專利名稱:一種高精度的航空發動機葉片自動三維測量系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高精度的航空發動機葉片自動三維測量系統，包括運動支撐平臺；三軸運動機構；旋轉工作臺；工裝，包括圓柱段及夾具段；距離傳感器；三軸伺服編碼器；運動控制通訊盒，用于控制三軸運動機構的運動及接收三軸伺服編碼器與距離傳感器反饋的工件實體的橫截面輪廓曲線的采集點集信息；數據處理裝置，用于對采集點集進行處理，以得到工件實體的完整表面輪廓。本實用新型使用距離傳感器作為測量終端，可以獲得被測區域表面點的位置信息；同時配合三軸運動機構，能夠實現工件實體的分區域測量，并最終將測量得到的局部范圍的密集點云數據自動融合到同一坐標系下，實現工件的完整精密測量和工件實體的質檢工作。
【專利說明】一種高精度的航空發動機葉片自動三維測量系統
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于精密測量領域，更具體地，涉及一種高精度的航空發動機葉片自 動三維測量系統。
【背景技術】
[0002] 隨著國內航空航天領域的大力發展，航空發動機葉片三維測量技術在航空航天、 武器裝備等領域有著越來越廣泛的應用前景。
[0003] 現代客機或軍用噴氣飛機的每個渦輪正常運作依賴于一千多個渦輪轉子葉片和 導向器葉片的無差錯功能。在此類情況下，最高質量標準只能以微米為測量單位。因此，這 些具有不規則表面形態的高度復雜組件具有非常嚴格的容差范圍。
[0004] 以航空航天葉片測量為例，目前在絕大多數國內企業中，仍然采用人工檢測的方 式進行葉片的測量，這種方法測量成本很高，且檢測精度低。近年來，接觸式三坐標法以及 非接觸式光學測量方法在航空葉片測量中得到了初步應用。接觸式三坐標法是一種通用測 量方法，通常用于規則物體形面的測量。當對諸如航空發動機葉片這種自由曲面形面進行 質量檢測時，接觸式檢查法無論是在時間還是在質量方面都無法達到所需標準：對單個渦 輪葉片進行檢測時，使用坐標測量機往往需要數個小時來完成檢測，而且利用這種測量方 法只能捕獲目標幾何結構中的獨立點，無法實現葉片整體三維形貌的測量和葉片關鍵參數 的分析。
[0005] 非接觸式光學測量方法則主要有飛行時間法和結構光法。飛行時間法（又稱光切 法）是采用線激光對自由曲面表面進行掃描，一次測量可以得到被測表面一條線的三維數 據點，從而提高測量效率，但其測量精度低于航空葉片的精度檢測要求。且航空發動機渦輪 葉片表面可能已經經過鍛造、軋制或拋光，有些部分非常光亮，使用飛行時間法測量高反 光物體表面時，物體表面的鏡面反射會給測量結果造成很大影響。
[0006] 結構光投影法在自由曲面測量過程當中也被運用到，采用結構光投影法測量速度 比飛行時間法更快，一次測量可以得到投影區域內的三維數據點，但一方面結構光投影法 測量精度比飛行時間法還要低，另一方面結構光投影法測量高反光性表面得到的測量數據 精度也會受到影響。
[0007] 綜上所述：目前，接觸式三坐標測量法、飛行時間法、結構光投影法各有優點，但均 無法同時滿足航空發動機葉片三維形貌測量高精度、高分辨率、高效率的要求。 實用新型內容
[0008] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種高精度的航空發動 機葉片自動三維測量系統，該系統能夠同時滿足航空發動機葉片三維形貌測量高精度、高 分辨率、高效率的要求。
[0009] 為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種高精度的航空發動機 葉片自動三維測量系統，包括
[0010] 運動支撐平臺；
[0011] 三軸運動機構，安裝在運動支撐平臺上；
[0012] 旋轉工作臺，安裝在三軸運動機構上；
[0013] 工裝，安裝在旋轉工作臺上，包括圓柱段及夾具段；
[0014] 距離傳感器，安裝在三軸運動機構上，其與夾具段之間的距離能夠通過三軸運動 機構的移動進行調整；
[0015] 三軸伺服編碼器，用于采集三軸運動機構位置信息；
[0016] 運動控制通訊盒，用于控制三軸運動機構的運動及接收三軸伺服編碼器與距離傳 感器反饋的工件實體的橫截面輪廓曲線的采集點集信息；
[0017] 數據處理裝置，用于對采集點集進行處理，以得到工件實體的完整表面輪廓。
[0018] 優選地，所述三軸運動機構包括X軸運動機構、Y軸運動機構和Z軸運動機構，X軸 運動機構包括X軸伺服電機及由其驅動的X軸移動臺，Y軸運動機構安裝在X軸移動臺上， Y軸運動機構包括Y軸伺服電機及由其驅動的Y軸移動臺，旋轉工作臺安裝在Y軸移動臺 上，Z軸運動機構包括Z軸伺服電機及由其驅動的Z軸移動臺，所述距離傳感器安裝在Z軸 移動臺上，所述X軸伺服電機、Y軸伺服電機和Z軸伺服電機均與運動控制通訊盒相連，距 離傳感器發出的激光平行于Y軸，所述三軸伺服編碼器用于采集X軸移動臺、Y軸移動臺及 Z軸移動臺的位置信息。
[0019] 總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，由于使用距 離傳感器作為測量終端，配合精密三軸運動機構，可以獲得工件表面被測點的精確位置信 息，能夠取得下列有益效果：本三維測量系統使用距離傳感器作為測量終端，可以獲得被測 區域的表面點的位置信息；同時配合三軸運動機構，可以實現工件實體的分區域測量，并最 終將測量得到的局部范圍的密集點云數據自動融合到同一坐標系下，實現工件的完整精密 測量，以完成對工件實體的質檢工作。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本實用新型的結構示意圖；
[0021] 圖2為本實用新型中坐標系配準流程圖；
[0022] 圖3為本實用新型中旋轉工作臺的旋轉軸標定的流程圖；
[0023] 圖4為本實用新型中路徑規劃的流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所 涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0025] 如圖1所示，一種高精度的航空發動機葉片自動三維測量系統，包括運動支撐平 臺1 ;三軸運動機構2,安裝在運動支撐平臺1上；旋轉工作臺3,安裝在三軸運動機構2上； 工裝4,安裝在旋轉工作臺3上，包括圓柱段及夾具段；距離傳感器5,安裝在三軸運動機構 2上，其與夾具段之間的距離能夠通過三軸運動機構2的移動進行調整；三軸伺服編碼器6， 用于采集三軸運動機構2位置信息；運動控制通訊盒7,用于控制三軸運動機構2的運動及 接收三軸伺服編碼器6與距離傳感器5反饋的工件實體的橫截面輪廓曲線的采集點集信 息；數據處理裝置8,用于對采集點集進行處理，以得到工件實體的完整表面輪廓。
[0026] 所述三軸運動機構2包括X軸運動機構21、Y軸運動機構22和Z軸運動機構23， X軸運動機構21包括X軸伺服電機211及由其驅動的X軸移動臺，Y軸運動機構22安裝在 X軸移動臺上，Y軸運動機構22包括Y軸伺服電機221及由其驅動的Y軸移動臺，旋轉工 作臺3安裝在Y軸移動臺上，Z軸運動機構23包括Z軸伺服電機231及由其驅動的Z軸移 動臺232,所述距離傳感器5安裝在Z軸移動臺232上，所述X軸伺服電機211、Y軸伺服電 機221和Z軸伺服電機231均與運動控制通訊盒7相連，距離傳感器5發出的激光平行于 Y軸，三軸伺服編碼器6包括X軸增量編碼器、Y軸增量編碼器和Z軸增量編碼器，分別用于 采集X軸移動臺、Y軸移動臺及Z軸移動臺232的位置信息。
[0027] 測量過程中，首先由數據處理裝置8通過運動控制通訊盒7向距離傳感器5發送 信號，使距離傳感器5開始工作并啟動連續測量模式。同時，數據處理裝置8向運動控制通 訊盒7輸入不同運動指令，指導運動控制卡控制三軸移動機構的運動。X軸增量編碼器、Y 軸增量編碼器和Z軸增量編碼器分別向運動控制通訊盒7發送當前運動支撐平臺1位置信 息，距離傳感器5將實時測量結果發送至運動控制通訊盒7,以上所述三軸伺服編碼器6反 饋的數據與距離傳感器5測量的數據均為實時數據。運動控制通訊盒7將采集的數據傳 送給數據處理裝置8,數據處理裝置8對采集的數據進行處理，計算生成工件實體的三維表 面數據。
[0028] 本系統為非接觸式精密測量裝置，使用距離傳感器5作為測量終端用于獲取被測 表面點的精確位置信息，三軸運動機構2用于距離傳感器5的運動控制。將本三維測量系 統用于航空航天發動機渦輪葉片的檢測當中來，將顯著提高航空葉片的檢測效率及檢測精 度，有助于對航空葉片進行質檢。
[0029] 本系統實現精細物體表面完整三維測量的關鍵技術之一是兩步坐標系配準算法。 在本實用新型中，坐標系配準指的是設計坐標系與測量坐標系之間線性變換關系的建立。 坐標系配準對于實現工件實體的自動測量至關重要，傳統配準方法通常根據工件實體的不 同類型采用不同坐標系配準方法，但這些坐標系配準方法并不適用于航空發動機葉片這類 自由曲面物體。針對這一問題，本系統結合所使用的距離傳感器5的特點，設計并實現了一 種兩步坐標系配準算法，該算法將坐標系配準過程分為粗配準與精確配準兩部分，以完成 自由曲面物體的精確坐標系配準。下面具體說明兩步坐標系配準算法。
[0030] 如圖2所示，對于每一個工件實體，其設計模型是已知的。工件實體的設計模型處 于設計坐標系，而距離傳感器5位于三軸運動支撐平臺1所構建的測量坐標系。
[0031] 首先進行粗配準。在工件實體位于測量坐標系精確位置未知的情況下，手動調整 距離傳感器5至工件實體前合適位置，通過數據處理裝置8控制距離傳感器5按照既定 程序在不改變距離傳感器5的Y軸位置的情況測量工件實體表面局部區域點云數據集合 P (工件實體可以沿X軸移動，距離傳感器5可以沿Z軸移動），并將其與設計模型三維數據 進行對比，設計模型表面三維數據點集合可表示為Q。從測量數據與設計模型數據之間選擇 對應點，分別記為P tl= {p Q1，Pm，.. ·，PciJ，Qq= {qQi，qQ2,...，cItJ，其中η為正整數。已知 匕與Q tl，應用奇異值分解算法可以求出設計坐標系到測量坐標系之間的初始對應關系為：
[0032]
【權利要求】
1. 一種高精度的航空發動機葉片自動三維測量系統，其特征在于：包括 運動支撐平臺； 三軸運動機構，安裝在運動支撐平臺上； 旋轉工作臺，安裝在三軸運動機構上； 工裝，安裝在旋轉工作臺上，包括圓柱段及夾具段； 距離傳感器，安裝在三軸運動機構上，其與夾具段之間的距離能夠通過三軸運動機構 的移動進行調整； 三軸伺服編碼器，安裝在運動支撐平臺上，用于采集三軸運動機構位置信息； 運動控制通訊盒，用于控制三軸運動機構的運動及接收三軸伺服編碼器與距離傳感器 反饋的工件實體的橫截面輪廓曲線的采集點集信息； 數據處理裝置，用于對采集點集進行處理，以得到工件實體的完整表面輪廓。2. 根據權利要求1所述的一種高精度的航空發動機葉片自動三維測量系統，其特征在 于：所述三軸運動機構包括X軸運動機構、Y軸運動機構和Z軸運動機構，X軸運動機構包 括X軸伺服電機及由其驅動的X軸移動臺，Y軸運動機構安裝在X軸移動臺上，Y軸運動機 構包括Y軸伺服電機及由其驅動的Y軸移動臺，旋轉工作臺安裝在Y軸移動臺上，Z軸運動 機構包括Z軸伺服電機及由其驅動的Z軸移動臺，所述距離傳感器安裝在Z軸移動臺上，所 述X軸伺服電機、Y軸伺服電機和Z軸伺服電機均與運動控制通訊盒相連，距離傳感器發出 的激光平行于Y軸，所述三軸伺服編碼器用于采集X軸移動臺、Y軸移動臺及Z軸移動臺的 位置信息。
【文檔編號】G01B11-24GK204269086SQ201420784509
【發明者】李中偉, 史玉升, 程旭 [申請人]華中科技大學