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大型航空发动机机匣多轴测量系统

作者:网站管理员 来源:本站原创 日期:2018/10/19 9:59:56 点击:28 属于:三坐标行业资讯
大型航空发动机机匣多轴测量系统

 

 

中国航空报讯:在航空领域中,发动机是飞机动力系统的核心组成部分,对于飞行的安全性、可靠性和经济性等都有着至关重要的影响。一般说来,航空发动机主要由静子、机匣和作高速定轴旋转的转子等组成。其中,机匣是整台发动机的支架,也是支撑转子和固定静子的重要部件,因而机匣在整台发动机中的作用举足轻重。作为发动机内重要的承载、连接部件,机匣的主体结构大多为薄壁回转体,而且具有径向尺寸大、结构元素多、型面和内腔复杂、外壁单薄易变形、精度要求高等特点,这些都增加了对其进行加工与测量的难度。

目前,国内的航空发动机研制和生产单位在应对大型航空发动机机匣的测量问题时,主要依赖于传统的接触式三坐标测量机,并采用笛卡尔直角坐标系和机械触发式测头,不仅存在速度慢、效率低、需要人工干预等缺点,而且在对空间曲面的测量方面具有很大的局限性。以某大型航空发动机机匣为例,需要三坐标测量机测量的项目多达200余项,这就导致一次测量的时间通常在1天以上。而国外的先进坐标测量设备大多采用复合式测头与多轴联动测量技术,即将传统的三坐标测量机与高精度的回转机构结合起来,以构建多轴联动的坐标测量系统,从而实现了复杂曲面零件的高精度点位测量与高效率扫描测量。这是新一代坐标测量技术与装备的发展趋势,对于航空发动机机匣测量系统的搭建具有重要的借鉴意义。

在这样的背景下,为了解决当前大型航空发动机机匣测量中的工作量大、效率低等难题,航空工业精密所依托自身在精密、超精密制造技术以及精密测量、测试技术等领域的技术积累和优势,在大型航空发动机机匣测量系统及在线测量技术方面开展了卓有成效的研究工作,研制出了基于高精度气浮转台的五轴坐标测量系统,并对基于此系统的机匣测量方法进行了开发,从而实现了在三维空间中对大型航空发动机机匣的形状、尺寸和位置等几何参数进行快速精密测量的目标,可以大幅度提高我国航空发动机行业的机匣测量效率,这对于提升我国大型航空发动机的制造水平以及国产高档测量装备的技术水平均具有重要意义。

根据大型机匣的结构特点与测量需求,精密所对传统的大型龙门式测量机进行了结构优化,并针对其中的承力结构、高精度气浮导轨、轻惯量运动滑架以及轻质量高刚性Z轴等关键部件进行了重点研究,设计出了适用于现场生产环境和检测任务的新型机匣测量系统,其X、Y和Z轴的行程分别为3000mm、2000mm和1500mm,空间测量精度可以达到0.004+0.004L/1000mm。

在结构上,该系统主要由大型龙门式三坐标测量机本体、高精度气浮转台、扫描测头、控制系统和测量软件等组成。其中,高精度气浮转台作为辅助测量设备,用于实现机匣的转位测量。该转台基于空气静压轴承技术并以空气作为润滑介质,经由力矩电机直接驱动,可以实现很高的回转精度,而且无磨损、振动小、噪声低,因而能够满足生产现场对精密测量的严苛要求。配备有此高精度气浮转台的机匣测量系统可以最大限度地提高机匣零件的测量效率,这是因为通过该气浮转台的回转可以使被测机匣整周的各个部分均处于测头的测量范围内,这样就可以在只进行一次装夹的情况下(不需要对机匣进行多次装夹),实现对机匣三维信息的全面测量,再通过编程即可进行测量数据的自动拼接,从而获得了完整的机匣测量数据。

在控制系统方面,该测量系统选用了多轴运动控制系统,主要由主计算机(上位机)、控制器(下位机)、伺服驱动器、测头系统、光栅测量系统、操作盒、安全及外围逻辑电路等组成,其主要功能是将主计算机中的测量应用软件操作转化为检测系统的控制指令,并通过通讯接口传输到下位机,下位机根据接收到的指令来控制整个系统执行各种动作,例如读取各轴坐标值、控制各轴电机的运动、控制测头的转动和采点、处理状态报警信号等。

此外,为了提高整体精度并改善了其动态响应特性,系统还采用了多项先进技术措施,包括:优化主、副导轨结构;提高主、副导轨的支撑刚度来减小变形;采用新材料来提高横梁和Z轴导轨的精度;提高导轨刚度来改善动态性能;提高控制系统性能。

由航空工业精密所研制和开发的大型航空发动机机匣五轴测量系统,将大型龙门式测量机与高精度气浮转台结合在一起,并且突破了多轴运动控制、空气轴承设计、数据高效处理、坐标系转换以及系统误差分析和补偿等关键技术,从而实现了大型航空发动机机匣的高效精密测量,可以为当前我国航空发动机制造过程中存在的大型机匣零件的测量效率低和精度差等问题提供了一项实用的技术解决方案。

 

视觉传感技术是传感技术七大类中的一个,视觉传感器是指:通过对摄像机拍摄到的图像进行图像处理,来计算对象物的特征量(面积、重心、长度、位置等),并输出数据和判断结果的传感器。


一、视觉传感器概述  视觉传感技术是传感技术七大类中的一个,视觉传感器是指:通过对摄像机拍摄到的图像进行图像处理,来计算对象物的特征量(面积、重心、长度、位置等),并输出数据和判断结果的传感器。

 


二、分类  1、3D视觉传感技术  3D视觉传感器具有广泛的用途,比如多媒体手机、网络摄像、数码相机、机器人视觉导航、汽车安全系统、生物医学像素分析、人机界面、虚拟现实、监控、工业检测、无线远距离传感、显微镜技术、天文观察、海洋自主导航、科学仪器等等。这些不同的应用均是基于3D视觉图像传感器技术。特别是3D影像技术在工业控制、汽车自主导航中具有急迫的应用。

 

2、智能视觉传感技术  智能视觉传感技术下的智能视觉传感器也称智能相机,是近年来机器视觉领域发展最快的一项新技术。智能相机是一个兼具图像采集、图像处理和信息传递功能的小型机器视觉系统,是一种嵌入式计算机视觉系统。它将图像传感器、数字处理器、通讯模块和其他外设集成到一个单一的相机内,由于这种一体化的设计,可降低系统的复杂度,并提高可靠性。同时系统尺寸大大缩小,拓宽了视觉技术的应用领域。

 


智能视觉传感器的易学、易用、易维护、安装方便,可在短期内构建起可靠而有效的视觉检测系统等优点使得这项技术得到飞速的发展。


三、视觉传感技术的实现基础

视觉传感器的图像采集单元主要由CCD/CMOS像机、光学系统、照明系统和图像采集卡组成,将光学影像转换成数字图像,传递给图像处理单元。通常使用的图像传感器件主要有CCD图像传感器和CMOS图像传感器两种。下面将介绍两种传感器的实现原理及优缺点。

 

四、视觉传感技术的应用  1、汽车车身视觉检测系统  车身成型是汽车制造的关键工序之一,对车身的各项指标要求严格,需对车身进行100%的检测。传统的车身检测方法是利用三坐标测量机,其操作复杂,速度慢,工期长,只能进行抽检。

 

通常,车身的关键尺寸主要是挡风玻璃尺寸、车门安装处棱边位置、定位孔位置等。因此视觉传感器分布于这些位置附近,测量其相应的棱边、孔、表面的空间位置尺寸。在生产线上设计测量工位,车身定位后,置于一框架内,框架由纵横分布的金属柱、杆构成,可根据需要在框架上灵活安装视觉传感器。根据测量点的数量可安装相应数量的视觉传感器,(通常情况下每个视觉传感器测量一个被测点),根据不同形式的传感器包括双目立体视觉传感器、轮廓传感器等多种类型。


测量系统工作过程为:由生产线运送车身到测量工位进行准确定位,然后传感器按要求顺序开始工作,计算机采集检测点图像并进行处理,计算出被测点的空间三维坐标,计算值与标准值比对,得出检测结果,并将车身送出测量工位。


2、钢管直线度、截面尺寸在线视觉测量系统  在工业生产中,无缝钢管是一类重要的工业产品,而它的质量参数则是制造的重要数据,其中钢管的直线度及截面积是主要的几何参数,是控制无缝钢管制造质量的关键,但由于以下原因使得参数的测量成为难题:(1)、无缝钢管采取非接触式测量,且制造现场环境恶劣;(2)、无缝钢管的空间尺寸大,这也要求检测系统具备很大的测量空间。视觉传感技术的出现解决了上述问题,视觉传感技术采用的是非接触式测量且测量范围大。

 


测量系统由多个结构光传感器组成,传感器上结构光投射器投射的光平面和被测钢管相交,得到钢管截面圆周上的部分圆弧,传感器测量部分圆弧在空间中的位置。系统中每一个传感器实现一个截面上部分圆弧的测量,通过适当的数学方法,由圆弧拟合得到截面尺寸和截面圆心的空间位置,由截面圆心分布的空间包络,得到直线度参数。测量系统在计算机的控制下,可在数秒内完成测量,满足实时性要求。


3、三维形貌视觉测量  在三维形貌数字化测量技术是逆向工程和产品数字化设计、管理及制造的基础支撑技术。它所实现三维形貌数字化测量的机理是将视觉非接触、快速测量和最新的高分辨力数字成像技术相结合。由于所测量的物体多是大型、具有复杂表面的物体,测量通常分为局部三维信息获取和整体拼接两部分,先利用视觉扫描传感器对被测形貌各个局部区域进行测量,再采用拼接技术将各部分形貌进行拼接最终得到完整图像。

 


这项传感器的视觉扫描测头采用局域双目立体视觉测量原理设计。形貌整体拼接实质上是将所采集到的数据放到公共坐标上,这样就能得到整体的数据描述。通过高分辨率数码相机从测量空间的上方以不同的角度和位置对被测量进行数据收集,运用光束定向交汇平差原理得到控制点空间坐标并建立全局坐标系,最后通过各个坐标系进行关联、转换,完成数据拼接。


 五、总结  视觉源于生物界获取外部环境信息的一种方式,是自然界生物获取信息的最有效手段,是生物智能的核心组成之一。人类80%的信息都是依靠视觉获取的,基于这一启发研究人员开始为机械安装“眼睛”使得机器跟人类一样通过“看”获取外界信息,由此诞生了一门新兴学科——计算机视觉,人们通过对生物视觉系统的研究从而模仿制作机器视觉系统,尽管与人类视觉系统相差很大,但是这对传感器技术而言是突破性的进步。视觉传感器技术的实质就是图像处理技术,通过截取物体表面的信号绘制成图像从而呈现在研究人员的面前。视觉传感技术的出现解决了其他传感器因场地大小限制或检测设备庞大而无法操作的问题,由此广受工业制造界的欢迎。

 

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