四軸聯(lián)動葉片型面激光測量系統(tǒng)設計與實驗研究*

林海波，趙文輝

(1.臺州職業(yè)技術學院 機電工程學院,浙江 臺州 318000;2.臺州市機電一體化重點實驗室,浙江 臺州 318000;3.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院,沈陽 110023)

四軸聯(lián)動葉片型面激光測量系統(tǒng)設計與實驗研究*

林海波1,2，趙文輝3

(1.臺州職業(yè)技術學院 機電工程學院,浙江 臺州 318000;2.臺州市機電一體化重點實驗室,浙江 臺州 318000;3.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院,沈陽 110023)

葉片型面形狀誤差對二次流損耗有較大的影響，但其型面造型復雜，描述參數(shù)眾多，葉片制造困難，型面檢測耗時耗力。針對葉片型面分層測量技術進行了深入研究，并進行了實驗驗證。設計基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的全閉環(huán)四軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)激光測量系統(tǒng)，系統(tǒng)精度達到0.015mm?；谠撓到y(tǒng)，沿型線法線方向分層測量葉片多個截面。通過軟件擬合型線輪廓，與理論廓形對比，判斷是否在給定的公差范圍內(nèi)。軟件自動處理多個型線數(shù)據(jù)，提取弦長、弦傾角、前緣半徑、后緣半徑、最大厚度以及中弧線特征等參數(shù)，為葉片型面輪廓和幾何尺寸的檢測提供了理論依據(jù)。實驗驗證本系統(tǒng)實現(xiàn)了對葉片型面的非接觸、高效、高精度測量，證明了其可行性和正確性，并在生產(chǎn)中得到應用。

葉片激光測量；四軸聯(lián)動；運動控制；型線擬合；特征提取

0 引言

葉片在工程中的應用較為廣泛,如用在航空發(fā)動機、水泵、攪拌機及汽輪機上, 葉片型面是一種典型的空間復雜曲面，而作為上述設備中的關鍵零件，其二次流損耗受型面形狀的誤差影響較大，因此，人們一直關注葉片型面測量的問題。葉片型面的造型較為復雜，型線多變，描述參數(shù)眾多，尺寸極化嚴重、其截面型線從葉頂?shù)饺~根每層葉片都不相同，加工質(zhì)量要求高、加工困難，所以對葉片型面的檢測耗時耗力[1-4]。

國內(nèi)不少學者對葉片測量技術進行了研究。陳凱云等提出了一種基于激光掃描法，用于航空壓氣機中葉片型面在線測量的新型裝備方案，該方法雖然測量精度很高，但測量成本也較高[3]。藺小軍等針對葉片型面檢測過程中的路徑規(guī)劃問題，采用流道線對葉片型面進行測量，對測量數(shù)據(jù)和型面進行整體匹配，計算葉型面輪廓度，能對葉片參數(shù)作出定性結論，判定是否合格[4]。方志強等基于葉尖定時原理開發(fā)了一套旋轉(zhuǎn)葉片振動監(jiān)測系統(tǒng)。趙士磊等研究了激光非接觸測量技術[5]。目前還有很多關于葉片測量的報道[6-11]。為了準確、高效檢測葉片型面質(zhì)量是否合格，該文對葉片型面分層測量的技術進行了深入研究，利于葉片設計、制造、檢測一體化，包括基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的全閉環(huán)四軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)激光測量系統(tǒng)的建立，型線數(shù)據(jù)的測量、偏差分析和特征參數(shù)的提取，并進行了實驗驗證，應用領域廣泛。

1 裝置結構設計

葉片輪廓面是一種典型的復雜自由空間曲面，其近似為軸套類零件，一般采用平動型或旋轉(zhuǎn)型裝置來測量葉片的輪廓數(shù)據(jù)。平動型結構手動操作，需多次調(diào)整方位并校正基準，完成對整個輪廓面的數(shù)據(jù)測量。旋轉(zhuǎn)型結構較平動型簡單，但是由于葉片的非對稱性，測頭易與葉片輪廓面產(chǎn)生干涉，影響數(shù)據(jù)完整性。本測量裝置綜合平動型和旋轉(zhuǎn)型機構的特點，采用精密旋轉(zhuǎn)工作臺和三維平動結構的組合，采用的激光測頭是點光源非接觸式測頭。葉片裝夾在旋轉(zhuǎn)工作臺的軸向上，測量時葉片隨工作臺旋轉(zhuǎn)以改變方位，避免了手動調(diào)整方位和校正基準這一過程，這種機構應用廣泛，具有很好的移植性。

1.1 平臺結構型式

平臺結構如圖1所示，底座采用熱變形小、剛性好的大理石平臺，測量裝置由3個移動和1個旋轉(zhuǎn)機構構成,即精密電控系統(tǒng)驅(qū)動的移動工作臺(X、Y、Z)與旋轉(zhuǎn)臺所構成，該裝置固定在大理石平臺上，位置相對固定，在運行上形成聯(lián)動。需要測量的葉片采用專用夾具固定在C軸的旋轉(zhuǎn)臺上，測件可隨C軸作任意角度旋轉(zhuǎn)。optoNCDT系列IL D2200-10激光位移傳感器安裝在三坐標聯(lián)動測量平臺上，X、Y、Z方向安裝了滾珠絲杠和精密直線導軌，具有定位精度高，磨損小，爬行小，系統(tǒng)的剛度高等優(yōu)點。整個系統(tǒng)具有三個平動自由度(X，Y，Z)和一個轉(zhuǎn)動自由度(C方向)。

圖1 四軸聯(lián)動葉片型面激光測量系統(tǒng)示意圖與實物照片

采用非接觸點式激光測量方法和復雜曲面分析的軟件分析方法，實現(xiàn)對葉片型面的檢測和分析。大理石工作臺平面度精度高，且穩(wěn)定性好，受環(huán)境溫度影響小。X，Y,Z絲杠移動方向采用雙直線導軌，位移傳感器采用金屬反射光柵和讀數(shù)頭，通過光柵補償，使進給單軸精度達到2μm。所選用的四軸聯(lián)動平臺綜合精度達到5μm， optoNCDT系列IL D2200-10激光傳感器精度為3μm。通過對標準件進行檢測，檢測的結果與三坐標的測量結果進行了驗證，整個測量系統(tǒng)綜合精度在15μm以內(nèi)。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)結構示意圖如圖2所示，采用“PC個人計算機+運動控制卡器結構”，在通用個人計算機的擴展槽中插入運動控制器。其中個人計算機實現(xiàn)文檔管理、接口以及通訊等其他非實時要求的部分功能，實時控制功能(機床的實時運動軌跡控制和開關邏輯量控制等)由插入個人計算機擴展槽中的運動控制器來完成。構建基于工控機和運動控制器相結合的開放式控制系統(tǒng)。運動控制器負責X，Y，Z與C軸聯(lián)動伺服系統(tǒng)的程序編輯、插補運算、譯碼、位置伺服控制、自動跟蹤控制算法、結果上傳顯示等任務。工控機負責軌跡規(guī)劃，指導激光測頭進行更精細的測量，獲取更高精度、更高質(zhì)量的三維數(shù)據(jù)[12]。

圖2 控制系統(tǒng)結構示意圖

光柵尺做為位置反饋元件, 安裝在四個運動軸上，由光柵尺組成的全閉環(huán)反饋控制結構，從控制理論上消除了機械傳動部分的誤差,提高測量床整體精度。單軸全閉環(huán)體系如圖3所示。

圖3 單軸全閉環(huán)結構示意圖

2 沿截面型線法向的聯(lián)動測量方法

分層是解決此類測量問題的有效途徑，測量方式采用Z軸(豎直軸)分層定位、X-Y平面聯(lián)動測距保持、C軸旋轉(zhuǎn)完成規(guī)定的表面數(shù)據(jù)讀取。通過1394火線和激光測頭驅(qū)動中的接口函數(shù)實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的接收和存儲等任務，并確定空間坐標[12-13]。將激光測頭分別定位在Z軸方向上的多個不同的待測位置，得到所在的X-Y平面,如圖4所示。用葉片分截面方法得到所要測量曲線，設置一組平行于回轉(zhuǎn)臺的平面，并和葉身型面產(chǎn)生一組閉合交線，即是要測量的葉片截面曲線，實現(xiàn)自由曲面轉(zhuǎn)化為自由曲線(邊界曲線)，再轉(zhuǎn)化為自由曲線上點集的歸納方法，實現(xiàn)把葉片型面數(shù)字化。

圖4 分層測量型線示意圖

圖5 葉片截線測量軌跡示意圖

采用精密旋轉(zhuǎn)工作臺和三維平動結構的組合裝置進行多軸聯(lián)動測量。葉片裝夾在旋轉(zhuǎn)工作臺的軸向上(C軸)，隨工作臺旋轉(zhuǎn)調(diào)整以改變方位；激光測頭沿X軸方向葉片作徑向運動，保證激光測頭與待測點之間的距離為理論最佳距離；沿Y軸方向作切向運動，保證測頭的中心軸線方向與待測點的法線方向之間相互平行。沿Z軸方向運動改變測量高度，測量時，每變化一個值，實時對運動軌跡進行調(diào)整[12]。同時，C軸可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)一定的角度θ，使型線的法線方向與測量儀中心軸線相互垂直。從而保證激光測頭和葉片輪廓面之間的相互協(xié)調(diào)運動，進而保證每個待測數(shù)據(jù)點都可以進行測量。同時，C軸可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)一定的角度，使型線的法線方向與測量儀中心軸線相互垂直[13]。

X、Y平動軸在X-Y平面內(nèi)對葉片進行一次旋轉(zhuǎn)測量，同時形成測量軌跡保證激光與葉片的X軸向距離小于高精測距的最大值，以消除實際測距過大、超出激光側(cè)頭理想測距導致的測量誤差[14]。X-Y平面內(nèi)測量軌跡如圖5所示。圖5中，為了表示方便，假設葉片固定，測頭平動并旋轉(zhuǎn)。

3 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

設備用于某葉片生產(chǎn)企業(yè)工程實際測量，葉片本身精度要求為±0.025mm，即公差為0.05mm。本系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)，與三坐標測量數(shù)據(jù)進行比較，誤差為0.015mm，小于葉片精度要求的1/3。部分葉片型線原始數(shù)據(jù)、四軸聯(lián)動位移和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，測量所得型線的數(shù)據(jù)如表1所示。本次測量僅用時53min，而常規(guī)測量與數(shù)據(jù)處理需要一個工作日。

表1 葉片型線的部分數(shù)據(jù)

軟件系統(tǒng)對所測數(shù)據(jù)進行處理，包括型線擬合，偏差分析，壁厚分析，特征提取等內(nèi)容。軟件流程圖如圖6所示。

型線擬合：根據(jù)測得的每個截面的數(shù)據(jù)，用三次樣條擬合出型線，為后續(xù)的檢測分析做好準備，圖7中的點為測得的III號截面(Z3=47.46mm)的各個點。

偏差分析：基于葉片的測量模型與標準模型的配準定位，將所測數(shù)據(jù)與標準模型的數(shù)據(jù)根據(jù)偏差分析模塊計算、對比，得出被測量數(shù)據(jù)與CAD模型的偏差情況，依據(jù)結果，判斷偏差是否在給定的公差區(qū)域內(nèi)。因為系統(tǒng)誤差的存在，在判斷具體葉片是否合格時，如果誤差在±0.015mm范圍內(nèi)，為合格，超過±0.025mm，不合格。誤差在±0.015mm-±0.025mm之間需要重新評估。如圖7所示，實線為理論型線，實線兩側(cè)虛線為公差范圍，星號點(*)為實測點，偏差在±0.015mm范圍內(nèi)，說明該葉片型面本次測量合格。

壁厚分析：根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算葉片緣頭(前、后緣,也稱為進氣邊和排氣邊)的厚度、弦長等數(shù)據(jù)，顯示整個葉片的誤差云圖，并對葉片進行自動判斷,評判是否合格。

特征提?。簩夘^半徑、弦長、最大厚度、弦傾角參數(shù)等等幾何形狀參數(shù)進行準確提取。圖7所示的III號截面的型線，弦長為92.7051mm，前緣半徑為1.4885mm，后緣半徑為0.3845mm。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程圖

圖7 型線擬合與偏差分析

4 結論

葉片應用廣泛，但其型面造型復雜，描述參數(shù)眾多，葉片型面的檢測耗時耗力。本文對葉片型面測量技術進行了研究，設計了基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的全閉環(huán)四軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)激光測量系統(tǒng)，通過測量數(shù)據(jù)判斷具體葉片合格性，系統(tǒng)的精度通過三坐標標定，達到0.015mm。基于該系統(tǒng)，分成多個截面，沿型線法線方向測量葉片型線。軟件系統(tǒng)對所測數(shù)據(jù)進行處理，包括型線擬合，偏差分析，壁厚分析，特征提取等內(nèi)容。實驗驗證本系統(tǒng)實現(xiàn)了對葉片型面的非接觸、高效、高精度測量，經(jīng)過擴展，可以實現(xiàn)對任意回轉(zhuǎn)體零件的測量。

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(編輯 趙蓉)

Research on the Design and Experiment of Laser Measurement System for Blade Surface Based on Four-axis Linkage

LIN Hai-bo1,2,ZHAO Wen-hui3

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Taizhou Vocational & Technical College, Taizhou Zhejiang 318000 ,China;2.Key Laboratory of Mechatronics of Taizhou, Taizhou Zhejiang 318000 , China)

The shape error of blade surface has great influence on the secondary flow loss. It is difficult to manufacture the blade due to the complexity of surface modeling and the redundance of decription parameters. In this article, the key technology of blade surface measurement is studied and verified with experiments. Based on closed-loop four- axis -linkage rotary laser measurement system, the open CNC system accuracy has reach 0.015 mm. According to the system, through measuring several sections of blade along the normal direction and comparing the model profile with the theoretical profile, it is easy to determine whether it is in a given range of tolerance. The system will automatically process multiple model-lines data and extract some parameters such as string length, string obliquity, front and rear edge radius, maximum thickness, arc features and so on. The experiment confirms that the system can achieve the non-contact, high-efficient, and high-precise measurement for the model-surface of blade. Its feasibility and correctness are proved, and has been applied in production.

blade laser measurement；four-axis linkage；motion control；curve fitting；feature extraction

1001-2265(2014)06-0086-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.024

2014-03-19；

2014-04-09

2013年度浙江省高職高專院校專業(yè)帶頭人專業(yè)領軍項目(lj2013140);浙江省教育廳科研資助項目(Y201329306);浙江省自然科學基金資助項目(LY14E050001)；臺州市科技計劃項目(131KY05)

林海波(1977—)，男，浙江臺州人，臺州職業(yè)技術學院副教授，碩士，高級工程師，主要從事精密制造技術的研究、機電產(chǎn)品設計與控制系統(tǒng)開發(fā)、智能故障診斷技術的研究，(E-mail)linhaibo_tzvtc@163.com。

TH16;TG65

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