了一种大型回转体外形扫描测量装置及方法，装置结构为：扫描机器人安装在机器人轨道，机器人轨道与回转体中心线平行；激光跟踪仪安装在扫描机器人末端执行器上，对回转体进行扫描测量；激光发射跟踪器与激光跟踪仪通过激光连接；数控设备控制回转体。虽然该方法可以获得大量点云数据，但激光跟踪仪的运动误差会显著影响点云数据的精度，不适合高精度测量。
[0006]文献(Gruza M,Harmatys W,Gaska P,Gaska A,Sladek J.Analysis of Z
‑
axis kinematics influence on measurement result[J].Advance in science and technology
‑
research journal,2015,9,26:109
‑
112)对三坐标测量机在不同区域测量结果存在差异的问题，对机械结构中影响测量结果的Z轴位置进行研究，并使用数学模型建立了其余测量误差之间的对应关系。
[0007]文献(Lee D H,Cho N G.Assessment of surface profile data acquired by a stylus profilometer.Measurement science and technology,2012,23,10)分析了触针
式轮廓仪的针尖半径对被测轮廓在二维和三维场景测量下的影响，建立了测量场景、测量与针尖半径选择的对应关系，通过实测实验验证了该半径选择准则的有效性。
[0008]综上所述，现有的接触式测量存在测量位置受限，以及容易划伤被测零件表面的问题，这极大地影响了大型高速回转装备关键构件几何特征测量。
技术实现思路
[0009]本专利技术的目的就是针对上述已有技术存在的问题，本专利技术提出了一种回转扫描测量方法并设计了相应测量装置。该装置通过回转台实现被测件可靠回转定位，同时传感器测得不同回转角度下被测件的点云数据，对得到的点云数据进行处理得到被测件几何参数。本专利技术还提供了一种基于上述方法的大型高速回转装备关键构件几何特征精密测量装置。本专利技术方法属于非接触式测量，避免了划伤被测表面，同时组合回转台实现了被测件的全方位精密测量。
[0010]本专利技术的技术方案是：
[0011]一种大型高速回转装备关键构件几何特征精密测量方法，该方法包括以下步骤：
[0012]1)将标定球和支架置于调整台上，调整台置于回转台的中心，通过调整台调整标定球的位置在传感器的测量范围内；
[0013]2)回转台带动标定球依次转动到Q1，Q2，Q3，
…
,Q
M
位置，传感器在每个位置进行测量采样，共采集M组测量数据，拟合出标定球在Q1～Q
M
位置处的球心坐标C1～C
M
；
[0014]3)利用坐标C1～C
M
求解回转台轴线的中心位置坐标O'(x0,y0,z0)；
[0015]4)利用采集到的第j(j∈1～M)组测量数据点集{p|p(x
i
,y
i
,z
i
),i∈1～N}，拟合求解圆心拟合圆半径r
Dj
和经过D
j
的拟合平面法线方程：
[0016][0017]5)根据标定球的半径r
cal
，求得D
j
到标定球的球心之间的距离为
[0018][0019]由D
j
(j∈1～M)确定的拟合平面法线经过C
j
，解得：
[0020][0021]6)根据上述步骤，完成回转台轴线和传感器之间的相对位姿标定；
[0022]7)将标定球的球心坐标绕着Z轴旋转角度α，再绕着X轴旋转角度β，将数据转换至同一坐标系下，变换公式为：
[0023][0024]式中，P表示初始数据点坐标，表示变换之后的数据点坐标，M
m
表示将数据点平移至以O'(x0,y0,z0)为中心的坐标系下的坐标转换矩阵，
[0025][0026]M
+
为绕Z轴旋转角度α、再绕X轴旋转角度β的坐标转换矩阵：
[0027][0028]M
θ
为采样角度变换矩阵，回转台的转动角度为θ
i
＝θ0+i
·
Δθ，θ0为初始角度位置，Δθ为采样间隔，θ
i
为第i次采样时的角度：
[0029][0030]M
‑
m
及M
‑
指变换方向相反的坐标转换矩阵，即将数据点从以O'(x0,y0,z0)为中心的坐标系平移至未转换前的位置，绕Z轴旋转角度
‑
α再绕X轴旋转角度
‑
β的坐标转换矩阵；
[0031]8)取下标定球，将被测构件置于调整台上，调整被测构件的中心与回转台轴线同轴；
[0032]9)回转台旋转一周，传感器测量被测构件表面轮廓获得点云数据；
[0033]10)对点云数据进行滤波处理；
[0034]11)对滤波处本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种大型高速回转装备关键构件几何特征精密测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将标定球(6)和支架(5)置于调整台(4)上，调整台(4)置于回转台(3)的中心，通过调整台(4)调整标定球(6)的位置在传感器(8)的测量范围内；2)回转台(3)带动标定球(6)依次转动到Q1，Q2，Q3，
…
,Q
M
位置，传感器(8)在每个位置进行测量采样，共采集M组测量数据，拟合出标定球(6)在Q1～Q
M
位置处的球心坐标C1～C
M
；3)利用坐标C1～C
M
求解回转台轴线(17)的中心位置坐标O'(x0,y0,z0)；4)利用采集到的第j(j∈1～M)组测量数据点集{p|p(x
i
,y
i
,z
i
),i∈1～N}，拟合求解圆心D
j
(x
jd
,y
jd
,z
jd
)、拟合圆半径r
Dj
和经过D
j
的拟合平面法线方程：5)根据标定球(6)的半径r
cal
，求得D
j
到标定球(6)的球心C
j
(x
jc
,y
jc
,z
jc
)之间的距离为由D
j
(j∈1～M)确定的拟合平面法线经过C
j
，解得：6)根据上述步骤，完成回转台轴线(17)和传感器(8)之间的相对位姿标定；7)将标定球(6)的球心坐标C
j
(x
jc
,y
jc
,z
jc
)绕着Z轴旋转角度α，再绕着X轴旋转角度β，将数据转换至同一坐标系下，变换公式为：式中，P表示初始数据点坐标，表示变换之后的数据点坐标，M
m
表示将数据点平移至以O'(x0,y0,z0)为中心的坐标系下的坐标转换矩阵，M
+
为绕Z轴旋转角度α、再绕X轴旋转角度β的坐标转换矩阵：
M
θ
为采样角度变换矩阵，回转台(3)的转动角度为θ
i
＝θ0+i
·
Δθ，θ0为初始角度位置，Δθ为采样间隔，θ
i
为第i次采样时的角度：M
‑
m
及M
‑
指变换方向相反的坐标转换矩阵，即将数据点从以O'(x0,y0,z0)为中心的坐标系平移至未转换前的位置，绕Z轴旋转角度
‑<...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄景志，杨润泽，连冬杉，刘江，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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