本站原创【摘 要 】便携式三坐标测量机又称关节臂,其特点是便于携带,在保证测量精度的同时不受场地的温度,湿度,海拔高度,粉尘污染等的影响,可以高效,准确地完成测量任务,本文拟对关节臂测量叶片的两种方法进行介绍.
【关 键 词 】叶片；曲面测量方法；转站点；测量数据处理
1.早期叶片的测量方法
对于大尺寸（4mX4m）的毛坯铸件,由于留有加工余量,检测的目的仅是对叶片形状进行整体检测,得到余量的分布情况,以便后续加工,测量原理是：一台经纬仪可测量目标点的二维角度值,用两台经纬仪可间接测量出目标点三维坐标,原理如图所示.双经纬仪T1、T2,以T1轴系交点为坐标原点,T1、T2连线在水平方向的投影为X轴,过T1坐标原点的铅锤方向为Z轴,以右手法则确定Y轴,由此构成坐标系.P点的观测值分别为：α1、β1、α2、β2.则P点的三维坐标为：
双经纬仪系统的测量精度大约在1.5mm左右.随着数控机床精度的不断提高,加工水平的不断进步,有的叶片精度达到了0.5mm左右,使双经纬仪系统已不能满足测量要求,必须找到新的测量手段进行测量.
2.关节臂测量原理
便携式三坐标测量机又称关节臂是一种典型的非正交坐标测量机,它仿照人体手臂的结构,由碳纤维臂、活动关节和接触测头组成.碳纤维臂相互连接,其中一个为固定臂,它安装在稳定的基座上支撑测量机的所有部件；另外两个臂为活动臂,可在空间任意位置旋转,其中中间臂为活动臂,主要起连接作用,另一根为末端臂并安装测头.第一根支撑臂与第二根中间臂之间、第二根中间臂与第三根末端臂之间、第三根末端臂与测头之间均为关节式连接,可作空间回转,而每个关节装有相互垂直的圆光栅测角传感器,用于测量回转角.可以得出各个测量臂和测头的空间位置关系.回转中心和相应的活动臂构成一个极坐标系统,回转中心角及极角由圆光栅传感器测量,而活动臂两端关节回转中心的距离为极坐标的极径长度,组成了一个由三个串联的极坐标形成的系统.当测头与被测工件接触时,数据采集系统采集6个角度信号并传递给数字处理模块,根据建立的数学模型进行坐标转换,计算出被测点的空间三维坐标值.图为关节臂的结构图.
3.利用关节臂测量叶片
3.1准备工作.为了便于测量,叶片应该竖立放置在固定的工装夹具上,对表面的油泥,切削碎末进行清理,按照曲面曲率的变化方向,在叶片上标出一定数目的形线,关节臂放置的位置应该做到既不限制关节臂的操作又要最大限度地覆盖被测区域,关节臂根据情况可以架在可移动式重型三脚架上,也可以通过磁力吸盘固定在平台上,使用过程中尽量避免关节臂的转站,如果叶片尺寸较大,无法避免转站,建议转站的次数不超过3次,频繁的转站将影响到测量结果的精度.
3.2使用点云扫描的方法测量叶片.这里以faro的platinum arm 7轴关节臂为例,配合关节臂的测量软件使用的是CAM2 measure 4.0,首先对关节臂的6mm测头进行球校准,校准完成后点击确定.为了能更好的反应所测量叶片的变化趋势,扫描的间距设为5mm,选用自由扫描的方法来测量,首先,建立工件的坐标系,建立的坐标系尽量与工件的cad模型的坐标系一致,对于无法建立工件坐标系的叶片,可以直接进行测量,选择扫描→徒手画,在弹出的选项对话框选择三维徒手画图形,最小距离设为5mm,另存为选项,选择为点选项,点击两次确定开始扫描.在使用自由扫描时,应根据叶片的叶形进行扫描,扫描时在曲率变化大的区域建议重复几次尽可能的多采集点的数据方便以后比对.扫描完成后保存数据,将结果输出为.IGS格式的文件以便后续的结果分析.
3.3使用矢量点方法测量叶片.矢量点方法测量的原理是在被测物体表面尽量小的区域打三点确定一个微平面,测量臂抬起的方向作为平面的法线方向,由于所测得平面很小近似认为是一个以平面法线为方向的矢量点,这样测量的一系列点能很好的反应被测曲面的曲率和法线的变化趋势.首先选择测量→点→曲面点,开始进行测量,由于是单点的采集数据,在测量时建议使用记号笔在被测叶片的表面画出几条形线,方便采集的点的可视性,使用曲面点的方法采集数据时,应注意曲面应在微小的区域内选择,这样才能准确的反应当前点的矢量方向.采集完成后成后保存数据,将结果输出为.IGS格式的文件以便后续的结果分析.
3.4关于转站点的说明.关节臂测量系统的测量数据可以通过3个或3个以上的公共点利用bundle算法转移到基准坐标系中.公共点应在两套测量系统都能测量到的位置,并且公共点尽可能组成等边三角形,且面积要尽可能大.关节臂在两次不同的位置按照一定的顺序在各自坐标系中分别测量公共点pi,设其在第一次的位置的坐标系中的测量值为,在在第二次的位置的坐标系中的测量值为,则两坐标系之间的关系可表示为：
其中,为旋转子矩阵,为平移子矩阵.而矩阵中
旋转子矩阵与旋转参数之间的关系如下： 式中,旋转参数就是两坐标系相应各坐标轴之间的旋转角度.
可以看出,方程中实际有6个未知参数,为了利用基于距离的最小二乘法求解最佳坐标转换参数,显然需要3个或以上的不共线的公共点.采用最优化算法的模式搜索法求解次最小二乘问题,模式搜索法（Hooke-Jeeves法）的基本思想在某点附近按一定得步长搜索函数值更小的点,且步长随搜索过程的进行而减小.理论上讲激光跟踪仪和关节臂如果连续转站,那么每次转站总体测量精度就要损失倍.所以应尽量减少转站的次数,以保证测量的精度.