CN117346722B - 一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量方法，属于叶片型面轮廓测量与叶片加工质量检测领域，该方法采用两组垂直设置的圆形探头对叶片各截面进行测量，一组保持竖直测量叶片截面轮廓，一组保持水平测量叶片截面轮廓，避免单一探头的限制；将叶片分为叶盆、叶背、前缘、后缘四个部位进行分区域、顺序测量，避免各种干涉问题，扩大可测量范围；能够解决叶片截面轮廓测量中的困难，实现高精度快速的轮廓测量，提高叶片检测的效率，能够实现对复杂叶片结构的高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于叶片测量领域，更具体地，涉及一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量方法。
背景技术
航空发动机叶片以其复杂的三维空气动力轮廓而著称，对其精确的截面轮廓测量检测有着重要意义。现有的接触式测量方法如专用数控机床等无法实现对整个三维曲面的测量。非接触测量方法如激光扫描存在反射影响表面处理要求高的问题。三坐标测量机可以实现接触式点测量，但存在如下问题：1、测量时存在测量仪器与叶片表面易发生干涉；2、叶片弧度过大区域无法有效测量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量方法，以实现叶片型面轮廓的高精度、快速测量。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量方法，包括：
S1，将待测叶片各截面的轮廓曲线分为叶盆、叶背、前缘和后缘四个区域；
S2，在待测叶片的测量坐标系下，通过三坐标测量仪操控组合探头对所述各截面的轮廓曲线按照顺时针或逆时针方向进行分区域、顺序测量；
其中，所述组合探头包括相互连接的水平探头及垂直探头；
所述水平探头用于测量叶盆区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶盆轮廓测量数据R1，以及测量叶背区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶背轮廓测量数据R2；
所述垂直探头用于测量后缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到后缘轮廓测量数据R3，以及用于测量前缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到前缘轮廓测量数据R4；
S3，对测量数据R1～R4进行拟合，得到待测叶片各截面的轮廓曲线，最终得到待测叶片的型面轮廓。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量装置，包括：
第一处理模块，用于将待测叶片各截面的轮廓曲线分为叶盆、叶背、前缘和后缘四个区域；
第二处理模块，用于在待测叶片的测量坐标系下，通过三坐标测量仪操控组合探头对所述各截面的轮廓曲线按照顺时针或逆时针方向进行分区域、顺序测量；
其中，所述组合探头包括水平探头及垂直探头；
所述水平探头用于测量叶盆区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶盆轮廓测量数据R1，以及测量叶背区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶背轮廓测量数据R2；
所述垂直探头用于测量后缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到后缘轮廓测量数据R3，以及用于测量前缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到前缘轮廓测量数据R4；
第三处理模块，用于对测量数据R1～R4进行拟合，得到待测叶片各截面的截面轮廓曲线。
按照本发明的第三方面，提供了一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量***，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如第一方面所述的方法。
总体而言，通过本发明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：
1、本发明提供的方法，采用两组垂直设置的圆形探头对叶片各截面进行测量，一组测量水平轮廓，一组测量竖直轮廓，避免单一探头的限制；将叶片分为叶盆、叶背、前缘、后缘四个部位进行分区域、顺序测量，避免各种干涉问题，扩大可测量范围；能够解决叶片截面轮廓测量中的困难，实现高精度快速的轮廓测量，提高叶片检测的效率，能够实现对复杂叶片结构的高精度测量。
2、本发明提供的方法，考虑到采用组合探头进行测量时，由于是采用水平探头和垂直探头交替进行测量，每次切换探头时，探头必须先回到机器左上角的原点返回数据，再开始下一段的测量，且需手动操控探头接触测量起始点，无法准确保证下一段轮廓的起始点就是上一段轮廓测量的终止点，因此，为保证数据的准确性，设计了存在部分重叠的测量轨迹，以提高数据的准确性和完整性，相应地，在对测量数据进行处理时，设计了相应的去重叠数据的处理方式，进一步确保了拟合精度。
3、本发明提供的方法，基于六点迭代法建立所述待测叶片的测量坐标系，能够提高匹配模型精度；考虑到由于叶片轮廓复杂，没有特征明确的定位点，所以很难保证实际选中的点就是软件选中的点，如果定位点选择的不合适，迭代程序很容易因为干涉而中断，基于此，在叶片根部选取四个点、叶盆选取一个点、叶片顶端选取一个点分别作为定位点，确保迭代程序可以成功执行，从而快速建立待测坐标系。
附图说明
图1为本发明实施例提供的组合探头示意图；
图2为本发明实施例提供的叶片定位点示意图；
图3为本发明实施例提供的叶片各区域示意图；
图4为本发明实施例提供的组合探头测量叶片各区域示意图；
图5为本发明实施例提供的组合探头测量叶片各区域的轨迹示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量方法，包括：
S1，将待测叶片各截面的轮廓曲线分为叶盆、叶背、前缘和后缘四个区域；
S2，在待测叶片的测量坐标系下，通过三坐标测量仪操控组合探头对所述各截面的轮廓曲线按照顺时针或逆时针方向进行分区域、顺序测量；
其中，所述组合探头包括相互连接的水平探头及垂直探头；
所述水平探头用于测量叶盆区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶盆轮廓测量数据R1，以及测量叶背区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶背轮廓测量数据R2；
所述垂直探头用于测量后缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到后缘轮廓测量数据R3，以及用于测量前缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到前缘轮廓测量数据R4；
S3，对测量数据R1～R4进行拟合，得到待测叶片各截面的轮廓曲线，最终得到待测叶片的型面轮廓。例如，采用插值法对待测叶片各截面的轮廓曲线进行处理，最终得到待测叶片的型面轮廓。
优选地，所述对测量数据R1～R4进行拟合之前，还包括：
1)将测量数据按照测量顺序进行排序；
2)判断是否有任意两点之间的距离小于预设阈值，若是，则仅保留所述两点之中来自R1或R2的数据点，返回步骤1)，若否，则结束。
优选地，所述两个互相垂直的探头均为直径为2mm的圆形探头。
考虑到测量坐标系建立困难，匹配模型精度不高，基于此，优选地，所述待测叶片的测量坐标系的建立过程为：
将待测叶片的三维模型导入三坐标测量仪，通过三坐标测量仪操控组合探头依次接触虚拟叶片表面的多个定位点，基于六点迭代法建立所述待测叶片的测量坐标系。
在实际操作中，由于叶片轮廓复杂，没有特征明确的定位点，所以很难保证实际选中的点就是软件选中的点。如果定位点选择的不合适，迭代程序很容易因为干涉而中断，基于此，优选地，在叶片根部选取四个点、叶盆选取一个点、叶片顶端选取一个点分别作为定位点。
具体地，本发明提供的方法，包括：
1、探头选择及校准
根据测量航空发动机叶片的型号不同，需要选择不同的探头。在实际操作过程中，通常选用直径为5mm的探头，该探头无需校准探针的位置。但是如果叶片长度较长，当探头测量到中间界面时，夹持探针的装置与叶片顶端会产生干涉，测量会自动停止，且直径5mm的探头太大，对测量数据会有一定的影响。
考虑到测量精度，优先考虑直径较小的探头，因此还可以选用直径1mm的可调节角度的探头。一般情况下叶片的形状都比较复杂，让探头倾斜一定角度，这样在测量中段截面时就可以避免与叶片顶端的干涉。由于直径1mm的可调节角度的探头不是默认探头，因此需要校准探头，通过探头测量标准球不同的轮廓数据，确定探针的状态。但如果叶片弯曲角度较大，就需要将探头倾斜较大的角度，在这种角度下，校针程序无法完成，一般需要使探头对标准球进行十二次轮廓检测来确定探头的状态，而在这种角度下只能检测5～6个标准球的轮廓就会停止。如果强行测量，会造成数据误差，且探头直径过小，刚度不够，在接触式检测中可能会因形变造成误差。
基于此，如图1所示，本发明实施例采用一种两个相互垂直的直径为2mm的组合探头，可以测量任何形状的叶片轮廓，既能满足测量精度，也能满足刚度要求。竖直探头和水平探头固定成90度，一组保持竖直测量叶片截面轮廓，一组保持水平测量叶片截面轮廓。利用标准球进行多点校准以校正组合探头的状态。如图2、图3，使用水平探头测量叶盆、叶背的轮廓，使用竖直探头测量前后叶缘的轮廓，有效避免了夹持探针的装置与叶片产生干涉的问题。
2、叶片测量坐标系的建立
使用Unigraphics软件选取默认坐标系，进行航空发动机叶片理论模型的建立。由于叶片形状较为复杂，其模型的坐标原点不在叶片上，所以需要重新建立坐标系，使得测量坐标系与三维模型中的坐标系重合。将理论模型导入QUINDOS软件，进行实际环境中测量坐标系的建立。用QUINDOS软件打开叶片的三维模型，先在软件选取叶片表面六个定位点，然后通过三坐标测量仪操控探头依次接触这六个定位点，通过三次矩阵迭代计算，验证方位偏差符合定位公差的要求，以在三坐标测量仪上建立测量坐标系，使测量坐标系与三维模型中的坐标系重合。
在实际操作中，由于叶片轮廓复杂，没有特征明确的定位点，所以很难保证实际选中的点就是软件选中的点。如果定位点选择的不合适，迭代程序很容易因为干涉而中断，如图2所示，若在叶片根部选取四个点A、B、E、D、叶盆一个点C、叶片顶端一个点F，迭代程序可以成功执行，且精度较高。
3、分区域数据测量
在建立完坐标系后，通过设置探针的位置高度，测量叶片不同截面的轮廓数据。如果只用竖直探头，就会有与方案一相同的干涉问题，如果只用水平探头，由于叶片左右叶缘弧度过大，就无法测量。于是如图3所示，将叶片分为四部部分，叶盆、叶背、前缘、后缘。如图4所示，使用水平探头测量叶盆和叶背，避免了干涉问题，使用竖直探头测量前缘和后缘，避免了弧度过大水平探头无法测量的问题。通过三坐标测量仪操控组合探头对所述各截面的轮廓曲线按照顺时针或逆时针方向进行分区域、顺序测量。
如图5，在叶片的每个高度截面上选取A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2八个点，组成四条轮廓曲线，A1、B1、C1、D1为起始扫描点，A2、B2、C2、D2为终止扫描点。值得注意的是，考虑到组合探头是对叶片各截面的轮廓曲线按照顺时针或逆时针方向进行分区域、顺序测量，而水平探头用于测量叶盆和叶背，竖直探头用于测量前缘和后缘，因此，水平探头和竖直探头是交替使用，然而，每次切换探头时，探头必须先回到机器左上角的原点返回数据，再开始下一段的测量，且需手动操控探头接触测量起始点，无法准确保证下一段轮廓的起始点就是上一段轮廓测量的终止点，因此，为了保证数据的准确性和完整性，四条轮廓曲线有重叠部分。
其中，测量轨迹应按照各截面的轮廓曲线的顺时针或逆时针方向进行，例如：按照各截面的轮廓曲线的顺时针方向，以叶盆区域为第一个测量区域，再依次测量后缘、叶背、前缘区域。则相应地组合探头的测量轨迹为：首先由水平探头A测量叶盆区域及与其相邻的部分前、后缘区域A1至A2，得到叶盆轮廓测量数据R1，再由垂直探头B测量后缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域D1至D2，得到后缘轮廓测量数据R3；再由A测量叶背区域及与其相邻的部分前、后缘区域C1至C2，得到叶背轮廓测量数据R2；最后由B测量前缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域B1至B2，得到前缘轮廓测量数据R4。
4、数据处理
由于采用的三坐标测量机为接触式测量且探头为球形结构，因此需要对获得的点数据进行球形探头半径补偿，消除接触测量带来的坐标误差。其中，部分型号的三坐标测量机内置半径补偿程序，可直接对测量数据进行半径补偿。若采用的三坐标测量机没有半径补偿程序，可以采用现有的任意一种半径补偿方法对测量数据进行半径补偿。
将四区域测量所得且半径补偿后的数据按照测量顺序对数据进行排序，去除飞点，并遍历排序后的数据，比较相邻两点的坐标，如果两点坐标极为接近(比如小于某个预设阈值)，则可以判断这两个点是重复的，优先保留来自测量叶盆轮廓数据或叶背轮廓数据的点，删除来自测量叶缘轮廓数据的点，这是考虑到叶盆、叶背决定了飞机叶片的整体形状；重复上一步，直到遍历完所有数据，即可得到不包含重复点的数据集，对其进行拟合(例如，采用最小二乘法进行拟合)，即可得到待测叶片各截面的轮廓曲线。
本发明实施例提供一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量装置，包括：
第一处理模块，用于将待测叶片各截面的轮廓曲线分为叶盆、叶背、前缘和后缘四个区域；
第二处理模块，用于在待测叶片的测量坐标系下，通过三坐标测量仪操控组合探头对所述各截面的轮廓曲线按照顺时针或逆时针方向进行分区域、顺序测量；
其中，所述组合探头包括水平探头及垂直探头；
所述水平探头用于测量叶盆区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶盆轮廓测量数据R1，以及测量叶背区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶背轮廓测量数据R2；
所述垂直探头用于测量后缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到后缘轮廓测量数据R3，以及用于测量前缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到前缘轮廓测量数据R4；
第三处理模块，用于对测量数据R1～R4进行拟合，得到待测叶片各截面的轮廓曲线。
本发明实施例提供一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量***，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如上述任一实施例所述的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量方法，其特征在于，包括：
S1，将待测叶片各截面的轮廓曲线分为叶盆、叶背、前缘和后缘四个区域；
S2，在待测叶片的测量坐标系下，通过三坐标测量仪操控组合探头对所述各截面的轮廓曲线按照顺时针或逆时针方向进行分区域、顺序测量；
其中，所述组合探头包括相互连接的水平探头及垂直探头；
所述水平探头用于测量叶盆区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶盆轮廓测量数据R1，以及测量叶背区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶背轮廓测量数据R2；
所述垂直探头用于测量后缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到后缘轮廓测量数据R3，以及用于测量前缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到前缘轮廓测量数据R4；
S3，对测量数据R1～R4进行拟合，得到待测叶片各截面的轮廓曲线，最终得到待测叶片的型面轮廓；
步骤S3中，所述对测量数据R1～R4进行拟合之前，还包括：
1)将测量数据按照测量顺序进行排序；
2)判断是否有任意两点之间的距离小于预设阈值，若是，则仅保留所述两点之中来自R1或R2的数据点，返回步骤1)，若否，则结束。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个互相垂直的探头均为直径为2mm的圆形探头。
3.如权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，所述待测叶片的测量坐标系的建立过程为：
将待测叶片的三维模型导入三坐标测量仪，通过三坐标测量仪操控组合探头依次接触虚拟叶片表面的多个定位点，并基于六点迭代法建立所述待测叶片的测量坐标系。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在叶片根部选取四个点、叶盆选取一个点、叶片顶端选取一个点分别作为定位点。
5.一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量装置，其特征在于，包括：
第一处理模块，用于将待测叶片各截面的轮廓曲线分为叶盆、叶背、前缘和后缘四个区域；
第二处理模块，用于在待测叶片的测量坐标系下，通过三坐标测量仪操控组合探头对所述各截面的轮廓曲线按照顺时针或逆时针方向进行分区域、顺序测量；
其中，所述组合探头包括水平探头及垂直探头；
所述水平探头用于测量叶盆区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶盆轮廓测量数据R1，以及测量叶背区域及与其相邻的部分前、后缘区域，得到叶背轮廓测量数据R2；
所述垂直探头用于测量后缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到后缘轮廓测量数据R3，以及用于测量前缘区域及与其相邻的部分叶盆、叶背区域，得到前缘轮廓测量数据R4；
第三处理模块，用于对测量数据R1～R4进行拟合，得到待测叶片各截面的截面轮廓曲线;
所述对测量数据R1～R4进行拟合之前，还包括：
1)将测量数据按照测量顺序进行排序；
2)判断是否有任意两点之间的距离小于预设阈值，若是，则仅保留所述两点之中来自R1或R2的数据点，返回步骤1)，若否，则结束。
6.一种基于三坐标测量的航空发动机叶片型面轮廓测量***，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
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| CN117346722A (zh) | 2024-01-05 |
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