一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤在線檢測(cè)新技術(shù)
2014-3-18 來(lái)源：數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)網(wǎng) 作者：黃進(jìn) 汪洋 馬孜 劉濱春
摘要: 為了解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的在線檢測(cè)問(wèn)題, 提出了一種工業(yè)機(jī)器人整體葉盤在線檢測(cè)系統(tǒng). 該系統(tǒng)以工業(yè)機(jī)器人為主執(zhí)行器, 攜帶具有通信功能的電子杠桿表采集檢測(cè)數(shù)據(jù). 整體葉盤被裝卡在外部旋轉(zhuǎn)軸上, 通過(guò)旋轉(zhuǎn)定位實(shí)現(xiàn)整體葉盤各個(gè)盤葉的檢測(cè). 系統(tǒng)工作前需要對(duì)機(jī)器人、 電子杠桿表以及外部旋轉(zhuǎn)軸的空間位置關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定, 并通過(guò)空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)整體葉盤檢測(cè)數(shù)據(jù)的還原. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 該系統(tǒng)能夠?qū)φw葉盤的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè),整體檢測(cè)精度達(dá)到 ? 0?05mm. 與傳統(tǒng)整體葉盤檢測(cè)方法相比較, 在保證精度的前提下, 該系統(tǒng)工作更為柔性高效, 并且更加適合加工現(xiàn)場(chǎng)的在線檢測(cè)要求.
關(guān)鍵詞: 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤; 機(jī)器人; 檢測(cè)
整體葉盤是現(xiàn)代航空引擎比較新的結(jié)構(gòu)主件, 對(duì)提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能至關(guān)重要. 然而, 由于整體葉盤型面復(fù)雜檢測(cè)比較困難. 整體葉盤檢測(cè)的常規(guī)手段是利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)攜帶接觸或非接觸測(cè)頭在葉盤上進(jìn)行逐點(diǎn)或逐線測(cè)量. 接觸測(cè)頭必需接觸到待測(cè)的每個(gè)點(diǎn), 因此測(cè)量速度比較慢. 非接觸測(cè)頭的測(cè)量速度雖然較快, 但是對(duì)于剛加工后葉盤的光亮表面則不能直接測(cè)量, 必須在葉盤表面噴顯影劑后才能進(jìn)一步檢測(cè). 這樣的處理不但浪費(fèi)時(shí)間, 還會(huì)將不均勻的噴涂誤差帶入測(cè)量, 而且不能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量. 因此, 需要更柔性的方案來(lái)解決以上問(wèn)題.隨著工業(yè)機(jī)器人精度和可靠性的提高, 將其用作為三維掃描和檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器成為可能. 電子杠桿表測(cè)量頭可以與工業(yè)機(jī)器人配合能夠伸入整體葉盤工件的狹窄和較深盤葉間隙中進(jìn)行測(cè)量.
測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)可以通過(guò)電子杠桿表和機(jī)器人的數(shù)據(jù)通信串口傳入上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量. 這種測(cè)量方式可以對(duì)整體葉盤的所有位置進(jìn)行檢測(cè).
1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型
1 . 1 系統(tǒng)坐標(biāo)系定義
如圖 1所示, 系統(tǒng)包括一個(gè)六自由度機(jī)器人, 在其手腕法蘭上固定一個(gè)電子杠桿表. 整體葉盤固定在一旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上.
在測(cè)量空間上定義 5個(gè)坐標(biāo)系, 分別為: 基礎(chǔ)坐標(biāo)系 {B}, 位于機(jī)器人底部旋轉(zhuǎn)中心; 手腕坐標(biāo)系{W}, 位于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)終端的法蘭中心; 工具坐標(biāo)系 {T}, 位于杠桿表轉(zhuǎn)軸處; 坐標(biāo)系 {0}, 位于轉(zhuǎn)臺(tái)工作面; 坐標(biāo)系 {1}, 位于待測(cè)整體葉盤基準(zhǔn)面.
1 . 2 杠桿表標(biāo)定
圖 2顯示了杠桿表坐標(biāo)系的定義. 工具坐標(biāo)系 {T}中的 ZT 軸與轉(zhuǎn)軸同軸; 原點(diǎn) OT在表?xiàng)U延伸軸線與ZT 軸的交點(diǎn)處; XT軸與杠桿表底基準(zhǔn)面平行. 杠桿表一般用于測(cè)量表面微小的相對(duì)變化, 應(yīng)用時(shí)只關(guān)注表?xiàng)U與測(cè)量面的夾角. 如果夾角大于 10 , 為避免誤差太大則測(cè)量數(shù)據(jù)必需乘上修正系數(shù). 而其他因素, 如ZPT, YPT一般不用考慮. 然而, 在這個(gè)應(yīng)用中杠桿表的位姿隨著機(jī)器人的手腕不斷變化. 因此初始坐標(biāo)值PT0(XPT0, YPT0, ZPT0)必需要精確地標(biāo)定出來(lái). 在工具坐標(biāo)系 {T}中 PT(XPT, YPT, ZPT)可以表示為
式中, L 為杠桿表觸測(cè)球頭中心到原點(diǎn)的長(zhǎng)度; v 為杠桿表的讀數(shù); α為表?xiàng)U與被測(cè)量面的夾角; Δθ為表?xiàng)U繞 ZT旋轉(zhuǎn)的角度.
1 . 3 腕到工具坐標(biāo)系的標(biāo)定
為了將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到基座標(biāo)系下, 首先需要將杠桿表所在的工具坐標(biāo)系 {T}下獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到腕坐標(biāo)系 {W}下; 然后根據(jù)腕坐標(biāo)系 {W}相對(duì)于基座標(biāo)系 {B}的位姿變換將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系下.系統(tǒng)的聯(lián)合變換可以表述為
式中, PB (XBYBZB )表示 {B }坐標(biāo)系下任意一點(diǎn);BwR 代表從腕系 {W}到基系 {B}的旋轉(zhuǎn)變換矩陣; TW B為在基系 {B}下腕系 {W}原點(diǎn)的平移向量;WTR 為從工具系 {T}到腕系 {W }間旋轉(zhuǎn)變換矩陣; TWT在腕系 {W}下工具系 {T}原點(diǎn)的平移向量. 利用最小二程法或其他的優(yōu)化算法可以獲得更好的標(biāo)定結(jié)果.
1 . 4 基坐標(biāo)系到工作臺(tái)坐標(biāo)系的標(biāo)定
此標(biāo)定的主要目的是確定基系 {B}到工作臺(tái)坐標(biāo)系 {0}的轉(zhuǎn)換關(guān)系. 標(biāo)定過(guò)程需要將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球固定在工作臺(tái)上, 并隨工作臺(tái)按標(biāo)定程序旋轉(zhuǎn). 測(cè)量機(jī)器人在均勻?qū)ΨQ位置采集數(shù)據(jù), 并利用式 ( 4)計(jì)算出相對(duì)于基系的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù). 球心點(diǎn) ( xi, yi, zi)的運(yùn)動(dòng)軌跡在同一圓周上. 旋轉(zhuǎn)軸向量 V0可以由下式計(jì)算:
式中, Orf為采樣點(diǎn)的平均值, 可以作為參考坐標(biāo)系 {R}的原點(diǎn),
圓軌跡上的點(diǎn)可以通過(guò)下式將基系 {B}的值轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)系 {0}:
由于在 P0i的所有的點(diǎn)都基本在同一平面上, Z0i可以看作 0 , 并在轉(zhuǎn)換后忽略, 只關(guān)心 (x0i, y0i). 可以利用最小二乘圓算法來(lái)確定圓心坐標(biāo) (A, B). 這個(gè)圓心坐標(biāo)代表 {R}系的原點(diǎn), 用以下算式計(jì)算出其在基系 {B}下的值:
經(jīng)過(guò)以上的標(biāo)定計(jì)算, 在 {B}系下的 {0}系原點(diǎn)可以計(jì)算出來(lái), 其傳遞矩陣為
整體葉盤用卡具固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上, 其基面與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)平行, 距離 z01可以直接測(cè)量, 其中心與工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸同軸. 整體葉盤所在坐標(biāo)系 {1}相對(duì)于 {0}系的傳遞矩陣為
如果測(cè)量值 PT和工作臺(tái)轉(zhuǎn)角 ? 1已知, 則可以通過(guò)以下算式計(jì)算出葉盤的整體數(shù)據(jù):
2 試驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 3所示, 包括一臺(tái) M otom an HP3機(jī)器人, 一個(gè)SYLVAC電子杠桿表 (量程 13mm, 分辨率 0.001mm ), 一臺(tái)外部旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和一件整體葉盤.
實(shí)驗(yàn)步驟如下:
① 標(biāo)定電子杠桿表.
② 標(biāo)定腕系 {W}到工具系 {T}間的傳遞矩陣. 獲得的標(biāo)定結(jié)果為
③ 標(biāo)定基系 {B }到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)系件的傳遞矩陣. 獲得的標(biāo)定結(jié)果為
④ 固定整體葉盤到卡具上. 測(cè)量整體葉盤基面到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) {0}系原點(diǎn)的距離確定矩陣 {1}相對(duì)于矩陣 {0}的傳遞矩陣為
式中, n 為葉盤序號(hào).
⑤ 移動(dòng)杠桿表到起始測(cè)量位置, 按測(cè)量順序要求進(jìn)行測(cè)量, 用式 ( 11)計(jì)算葉盤相對(duì)于坐標(biāo)系 { 1}的數(shù)值, 直至完成本葉片的測(cè)量.
⑥ 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)到下一葉片.
⑦ 回到步驟? 直至完成所有葉片的測(cè)量.
⑧ 利用球頭補(bǔ)償算法補(bǔ)償測(cè)量數(shù)據(jù)獲得最終測(cè)量結(jié)果.
圖 4顯示了在一個(gè)葉片上測(cè)量的 3條測(cè)量輪廓線, 用標(biāo)準(zhǔn)塊對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證, 結(jié)果表明平均誤差為 0.05mm.
3 結(jié)語(yǔ)
本文主要就整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型的建立, 杠桿表工具坐標(biāo)系模型建立和標(biāo)定, 工具坐標(biāo)系與機(jī)器人手腕坐標(biāo)系的標(biāo)定以及機(jī)器人基坐標(biāo)系與工作轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系的標(biāo)定問(wèn)題進(jìn)行了探討, 建立了原型機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 并獲得了比較滿意的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 從而驗(yàn)證了此新方法的有效性.
實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)雖然能夠在現(xiàn)有條件下完成整體葉盤的在線檢測(cè), 但要想達(dá)到實(shí)用水平還需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)各硬件設(shè)備的精度. 未來(lái)的進(jìn)一步工作主要集中在如何使系統(tǒng)更加實(shí)用可靠, 硬件升級(jí)以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度, 完善軟件功能以適應(yīng)整體葉盤加工在線檢測(cè)實(shí)際需求.
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