[发明专利]一种叶片原位接触式三维测量装置和方法

摘要

本发明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。

主权项

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、标定杆和原位接触式三维测量程序模块，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二支架上，并且其平行于X轴设置，所述标定杆的顶尖与工作坐标系的原点的连线平行于Y轴；所述原位接触式三维测量程序模块在被所述控制器调用时，执行如下测量步骤：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，得到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≤x_max/Δx，x_max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和旋转平台的回转角度，得到Y向运动平台的位移量数据集y₂和旋转平台的回转角度数据集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(x_w,y_w,θ)表示为然后对测量点进行坐标变换，将每个测量点P(x_w,y_w,θ)表示成叶片坐标系中的三维坐标点P(x′,y′,z′)，则有S8：通过三维重建获得叶片轮廓的三维模型。