一種航空發動機整體葉盤在線檢測新技術-配件附件網-數控機床市場網（wǎng）

您現在的位置：配件附件網> 技術前沿>一種航空發動機整體葉盤在線檢測新技術

一種航空發（fā）動（dòng）機整體葉盤在線檢測新技術

2014-3-18 來源：數控機床（chuáng）市場網（wǎng）作者：黃進汪洋馬孜劉濱（bīn）春

摘要: 為了（le）解決航空發動機整體葉盤（pán）的在線檢測問題, 提出了一（yī）種工業機器人整體葉盤在線檢測係統. 該係統以工業機器（qì）人為（wéi）主執行器, 攜帶具有通信功能的電子杠杆表采集檢（jiǎn）測數據. 整體葉盤被裝卡在外部旋轉軸上, 通過旋轉定位實現整（zhěng）體葉盤（pán）各個盤葉的（de）檢測（cè）. 係統工（gōng）作前需要對機器人（rén）、電子（zǐ）杠杆表以（yǐ）及外（wài）部（bù）旋轉（zhuǎn）軸的空間位置關（guān）係進行標定, 並通過空間坐標係轉換實現整體葉盤（pán）檢測數據的還原. 實驗結果表（biǎo）明: 該係統能夠對整體葉盤的（de）各項參數實現在線檢測,整體檢測精度達到 ? 0?05mm. 與傳統整體葉盤檢（jiǎn）測方法相比較, 在保證精度的前提下, 該係統工作更為柔性高效, 並且更加適合加工現場的在線檢測要求.

關鍵詞: 航空發動機整體葉盤; 機器（qì）人; 檢測

整體葉盤是現代航空引擎比較新的結構主（zhǔ）件, 對提高飛機發動機的（de）性能至關重（chóng）要. 然而, 由於整體葉盤型麵複（fù）雜檢測比較困難. 整體葉盤檢測的常規手（shǒu）段是利用三坐標（biāo）測量機攜帶接觸或非接觸測頭（tóu）在葉（yè）盤上進行逐點或逐線（xiàn）測量. 接觸測頭必需接觸到待測的每個點, 因此測量速度比較慢. 非接觸（chù）測（cè）頭的測量速度雖然較快, 但是對於剛加工後葉盤的光亮表麵則不（bú）能直接測量, 必須在葉盤表麵噴顯影劑後才能進一步檢（jiǎn）測. 這（zhè）樣的處（chù）理不但浪費時間, 還會將不均勻的噴塗誤差（chà）帶入測量, 而（ér）且不能實現在線測量. 因此, 需要更（gèng）柔（róu）性（xìng）的方案來解決以上問（wèn）題.隨著工業機器（qì）人精度和可靠性的提高, 將其用作為三維掃描和檢測的運動執行器成為可能. 電子杠杆（gǎn）表測（cè）量頭可以與工業機器人配合能夠（gòu）伸入整（zhěng）體葉盤工件的狹窄和較深盤葉間隙（xì）中進行測（cè）量.

測量數據和機器人位姿數據可以通過電子杠杆表和（hé）機器（qì）人的數據通信串口傳入上位計算機實現連續測量. 這種測量方式可以對整體葉盤的所有位置進行檢測.

1 係統（tǒng）運動模型

1 . 1 係統坐標係定義

如圖 1所示, 係統包括一個六自由度機（jī）器人, 在其（qí）手腕法蘭上固定（dìng）一個電子杠杆表. 整體葉盤固定在一旋轉（zhuǎn）工作台上.

在測量空間上定義 5個坐（zuò）標係, 分別為: 基礎坐標係 {B}, 位於（yú）機器人底部旋轉中心; 手腕坐標係{W}, 位於機器（qì）人運動終端的法蘭中心; 工具坐標係 {T}, 位於杠杆表轉軸處; 坐標係 {0}, 位於轉台工（gōng）作麵; 坐標係 {1}, 位於待測整體葉盤基準（zhǔn）麵（miàn）.

1 . 2 杠杆（gǎn）表標定

圖 2顯示了杠杆表坐標係的定義. 工具坐標係 {T}中的 ZT 軸與轉軸同軸; 原點 OT在表杆延伸軸（zhóu）線與ZT 軸的交點處; XT軸與（yǔ）杠杆表底基準麵平行. 杠杆表一般用於（yú）測量表麵微小的（de）相對變化, 應用時隻關注表杆與測量麵的（de）夾角. 如果夾（jiá）角大於 10 , 為避免（miǎn）誤差（chà）太大則測量（liàng）數據必需乘上修正係數. 而其（qí）他因素, 如ZPT, YPT一般不用考慮. 然而, 在這個（gè）應用中杠杆表的位姿隨著機器人的手腕不斷變化. 因此初始（shǐ）坐（zuò）標（biāo）值PT0(XPT0, YPT0, ZPT0)必需要精確（què）地標定出來. 在工具坐標係 {T}中 PT(XPT, YPT, ZPT)可（kě）以表示為

式中, L 為杠杆表觸測球頭中心到原點的長度; v 為杠（gàng）杆表的讀數; α為表（biǎo）杆與被測量麵的夾角; Δθ為表杆（gǎn）繞 ZT旋（xuán）轉的角度.

1 . 3 腕到工具坐標係的標定（dìng）

為（wéi）了將（jiāng）測量數據轉換到基座標係下, 首先需要將杠杆表所在的工具（jù）坐標係 {T}下獲得的數據轉換到腕坐標係 {W}下; 然後根據腕坐標係（xì） {W}相對於（yú）基座標係 {B}的位姿（zī）變換將測量數據轉換到極（jí）坐標係下.係統的聯合變換可以表述為

式中, PB (XBYBZB )表（biǎo）示 {B }坐標係下任意一點;BwR 代表從腕係 {W}到基係 {B}的旋轉變（biàn）換矩陣; TW B為在基係 {B}下腕係 {W}原點的平移向量;WTR 為從工具係 {T}到腕係 {W }間旋轉變換矩陣; TWT在腕係 {W}下工具係 {T}原點的平移向（xiàng）量. 利用最小二（èr）程法或其他（tā）的優化算法可（kě）以獲得（dé）更好（hǎo）的標定結果.

1 . 4 基坐標係到工作台坐標係的標定

此標定的主要目的是確定基係 {B}到（dào）工作台坐標係 {0}的（de）轉換關係. 標定過程需要將一個標準（zhǔn）球固定在工作台上, 並隨工作台（tái）按標定程序旋轉. 測量機器人在均勻對稱位置采（cǎi）集數據, 並利用式 ( 4)計算出相對於基係的采樣點數據. 球心點 ( xi, yi, zi)的運動軌跡（jì）在同一圓周上（shàng）. 旋轉軸向量 V0可以由下式計算（suàn）:

式中, Orf為采樣點的平均值, 可以作為參考坐標係 {R}的原點（diǎn）,

圓軌跡（jì）上的點可以通過下式將（jiāng）基係 {B}的值轉換到旋轉工作台係 {0}:

由（yóu）於在 P0i的所有的點都基（jī）本在同一平麵上, Z0i可（kě）以看作 0 , 並（bìng）在轉換後忽略, 隻關心 (x0i, y0i). 可以利用（yòng）最小二乘圓算（suàn）法來確定圓（yuán）心坐標 (A, B). 這個圓心（xīn）坐標代表（biǎo） {R}係的原點, 用以下算式計算出其在（zài）基係 {B}下（xià）的（de）值:

經過以上的標定計算, 在 {B}係下的 {0}係（xì）原點可以計算出來, 其傳遞矩陣為

整體葉盤用卡具固定在旋轉工作台上, 其（qí）基麵與旋轉工作台平行, 距離 z01可以（yǐ）直接測量, 其中心與工（gōng）作台旋（xuán）轉軸同軸. 整體葉盤所在坐標係 {1}相對於 {0}係（xì）的傳遞矩陣為

如果測量值 PT和工作台轉角 ? 1已（yǐ）知, 則（zé）可以通過以下算式計算出葉盤的整體數據:

2 試驗結果（guǒ）

實驗係統如圖 3所（suǒ）示（shì）, 包（bāo）括一台 M otom an HP3機器（qì）人, 一個SYLVAC電子杠杆表 (量程 13mm, 分（fèn）辨率 0.001mm ), 一台外部旋轉（zhuǎn）工作台和一件整體葉盤.

實驗步驟如下:

① 標定（dìng）電子杠杆表.

② 標定腕係 {W}到工（gōng）具係（xì） {T}間的傳遞矩陣（zhèn）. 獲得（dé）的標定結果為

③ 標定基係 {B }到旋轉工作台係件的傳遞（dì）矩陣. 獲得的標定結果為

④ 固定整體葉盤到卡具上. 測量整體葉盤基麵（miàn）到旋轉工作台 {0}係原點的距離確定矩陣 {1}相對於（yú）矩陣 {0}的傳遞矩陣為

式中, n 為葉（yè）盤序號.

⑤ 移動杠杆（gǎn）表到起始測量位置, 按測量順序要求進行測量, 用式 ( 11)計算葉盤相對於坐標（biāo）係 { 1}的數（shù）值, 直至（zhì）完成本葉片的（de）測量.

⑥ 旋轉工作台到下一葉片.

⑦ 回（huí）到步驟? 直至完成所有葉片的測量.

⑧ 利用球頭補（bǔ）償算法補償測（cè）量數據（jù）獲得最終測量結果.

圖（tú） 4顯示（shì）了在一個（gè）葉片上測量的 3條測量輪廓線, 用標準塊對係統（tǒng）的測量精度進行（háng）了驗證, 結果表明平均誤差為 0.05mm.

3 結語

本文主要（yào）就整個係統運動模型的建立, 杠杆表工（gōng）具（jù）坐標係模型建立和標定, 工具坐標係與機器人手腕坐標係的標定以及機器人基坐標係與工（gōng）作（zuò）轉台坐標係的標定問題（tí）進行了探討, 建立了原型機實驗係統, 並（bìng）獲得了比較滿意的實驗數據, 從而驗證了此新方法的有效性.

實驗表明該係統雖然能夠在現有條件下完（wán）成整體葉盤的在線檢測, 但要想達到實用水平還需要進一步提高係統各硬件（jiàn）設備的精度. 未來的進一步工作主要集中在如（rú）何使係統更加實用可靠, 硬件升級以進一步提高係統的測量精（jīng）度, 完善軟件功能以適應整體葉盤加（jiā）工在（zài）線檢測實（shí）際需求.

投稿箱：
如果您有機（jī）床（chuáng）行業、企（qǐ）業相關新聞稿件發表，或進行（háng）資訊合作，歡迎聯係本網（wǎng）編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推（tuī）薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多