（机械设计及理论专业论文）叶片型面激光测量系统规划及仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着电力工业的飞速发展，汽轮机、水轮机、燃气轮机等电力设备的需求不断增长，质 量要求日益严格。叶片作为上述设备中的关键零件，其型面形状误差对二次流损耗有较大的 影响，这正是叶片型面的测量一直受到人们关注的原因。 叶片型面造型复杂，描述参数众多，从叶顶到叶根每个截面的型线都不相同，所以叶片 型面测量比较困难。目前对于自由曲面的检测，高精度接触式三坐标测量机( c m m ) 在实际 使用中较为普遍，但是其对检测环境要求十分苛刻，且逐点检测效率低。而非接触式激光测 量以其自身的快速高效等优势己成为自由曲面检测技术的一个重要发展方向。但是，激光检 测也存在着问题，特别是会出现测点丢失，这直接影响测量数据的处理及测量数据的精度， 因此有必要对测量系统进行规划，避免这个问题的发生。 在研究分析测量系统精度影响因素的基础上，本文确定了以测量倾角、测量距离为测量 规划的约束条件，针对已知叶片型面c a d 模型，提出了新的测量方法一联动测量，避免测 点丢失的发生，从而达到提高检测精度的目的。 本文详细介绍了基于u g 的叶片型面激光测量系统仿真软件的开发，并对开发出的软件 进行了验证，主要包括以下内容：( 1 ) 叶片型面激光测量系统的分析与规划；( 2 ) 基于u g 的叶片型面激光联动测量的实现；( 3 ) 使用v c + + 6 0 、u g o p e na p i 以及u i s t y l e r 联合开 发，完成了叶片型面激光测量的仿真。 关键词：叶片型面、激光测量、规划、u g 、仿真 i v a b s t r a c 下 a b s t r a c t n o w a d a y s ，e l e c t r i c i t yi n d u s t r y i s d e v e l o p i n gr a p i d l y , t h e d e m a n do fd y n a m o e q u i p m e n t s ，s u c ha ss t e a mt u r b i n e s 。w a t e rt u r b i n e s ，g a st u r b i n e sa n ds oo n ，i si n c r e a s i n g d a ya f t e rd a y , s oi t i si m p o d a n tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fd y n a m o e q u i p m e n t s a sak e yp a r t o ft h o s ee q u i p m e n t s ，s h a p ee r r o ro fb l a d e s s u r f a c eh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h ef l o w c u r r e n tl o s ta n dt h a t sw h yw ef o c u so ni t b i a d e sa r es o m ef r e ef o r ms u r f a c e sw i t hm a n y p a r a m e t e r sa n dc o m p o u n dc o n f i g u r a t i o n s t h ew a d e ss u r f a c e s c o n t o u r sd i f f e rf r o mb o t t o mt ot o pa te a c hs e c t i o n ，s ot h e s u r f a c e si n s p e c t i o ni sv e r yd i f f i c u l t a tp r e s e n t ，c o n t a c tm e a s u r e m e n t c m m ( c o o r d i n a t e m e a s u n n gm a c h i n e ) i sah i g hp r e c i s i o nm a c h i n ea n dh a sb e e nw i d e l yu s e d b u tw h e n m e a s u r i n gs o m ef r e ef o r ms u r f a c e s ，f o re x a m p l e ，ab l a d e ss u r f a c e ，c m mw i t ih a v e 眦i e e f f i c i e n c yb e c a u s ei t sm e a s u r i n gm e t h o di si n s p e c t i n gp o i n t so n eb yo n e n o w a d a y s ，n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t - l a s e rs c a n n i n gm a c h i n ei sd e v e l o p i n gr a p i d t y i th a sm o r ee f f i c i e n c y e s p e c i a l l yw h e nm e a s u n n gaf r e ef o r ms u r f a c eo rap a r tt h a tn e e d sb i gm e a s u r i n gd a t a h o w e v e r , i t sp r e c i s i o ni sn o tv e r yh i g ha n di th a sm a n yf a c t o r st h a ti n f l u e n c ei n s p e c t i o n p r e c i s i o n ，a m o n gw h i c ht h ep r o f i l eo fap a r ti sv e r yi m p o r t a n t w h a t sm o r e p r e s e n tl a s e r s c a n n i n gh a sa l m o s tn op l a n n i n gt h a tc a u s eo v e r l a p p e dd a t aa n dl o wp r e c i s i o n a f t e rr e f e r r i n gt os o m er e s e a r c h e sa b o u tp r e c i s i o na n a l y s i s t h i st h e s i sc o m e st o c o n c l u s i o n ：t h ep r o f i l eo faf r e ef o r ms u r f a c ei sv e r yi m p o r t a n tt ol a s e rs c a n n i n g s ot h i s t h e s i sh a st h ev i e wa n g l ea n di n s p e c t i o nd i s t a n c ea sc o n s t r a i n t s ，a n da l s ob a s e do na k n o w nc a dm o d e li tc o m e su dw i t han e wi n s p e c t i o nm e t h o d c o o r d i n a t ei n s p e c t i o n t h i s n e wm e t h o dc a na v o i dt h em e a s u r i n gp o i n t sl o s sa n dg e ta h i g hp r e c i s o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fb l a d ei n s p e c t i n gs y s t e mb a s e do nu ga s w e l la sp r e s e n t sa p p l i c a t i o ne x a m p l e si nd e t a i l i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： a n a l y s i sa n dp l a n n i n go fb l a d es u r f a c e sl a s e r - s c a n n i n gs y s t e m ； r e a l i z a t i o no fc o o r d i n a t ei n s p e c t i o n0 nt h eb l a d es u r f a c e sl a s e r - s c a n n i n gs y s t e m ； i n t e r f a c ed e s i g nb a s e do nv c + + 6 0 u g o p e na p ia n du l s t y l e r k e y w o r d s ：b l a d e l ss u r f a c e 。l a s e r s c a n n i n g ，p l a n n i n g ，u g ，s i m u l a t i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 签名：亚塑碰日期：驯年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南 大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅 和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：覃鲜导师签名： 釜塑鸷 日期：加6 年6 月嘭日 第一章绪论 第一章绪论 叶片是电站的动力之源，也被称为“电站之芯”，它体现着一个国家制造业中冶金材料、 加工装备、动力设计与工艺技术的综合水平。作为汽轮机、水轮机、燃气轮机等发电设备中 的关键核心零件，叶片承担着将蒸汽的热能转化为机械能的重要任务。而叶片型面的几何外 形作为其质量的一个非常重要的指标，直接影响着汽轮机的能量转化效率。若叶片型面的几 何外形质量高，使能量转化效率提高一个百分点，将会给我们带来巨大和长远的效益。这正 是叶片型面检测一直受到人们关注的原因。 1 1 叶片加工工艺流程概况 本世纪初，国内多数叶片加工企业还处于技术转型期，即从传统的加工工艺到五轴数控 加工过渡，从手工抛磨到数控砂带磨削过渡。叶片加工工艺在向着高效率、高精度的方向发 展。 以某叶片厂为例，该厂1 9 8 1 年起引进美国西屋电气公司的电站叶片制造工艺和技术装 备，经过二十多年的努力，通过对引进技术的优化和设备基建的改造，扩大了生产规模，提 高了产品的市场占有率，大叶片国内市场已覆盖8 0 以上，1 0 万千瓦以上机组后二级大叶片 已1 0 0 覆盖。进入2 1 世纪，先后引进了四轴、五轴联动叶片加工中心以及大型龙门式三坐 标测量机，目前己具备了五轴联动数控加工叶片的能力。叶片的生产流程也得到了进一步的 改善，如图1 1 所示。叶片从坯料到成品基本上要经历下面一系列工艺过程：锻造毛坯、磨 削叶根、铣削叶身、型面抛光、检验入库。 毛坯的锻造大多数依据各自厂家的加工能力留足加工余量，余量的大小还需视具体的叶 片形状和大小而定，最基本的原则是满足形状要求的情况下余量尽量小。锻造出的毛坯需要 浇注方箱，目的是使后续加工的装央方便。 叶根是整个叶身的加工基准，因此叶根的加工精度要求很高。常见的加工方法是先在普 通的铣床上粗铣叶根，然后在叶根专用强力磨床上精磨以保证精度要求，最后还要在三坐标 测量机上检验叶根形状是否符合图纸要求。 叶身的加工根据厂家各自的加工条件有很多种工艺可供选择，比如采用仿型加工、普通 车铣加工、三轴或四轴数控机床，但是效率和精度最高的还是五轴联动数控加工。对图纸给 定的叶片形状，在高级三维软件罩生成c a d 模型，并使用c a m 模块仿真加工得出刀位位置 文件，对刀位文件进行后置处理可直接生成加工中心所需的n c 程序。 为满足粗糙度要求，经数控铣削加工后的叶身必须进行表面抛光处理。国内常见的叶片 抛光方法大多还是采用砂轮或者砂带手工打磨，使用样板作为测量工具，工人的劳动环境比 较恶劣，而且劳动强度高，效率低。 最后还要检验型面的粗糙度是否满足要求，在切削力的作用下叶片型面是否产生了扭曲 等等，并对叶片型面作适当的光洁处理，然后检验合格后入库。 江南大学硕士学位论文 否 锻造毛坯 加工叶根( 铣床， 叶根强力磨床) 叶根截面形状 检测( c m m ) 符合要求 7 是l 型面机加工 ( 五轴数控铣床) 截画检测( c m m ) 图1 1叶片加工工艺流程图 1 2 叶片型面检测技术概况 叶片型面检测是叶片加工流程中十分重要的一个环节，这是叶片型面质量合格与否的重 要保证。本节就叶片型面的检测特点和检测方法展开论述。 1 2 1 叶片型面检测特点 叶片型面的检测般是通过对叶片沿轴线方向等间距分布的若干截面的型线检测来进 行。如图1 2 所示为典型叶片型面上的等间距截面型线。 2 第一章绪论 叶片型面作为一种自由复杂曲面，其叶型非常复杂，描述的参数众多，从叶顶到叶根每 个截面的型线都不相同，而且差别较大。叶型的测量相对于那些用一、二个参数即可描述的 普通零件，如圆柱、圆锥等工件的形状测量要复杂得多。 1 2 _ 2 叶片型面检测方法 图1 - 2 典型的叶片型线 线 叶片型面的测量，目前已有不少测量方法，每种测量方法都有各自的特点，但也都存在 着各自难以克服的缺陷。主要方法有： ( 1 ) 标准样模法 标准样模法是目f | 国内外叶片生产现场主要采用的叶型测量方法【1 】。图1 3 ( a ) 是典型 的标准样模形状。标准样板是根据叶片的理论型线设计制造的与叶型线截面对应的母模量具。 实际测量时，将标准样模与实际叶片零件对应截面靠近，借助于照明灯光，根据样模与零件 之间的透光量的大小，估计对应型线的大小。图1 3 ( b ) 示意了这种方法的测量原理。 标准样模法是一种定性测量方法，它只能凭经验定性检测零件合格与否，无法给出实际 误差的大小。该种检测方法，受工人熟练程度、人为主观判断等不可控因素的影响很大，给 检测结果也带来了不稳定性，其精度不高，一般在0 5 m m 左右。更精确地测量，则需要借助 于塞尺，如锥尺、标准线径的细铜丝等进行测量，而且由于叶片的每一截面的型线都不完全 相同，因此对于同一叶片需要测量多少个截面就需要多少副对应的专用模板测量。所以，这 种测量方法的实际使用并不方便。 当然，这种测量方法也有其优点：操作简单、使用方便，而且是全型线测量，测量结果 可靠，适于快速测量和定性判别。这也j 下是该种测量方法被普遍使用和接受的原因。目前， 国外较先进的叶片生产单位，如美国的w e s t i n g h o u s e 公司，德国的s i e m e n s 公司，奥地利 的v e w 公司，日本的开特金属工业株式会社等，也仍使用这种方法作为叶型测量的方法之 3 江南大学硕士学位论文 撇懿 杪 ： 样板b ( a ) ( b ) 图1 - 3 样板及标准样模法测量原理 ( 2 ) 大型投影仪测量法 大型投影仪大多采用宽束准直平行光投影，比较适合标准样模这类平面工件或等截零件 的投影测量。对于扭曲叶片截面型线的投影也就无能为力了。不过，无锡叶片厂引进的台 意大利m l c r o t e c n i c a 公司的c y c l o p 一1 型投影仪，则具备了对扭曲叶片投影测量的功 能。这种投影仪除了具备一般投影仪的所有功能外，另带一套f p - 3 0 0 光学成像镜头和相应 的窄线光源照明附件，可以对叶片任意截面型线成像投影。图1 4 为m i c r o t e c n i c a 公司 给出工作原理图，上下两组处于同平面内的线光源分别照射在工件某截面的上、下表面上并 产生散射，f p - 3 0 0 镜头组对这些散射光成像，并在投影屏上显示该截面的轮廓投影像。通过 移动投影和设置相对坐标原点，可以在仪器的2 块数显表头上读出影像任一点的坐标。 二= 二二了 一乏至三二一 1 r - 、 f j 、 、 ， ( 。j 。_ 。+ 一 j 投影屏 叶片影像 图1 4 投影测量原理 投影法用于对叶型的定性测量还是可取的，若是用于叶型的定量测量，测量效率并不比 三坐标测量机高。这种方法的另一缺点是对工件的安装比较麻烦，要求使用环境比较干净。 ( 3 ) 叶片自动绘图测量法 图1 5 为美国p r a t t & w h i t n e y 公司设计的一种机械式截面型线测绘仪器的测绘原理图。 4 第一章绪论 该仪器主要由用于安装被测叶片的转盘1 ，用于安装绘图纸的托盘2 ，测轮3 ，测杆4 ，绘图 笔臂5 ，钢带6 ，步进电机7 和转盘8 组成。测量时，工件叶片接电源的地线。测轮、测杆 和绘图笔臂固定连接，在步进电机7 的驱动下，可绕转盘8 转动，使测轮和工件之间保持一 相对固定的高压放电间隙。转盘1 和转盘2 在另一电机的驱动下作完全同步的转动。测轮对 工件作非接触扫描测量，其间的间隙由高压放电电流探测。随着测轮对工件的扫描，笔臂终 端的绘图笔即可在固定于转盘2 上的图纸上，绘出叶片型线的实际轮廓的放大图。 目前，一些叶片厂就使用该仪器测量精锻叶型。这种仪器的绘图精度为0 1m m ，选用不 同的放大比即可获得不同的测量精度。由于仪器的体积很庞大，使用不如样模法方便，使得 它的应用受到了一定的限制。 绘图纸 ， 图1 5 叶片绘图仪测量原理 ( 4 ) 电感传感器分组 这是一种不完全轮廓测量法。其测量原理是：将叶片分成若干个待测截面，每个截面对 应于一组电感器，每组又由若干个电感传感器组成，每个传感器对应于待测截面上的一个点。 用两个发光二极管指示该点处误差是否超差或正、负超差。测量之前，先向仪器输入允许的 正、负公差值，并用一已知差( 由三坐标机测得) 的标准叶片对传感器校零。西安红旗机械 厂曾用这种方法对飞机叶片进行成批检测。这确实是一种可以用于加工现场的快速批量检测 方法，但由于是非完全轮廓定性检测，使得： 1 ) 测量结果不十分可靠，有误判的可能。 2 ) 纯定性的检测，测量结果对不合格工件的修正无任何参考价值，所以此方法的推广 应用受到限制。 ( 5 ) 三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，简称c m m ) 三坐标测量机是一种高精度的通用测量设备。自上世纪5 0 年代诞生第一台坐标测量机以 来，经过几十年的发展，坐标测量技术已同趋成熟，测量精度得到极大提高，测量软件功能 更加强大，操作界面也f 1 益完善。三坐标机的出现，对复杂零件的各种几何量测量带来巨大 的影响，很多种几何量包括叶型的测量都可以用三坐标机实现。目前，对标准叶型的测量和 对未知设计参数的叶片的测绘，一般都采用三坐标机进行。由于三坐标机是一种通用的点测 量设备，对曲线和曲面的测量显得效率比较低。 5 0纠坦、耍。 江南大学硕士学位论文 图1 6 叶片c m m 测量示意图 目前对于叶片的测量目前还主要是采用三坐标测量机( c m m ) 来测量的。使用三坐标测 量机分截面测量叶片，精度高，结果可以文本或者i g s 文件的方式输出，方便处理。c m m 的工作台通常都是固定的大理石板，小叶片可直接竖立在工作台上，一次装夹便可完成测量； 大叶片( 1 m 左右) 由于型面扭曲致使重心偏离轴心，无法竖直放置，一般是在工作台上再增 加两个v 型块，叶片支在两v 型块上( 如图1 - 6 ) ，由于c m m 的探针旋转角度有限，必须经 过两次定位才能完成测量，但是这样增加了系统误差。c m m 缺点是比较笨重，受环境影响明 显，只适合实验室使用，且效率低，测量一片中等大小的5 0 5 叶片，仍需要以小时计算时间， 目前多数还是用作抽样检验。 ( 6 ) 激光扫描测量 图1 7 是典型的激光三角法测距光路，基本原理是激光三角法原理。 假设当物体位于参考面d 时，光 斑成像于p s d 中心位置f 处，被测 面与参考面相距y 时，光斑像点在 p s d 上的位移为z ，工：肛，y 与i 的关系由下式给出： v ； ! ! 兰竺生 ( 1 1 ) 。 饥s i n 口x s i n ( a + 卢) 当被测物位于参考面的上方时取 加号，位于参考面的下方时取减号。 参数含义，如图1 7 所示。 1 7 激光三角测距典型光路图 当进行叶片型面测量时，将叶片置于三坐标测量空问中，通过激光测头扫描即可获得被 测物体上各测点的空间坐标位置，根据这些点的空间坐标值，计算求出被测物体的几何尺寸， 形状和位置。 该系统主要由激光源、会聚透镜、成像透镜、探测器( 主要是p s d 或g c d ) 及信号处 理控制器等组成。光源发出的光经过会聚透镜投射到被测物体表面，其漫反射光经过成像透 6 第一章绪论 镜形成光斑成像在光电检测器件( p s d ) 上。该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表 面之间的距离决定。被测物体表面的位移改变引起光敏元件上成像光点产生位移，而光电检 测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关，通过对光电检测器件输出的电信号进行运算处 理就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。 近年来随着光学测量技术的发展，非接触式的光学测量也越来越备受人们关注，其中尤 其是激光扫描测量也越来越备受关注。激光线光源测量相比较接触式测量具有如下优点： 非接触测量，无测量力，可用于薄壁件、软质零件、数据量要求大零件的检测，且可 用于测量各种柔软的和易变形的物体，也用作逆向工程。 可以快速对物体进行扫描测量，测量速度和采样频率较高，每秒可测几百至几千点。 不必进行测头半径的补偿。 具有大的量程，如1 0 毫米乃至数1 0 毫米，这是一般接触测头难以达到的闭。 激光线光源测量相比较接触式c m m 测量精度要低些，但是更高效快速。更为重要的是， 激光测量本身所具有的非接触性使得其具备了更高的测量柔性，对于某些零件的某些用接触 式c m m 无法触及的点，采用激光测量则能容易地实现。因此，对于自由复杂曲面的测量， 激光测量明显有着其他测量方式所不具有的优势，这使其在叶片型面检测方面极富应用潜力。 1 3 1 课题背景 1 3 本文研究内容 目前，随着汽轮机、水轮机、燃气轮机等的不断改进发展，叶片的叶型、大小也不断改 进及发展，叶片品种日益繁多，产量也很大。以某叶片厂2 0 0 4 年统计的结果，其叶片品种 有1 7 2 种，叶片总数量1 4 万片。在此情况下，就对叶片加工的效率提出了更高的要求，同 时也就需要更高的检测效率。因此，在叶片客户化定制、大批量生产、精度要求日益提高的 情况下，缺乏测量柔性且只能作定性分析的标准样模法、对环境及操作技能要求苛刻的c m m 法等就不能很好的适应上述需求了，检测成了目前叶片加工生产的一个日益突出的瓶颈问题。 因此，展开对叶片型面激光测量技术的研究具有实际意义，且激光测量以其自身所具有 的优势必将成为叶片型面测量的发展趋势。 1 3 2 相关理论研究 对于复杂轮廓外形或自由曲面类零件的激光测量技术，国内外很多专家学者针已展丌了 不少测量规划方面的研究。 测量规划所涉及的内容主要有：测点的分布、测点的可测性及测量完整性。 ( 1 ) 测点的分布 测点的分布，就是在测量时需要测量得到一定量的测点，并且要使得这些测点有利于后 续的曲面重构。就这方面，国内很多学者从理论上展开了不少研究，不过这大都是针对点光 7 江南大学硕士学位论文 源激光测头展开的。主要有：未知c a d 模型的自由曲面的测点分布和已知c a d 模型的自由 曲面的测点分布。 对于未知c a d 模型的自由曲面，胡韶华等1 3 提出了一种点光源激光测头速度控制仿形跟 踪测量方法：即测量光点始终以恒定速度跟随曲面，并以此为合速度值，根据当前测头信息 分配测头运动各轴的分速度，使测头能够跟随曲面的变化自动调整其位置。 对于已知c a d 模型的自由曲面，李耀东等【4 】提出了基于c a d 模型的自由曲面检测方法， 提出了测点数量的确定需要考虑设计和加工的因素，对分布形式的方法( 如等参数法、等弦 长法) 作了概述；解则晓等网就激光点光源测头的扫描路径提出了规划方法，并要求测量所 得数据应该有序，以利于后续曲面重构；高国军等1 8 j l - r j 就点光源激光测头如何在保证检测质量 的前提下，有效确定检测点数量及分布、生成检测时间较少的检测路径等提出了思路和方法； 李剑等嘲、王平江等1 8 1 在测点的分布上做了研究，进行测点的自适应布置；来新刚1o 】则以曲面 上某一点处的主曲率的几何平均值为测度来对测点进行更具几何不变性的物理域上的规划， 并通过采用非线性规划方法来实现在给定采样精度下自适应地选取最少的采样点；为实现快 速高精度测量，吴晓峰l 1 】采用变扫描速度控制算法，将扫描轴的速度分为两档，以实现对于 被测曲面较平滑时速度快些，而被测曲面变化较大时测量扫描速度慢些。 ( 2 ) 可测性及测量完整性 测点的可测性，其主要原因是激光测头存在着一个可视角。当被测点在可视角范围之内 时，测点可测，否则不可测。而测量完整性，主要是对于整个被测曲面而占，使得其能够完 整被测。 就可测性方面，通过控制激光扫描方向，国外学者s p y r i d i 和r e q u i c h a 1 2 1 提出了一种 基于“可检测锥体区域( a c c e s s i b i l i t yc o n e ) ”来计算测点可测性的算法：u m 和m e n q 在 s p y r i d i 和r e q u i c h a 的研究基础之上，实现了一种可检测方向和路径生成的算法。 就测量完整性方面，g e r h a r d t 和h y u n 提出了最佳测量被测物方向时，需要考虑以下两 个方面的问题： a ) 在被测物的最佳测量方向进行测量( 关于传感器的方位) ； b ) 完整测量被测物所需要的次数。 近年来，国外的一些学者发展了关于激光扫描测量的规划( s c a n n i n gp l a n s ) 。首先 z u s s m a nu 3 l 提出了一种确定激光测头方位的算法，不过该算法只能用于曲面的二维轮廓， 不能用于扫描目标体的整个曲面。后来e l b e r 和z u s s m a n 发展了一种算法，该算法能计算 扫描次数，并采用表面细分的方法计算确定最佳扫描方向，在此他们仅考虑曲面法矢方向与 激光束的夹角，并以此来决定曲面上该点的可测性。f u n t o w i c z l l 4 结合前述两篇文章的方法发 展了一种算法，在该算法中，不需要调整工件，直接使用机械臂进行扫描工件表面轮廓外形 并得到测点数据，能扫描整个工件，但是所得点数据不能保持规则有序的线条纹模式，且这 些非有序的点数据不便于进行高质量的曲面重构。 总的来说，目前对己知c a d 模型的测量规划研究较多，而对未知c a d 模型的研究较少； 对测点的数量与分布相关理论研究较多，但是其实现方法的研究却几乎没有涉及。 8 第一章绪论 1 3 3 本文研究内容 根据叶片厂的实际需要和对叶片型面检测技术研究与发展状况的调研，本文将以自由曲 面类零件叶片型面作为研究对象，在其c a d 模型已知情况下，对叶片型面激光测量的规 划及其实现方法进行研究，着重对其实现方法确定了以下研究内容： ( 1 ) 叶片型面激光测量系统 根据叶片型面检测的特点，确定叶片型面激光测量系统及其构成，并提出了叶片型面测 量规划的关键技术。 ( 2 ) 激光测量系统误差分析与叶片型面测量规划 就目前叶片型面激光测量系统的进行误差分析，找到系统检测精度的影响因素，并分析 确定其中的可控影响因素，为其后的系统测量规划奠定基础。 叶片型面作为一种复杂自由曲面，检测过程往往由于不能满足约束而出现精度达不到预 期的情形，因此需要通过对检测过程进行规划以满足影响因素等约束条件。基于己知的叶片 型面c a d 模型，通过模型分析，有针对性的进行测量规划，从而确保并获得较高的测量精度。 ( 3 ) 叶片型面激光测量系统自动测量仿真研究 常用的c a d c a m 软件虽然具有了很强的集成性和比较完善的功能，如造型、分析仿真 加工等，但是还没有和检测集成起来，不具有测量仿真功能。目前的三坐标测量机在检测时 需采用配套专用的测量软件来进行测量程序的生成，由于检测策略( 检测方式) 的原因，不 能有效针对已知的c a d 模型来进行测量规划并生成相应的程序。 本文将在u g 中进行二次开发，实现u g 软件的激光测量仿真功能，并实现由已知c a d 模型即生成测量程序( 类似n c 加工程序) 。 1 3 4 本文完成的研究工作 根据上述研究内容，本论文完成了以下工作： ( 1 ) 针对叶片型面检测的特点，提出了叶片型面激光测量系统，分析比较了激光测量 的方式方法，并提出了目前存在的问题。 ( 2 ) 对叶片型面激光测量系统的分析，研究其测量精度的影响因素，从中分析了影响 其测量精度的可控因素与不可控因素，并确定了测量规划的约束条件。针对激光测量存在的 问题，提出了叶片型面测量的基本流程以及满足约束条件的新的测量方法一联动测量，并 对其关键技术作了理论研究：叶片型面的离散、型面分析文件的获取、测头位置文件的获取 等。 ( 3 ) 在u g 软件平台上丌发激光扫描测量仿真模块，对己知叶片型面c a d 模型进行 分析，通过测量规划获得测头位置数据文件，进行测头、叶片运动的模拟等。 9 江南大学硕士学位论文 第二章叶片型面激光测量系统 本章将在通过对现有的测量机分析基础之上，针对自由曲面类零件一叶片型面的检测， 提出叶片型面激光测量机及其测量系统，并将就激光测量系统的精度影响因素进行分析。从 而为后续的测量规划打好基础。 本章内容包括了激光扫描测量机概述、叶片型面激光测量系统、激光测量系统精度分析、 激光测量存在的问题及影响因素分析等。 2 1 激光扫描测量机概述 激光扫描测量机实质上也是非接触式c m m 的一种，只不过是为了和传统的点接触式 c m m 相区别而已，接触式c m m 配备的测头是接触式测头，而激光扫描测量机配备的是非接 触式激光测头。 ( 1 ) 结构形式分类 目前，全球生产三坐标测量机的厂家很多，其中以德国蔡司( z e i s s ) 、莱兹( l e i z e ) 、 瑞典海克斯康集团和r 本三丰为主，其他还有美国b r o w n & s h a r p e 、s h e f f i e l d 、f a r o 、 c i m c o r e 、英国的f e r r a n 廿( 现m s ) 、意大利d e a 、c o o r d 3 、日本的美能达等等。这 些c m m 品种繁多，其结构形式有关节式测量臂、悬臂式、水平臂式、龙门式、桥式、坐标 镗床、镗式、仪器台式等。不过归结起来，这些常用的结构形式按测量方式其实可以分为以 下三类： a 平动型 即具有三个相互垂直的平动轴激光测头则安装在其中一个轴上。该种结构由于只能对 于面对激光测头的一面进行测量，而背向测头的叶片型面的另一面需要通过旋转叶片来进行 测量。这就需要对工件进行调整方位并校准基准。 厂 。一l7 、一 测量距离一 f 1f 11 !： ii i卜r _ ， 反面1 一一一斗j 一 f 正面i 平动方向 一 m 1 | ，j 。 ，- 一 一j ，l 工件( 叶片) 激光发射器 图2 1 平动型测量方式示意图 如图2 1 所示的平动方式下，z 轴垂直x y 面。测量时，测头随着y 平动轴平动，且可 1 0 第二章叶片型面激光测量系统 以在z 向上平动。一般先确定好x 方向上激光发射器到被测物( 叶片) 表面的距离，定好y 方向上被测物的边界后，激光测头随y 平动轴进行测量。然后z 方向上给个增量z ，重复 y 轴方向的运动，直到完成某一个局部面( 正面) 的测量。然后，需要旋转叶片至另一个局 部面( 反面) 并重新找准位置进行测量，从而完成整个工件的测量。 b 旋转型 对于零件某一定高度上的点，通过测头或者零件的旋转运动而测量获得数据点。整个零 件的测量，则需要在高度方向上不断调整测头高度，从而获得整个零件的数据。 如图2 2 所示，z 轴垂直于x - y 面。在z 方向上某个位置时，测头不动，工件随着旋转 工作台旋转进行测量，从而得到z 方向上零件一周的测量数据。然后在z 方向上给测头位置 一个增量，继续工件旋转一周，得到z 方向上零件的一系列数据。如此测完整个z 向，则测 完整个工件。 工件( 叶片) 测量距离 弋 i )( 激光发射器 t 图2 - 2 旋转型测量方式示意图 c 自由臂式 自由臂式，即激光测头安装在在多自由度关节测量臂的末端。一般而言，由于这种自由 臂式是柔性测量，其自由度比较高，常见的有6 个自由度，其结构设计十分复杂，测量时由 操作者手持测头进行测量。该种测量方式测得的点是无序点，不利于后续的曲面重构。 ( 2 ) 工件装夹方式分类 按照工件装央定位的方式，可以分为卧式装夹与竖式装夹两种。 a 卧式装夹测量：即如第一章c m m 检测一样，不过这里的测头是激光测头。首先把工 件( 叶片) 支在工作台的两个v 型块上( 如图2 3 ) 。由于激光测头不能转动，不能测量工件 ( 叶片型面) 的背部数据，必须经过两次定位才能完成测量，这样不仅增加了定位误差，而 且测量数据还需后续拼接处理，增加了系统误差。 礼 江南大学硕士学位论文 图2 - 3 卧式装夹测量图 b 竖式装夹测量：如图2 - 4 所示，工件( 叶片) 可以固定在一个旋转工作台上，且可以 随工作台一起旋转，从而使得激光测头能测量到整个工件( 叶片) 。这种测量方法不需要重新 装夹定位，可一次完成，减少了系统误差，且测量数据不需要拼接处理，节省了人力。 t z 激光测头 + or 1 7 f “1 1 一l | u t 转台 ：鲁 兮。 陟刁 ， 0 图2 - 4 竖式装央测量图 ( 3 ) 扫描方式分类 按激光测头扫描运动的方式可以分为两种： a 径向( 截面线) 扫描：即激光测头扫描时是沿着工件( 叶片) 的径向扫描，获得若干 工件( 叶片型面) 截面线，如图2 3 和图2 4 都是径向扫描方式。该种方式所测的数据有利 于工件( 叶片型面) 截面线的拟合和曲面重构。 b 轴向扫描：即激光测头扫描时的运动方向平行于工件( 叶片) 的轴向，如图2 5 所示。 该种测量方式只考虑到工件( 叶片型面) 轴向的特征，而对于弯扭大的工件( 叶片) 容易产 生测量数据的无序性，使得所测数据曲面重构困难。 1 2 第二章叶片型面激光测量系统 2 2 1 叶片型面激光测量机 0 2 5 测头轴向扫描图 2 2 叶片型面激光测量系统 用于叶片型面检测的激光测量机，需要针对叶片型面的特点从结构形式、叶片装夹方式 以及扫描方式来考虑。 ( 1 ) 结构形式 从结构形式上考虑，叶片型面是一个复杂自由曲面，而叶片作为类似轴类零件，对于其 整个型面的测量，如采用平动型结构，测量过程不能一次完成，需要手动调整方位并校正基 准。如果采用旋转型结构，也容易造成测头碰触叶片且测量时会造成测点丢失。因此综合平 动型和旋转型机构的特点，在平动型机构的基础上，增加一个旋转工作台，如图2 - 4 所示， 从而可在旋转工作台上装夹叶片，在检测时只要使叶片随着工作台旋转就能调整叶片的姿态， 使得测量过程避免了手动调整方位和校正基准这一繁琐费力的过程，且这种机构在铣削加工 等机床上也容易见到，因此有很好的移植性，且该种结构形式简单，自由度为4 ，容易控制 实现。 此外，作为叶片型面激光测量机，它有着区别与其他激光测量机的地方，主要是其机构 大小，因为叶片作为一个长的轴类零件，一般其轴向长度较长，而其径向较短。因此，叶片 型面激光测量机不需要各个轴向运动等长，可以根据叶片的最大轴向尺寸及最大径向尺寸来 定其行程。 ( 2 ) 叶片装夹方式 装央方式的确定，很显然受到激光测量机结构方式的影响。如图2 4 所示时，叶片采用 竖式装央方式要比卧式装央方式有着优势，因为作为轴类零件的叶片，其轴向长径向短，如 果卧式装央，则会有弯曲，且装央困难，且完整测量时比较困难。因此，叶片装夹方式以竖 式装夹为好。 1 3 江南大学硕士学位论文 ( 3 ) 扫描方式 扫描方式的确定，主要考虑的是扫描后所得到的数据点云是否有利于曲面重构。显然， 截面线扫描方式便于曲面重构，因此，截面线扫描方式好。 2 2 2 叶片型面激光测量系统的构成 鉴于上述分析，本文将采用如图2 - 4 所示的时片型面激光测量机结构。该型测量机整个 机构具有三个平动自由度( ，y ，z ) 和一个转动自由度( e ) 。该系统机床结构部分由平动 x 轴、平动y 轴、平动z 轴和一个绕z 轴旋转的转动轴组成。叶片装夹时，采用竖式装夹方 式，扫描时则采用径向扫描方式。 整个激光测量系统如图2 6 所示，除了上述的测量机结构( 主机机械系统) 外，还包括 测头系统、硬件控制系统以及数据处理软件系统这几个部分。 + 7 激光测头 目j 1 计算刮 i 。p i 生 i a ， ， - j 出m 。寸 书、 专0 一f 旋转台 h ，l k每 ，一。：刁 x 夕司i 余。 lr 。鋈爹舀7 7 1 锄雠幡】：_ e 图2 6叶片型面激光测量系统图 ( 1 ) 测头系统 该系统的关键部件就是激光测头。激光测量属于非接触式的光学测量。光学测量根据测 量方法可以分为光纤法、双目立体视觉法、干涉法、离焦法、轴向位移转换法和三角法等， 目前应用最广泛的是三角法，因为三角法以其高分辨力、受环境电磁场影响小、工作距离大、 测量准确度高等特点而获得广泛应用。 激光三角法测头根据光源的不同，可以分为点光源测头、线光源测头以及面光源测头。 点光源测头就是以点光源作为入射光，激光接收器某一瞬时能采集到的是一个点。因此， 点光源激光测头就如同c m m 一样，逐点采集，其测量速度和效率较低，每秒可以数十至上 百个点，但单点精度很高，可达i o u r n 。 面光源测头采用的接收器是面阵c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，能同时采集的数据就 很多，每秒能采集到数千甚至上万个点，但是其检测精度很低。目前一般不能用作高精度的 逆向和检测。 线光源测头采用的接收器是线阵c c d ，它的采集能力、采集速度和测量精度介于点光源 1 4 第二章叶片型面激光测鼍系统 和面光源测头之间，其采集速度能达数千点每秒，测量精度能达2 0 u r n 。线光源测头是目前 应用最广泛的测头田。 对于叶片型面这类自由曲面的检测，测头选型可以从测量数据量和测量精度这两个主要 方面来考虑。 为兼顾测量效率和测量精度，本系统选用的是线光源激光测头。测头系统担负着数据信 息的采集与转换工作，是整个系统的关键部件。 ( 2 ) 硬件控制系统 该系统主要包括数字装置、伺服驱动和检测装置、可编程控制器等。在检测时，首先将 要检测的叶片型面c a d 模型的几何信息用规定的代码和格式编写成检测程序( 类似于n c 加 工程序) ，然后将检测程序输入数控装置，经过计算机的运算处理后，按各坐标轴的分量送到 相应的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电机，使各坐标移动若干个最小位移量，并进 行反馈控制，使各轴精确走到程序要求的位置，实现测头与叶片的相对运动，完成叶片型面 整个轮廓的检测。 ( 3 ) 数据处理软件系统( 测量软件) 数据处理软件系统一般有前处理部分和后处理部分。数据处理软件系统的前处理，即激 光测头路径生成软件，它能根据一定的策略生成相应的测头路径文件，用以在测量时控制激 光测头的运动，使其按照预定的路径轨迹运行。测量软件应能根据测量条件，如被测物的c a d 模型是否已知及测量策略等来进行测量路径生成处理。而数据处理软件系统的后处理，即能 对于所测得的数据进行处理分析，如去噪、数据精简、线拟合、数据拼接、曲面重构和误差 分析等。 本文主要研究的是数据处理软件系统的前处理部分。 2 3 激光测量系统精度分析 作为激光测量系统，影响其测量精度的因素很多，主要有与激光测头有关的内外部影响 因素、与测量机有关的影响因素。本小节将就这些影响因素进行详细分析。 2 3 1 与测头有关的内部及外部因素 激光测量系统精度的影响因素很多，据相关研究【1 7 。矧表明，不仅有内部的也有外部的。 要提高激光测量系统的检测精度，就需要对系统的误差进行分析，再寻找相应的解决方法， 通过适当的规划来消除或减弱误差的影响。 ( 1 ) 与测头有关的内部因素 影响测量精度的传感器本体因素主要包括光学系统的象差、光点大小和形状、p s d 器件 固有的位置检测误差和分辨力、p s d 暗电流和外界杂散光的影响、p s d 检测电路的测量精 度和噪声、电路和光学系统的温度漂移等1 17 l 。 a 象差 1 5 江南大学硕士学位论文 光学系统的象差主要包括球差、慧差、象散、场曲、畸变，它们会使实际象点偏离理想 象点。这些误差主要靠制造工艺来消除或减小。 b 测量环境 环境温度变化会引起光学元件的特性变化和传感器外壳尺寸的伸缩。一般来说，光学元 件的特性随温度变化是非常小的，主要是检测机构外壳的胀缩，这种胀缩与所使用材