激光跟蹤儀在風(fēng)機(jī)葉片外形測量中的應(yīng)用講解

1、制造技術(shù)研究2009年12月第6期26激光跟蹤儀在風(fēng)機(jī)葉片外形測量中的應(yīng)用王衛(wèi)軍李曉星方程陳賜常(北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院，北京100191摘要：將激光跟蹤儀在風(fēng)機(jī)葉片外形的測量中進(jìn)行了應(yīng)用。研究了相應(yīng)的測量規(guī)范，制定了相應(yīng)的測量步驟，并進(jìn)行了實(shí)際測量。根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)，利用逆向反求 技術(shù),構(gòu)造了精確的葉片三維模型，提取了葉片的相關(guān)參數(shù)。關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片;激光跟蹤儀；測量;逆向反求Wind Rotor Blade Measureme nt with Laser TrackerWang Weijun Li Xiaox ing Fang Cheng Chen Cicha ng(School of

2、Mechanical Engineering and Automation, BeiHang University, Beijing 100191Abstract :ln this paper, a high-precisi on laser tracker is applied in the measureme nt of wind rotor blades. The corresp onding measureme nt norms and steps are developed.Based on actual measureme nt data, the three-dime nsio

3、nal model of a wind rotor blade has bee n con structed by reverse formi ng, and its releva nt parameters are extracted.Key words:w ind rotor blade; laser tracker; measureme nt ; reverse1引言風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)最主要的部件之一，它是風(fēng)力機(jī)接收風(fēng)能的關(guān)鍵構(gòu)件。由于風(fēng)力機(jī)葉片的 造型特殊、空間角度復(fù)雜、長度大、尺寸較多、技術(shù)要求嚴(yán)格,沒有確切的規(guī)律可循，給葉片的全面測量帶來了很大的困難。目前，風(fēng)力機(jī)葉片制造廠 所用

4、的測量方法主要有以下幾種：標(biāo)準(zhǔn)樣板比對(duì)法、 仿型畫線投影法、三坐標(biāo)測量機(jī)測量包絡(luò)線法、綜合測量法。以上方法不僅測量效率低，各有自身的缺點(diǎn),而且都不能完全按照設(shè)計(jì)要求來全面測量 1。隨著葉片質(zhì)量要求的提高，葉片測量的精度和效率 變得越來越重要。近年來，激光跟蹤儀以其測量精度高、測量距離大、便攜等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速的發(fā)展,在航空航天、汽車制造、造船、各種檢測以及通用精密加工等大尺寸精密測量行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用Leica AT901激光跟蹤儀對(duì)某風(fēng)機(jī)葉片外形進(jìn)行了全型 面測量。探究了利用激光跟蹤儀測 量風(fēng)機(jī)葉片的方法和步驟，并依據(jù)測量結(jié)果，結(jié)合 風(fēng)機(jī)葉片參數(shù)進(jìn)行了逆向重構(gòu)，構(gòu)造出了該風(fēng)機(jī)葉片

5、精確的三維模型。2 Leica AT901激光跟蹤儀2.1測量原理激光跟蹤儀對(duì)空間目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)測量是通過測 量出水平角、垂直角和斜距，然 后按球坐標(biāo)原理得 到空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)X , Y , Z。如圖1所示，在球 坐標(biāo)測量系統(tǒng) 中，設(shè)跟蹤器的旋轉(zhuǎn)中心為0點(diǎn)，被測靶鏡的中心為P點(diǎn)。圖1激光跟蹤儀坐標(biāo)測量原理用兩個(gè)角度編碼器分別測量出 P點(diǎn)的垂直角B和水平角a用激光干涉儀測量 0點(diǎn)到P點(diǎn)的距離d ,則P點(diǎn)坐標(biāo)（X , 丫 , Z很容易由B ,和t d計(jì)算得 作者簡介:王 衛(wèi)軍（1984-,碩士，航空宇航制造工程專業(yè)；研究方向：激光跟蹤測 量技術(shù)的應(yīng)用。收稿日期:2009-11-03制造技術(shù)研究航天制

6、造技術(shù)27出,公式為sin cos sin sin cos x d y d z d ?3 aaP =? ? ?二？（1通過空間齊次坐標(biāo)變換，可將P點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 到用戶自定義的坐標(biāo)系中2。 2.2測量精度激光跟蹤儀的測量精度主要取決于它的跟蹤角度和距離測量精度及測量環(huán)境的影響。Leica AT901的測量范圍半徑為80m , IFM （激光干涉儀距離 精度0.5 pn/m, ADM（絕對(duì)測距儀 距離精度10 m,完全滿足風(fēng)機(jī)葉片的測量要求。3風(fēng)力機(jī)葉片的測量方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行測量時(shí)，首先以葉片根部機(jī)加工圓環(huán)平面為基準(zhǔn)面，建立合理的 葉片測量坐標(biāo)系；之后按要求沿葉片長度方向每隔一定距離取一個(gè)與基準(zhǔn)

7、平面平行的截面，測量各個(gè)截面的葉片外輪廓點(diǎn);最后測量葉片的頭部點(diǎn)云、參考脊線、葉片 自身坐標(biāo)的軸線等。3.1多站式測量激光跟蹤儀P3*激光跟蹤儀P2F4測風(fēng)力機(jī)葉片由于其尺寸比較大（全長48.8m、端面直徑2.4m，而且沒有對(duì)稱面,利用激光跟蹤儀對(duì)其進(jìn)行型面測量時(shí)，需進(jìn)行多站式測量才能得到整體數(shù)據(jù)多站式測量是指對(duì)固定在某處的測量目標(biāo)進(jìn)行 測量時(shí)，把激光跟蹤儀僅放置在一個(gè)測量位置不能完成測量工作，需要通過移動(dòng)激光跟蹤儀（或者布置多臺(tái)激光跟 蹤儀，在不同的位置分別對(duì)測量目標(biāo) 進(jìn)行測量，最后將各站測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到同一坐 標(biāo)系中進(jìn)行統(tǒng)一處理。在多站式測量中，轉(zhuǎn)站是關(guān)鍵性的一步。轉(zhuǎn)站 是將多個(gè)不同測量坐標(biāo)

8、系下的點(diǎn) 放在同一坐標(biāo)系下，所以轉(zhuǎn)站時(shí)引入的測量誤差將影響到每一個(gè)測量點(diǎn)，轉(zhuǎn)站精度的高低直接決定測量結(jié)果的好壞。對(duì)于在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，一般要求轉(zhuǎn)站測量誤差控 制在.5mm以下。兩個(gè)測站系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換依據(jù)最基本的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的原理。但在此僅需要3 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和3個(gè)平移參數(shù),而不需要尺度參數(shù)，是因?yàn)樵诿恳粶y站 上開始的測量坐 標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)具有了統(tǒng)一的尺度基準(zhǔn)。在此,為了保證測站間坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度至 少需要3個(gè)公共基準(zhǔn)點(diǎn)，公共基準(zhǔn)點(diǎn)是2個(gè)站都能測量到的且位置固定的點(diǎn)。為保 證轉(zhuǎn)換精度，兩站的公共基準(zhǔn)點(diǎn)通常取4個(gè)或4個(gè)以上。圖2中,P 1P 4為公共點(diǎn)。圖2兩個(gè)測站系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換3.2測量現(xiàn)場條件要求

9、為保證有效的測量，需對(duì)現(xiàn)場條件提出要求。a.地面堅(jiān)硬,應(yīng)保證激光跟蹤儀和 葉片能平穩(wěn)放置；b. 盡量保證測量場地環(huán)境溫度恒定，無風(fēng)或風(fēng)力變化不大，以免葉片發(fā)生熱脹冷 縮，或因風(fēng)吹而 變形,盡量選擇在室內(nèi)測量；c. 葉片兩側(cè)需要留出足夠的測量空間（至少34m，避免出現(xiàn)激光跟蹤儀的測量死角；d.測量的過程中不得移動(dòng)葉片，葉片頭部支 架應(yīng)牢固可靠，保證葉片不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)；e.葉片底部應(yīng)離地面至少50cm ,保證能測到葉片底部3.3測量步驟及實(shí)際測量結(jié)果結(jié)合實(shí)際,在利用激光跟蹤儀對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行測量時(shí)，按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。3.3.1布站由于葉片長度大，而且兩面均需測量，須采取多站測量方式。根據(jù)葉片的形狀和

10、 擺放的位置，確定測量的站數(shù)，并設(shè)置公共基準(zhǔn)點(diǎn)。站點(diǎn)確定應(yīng)遵循以下原則：a. 站位和轉(zhuǎn)站次數(shù)應(yīng)保證能完整測到葉片的所有部位；b. 在滿足上述條件的前提下，站點(diǎn)越少越好，可以減少轉(zhuǎn)站誤差和工作量；c. 因?yàn)榧す飧檭x測距精度高于測角精度，在選擇站點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)盡量使跟蹤儀 能正對(duì)該站的測量范圍，以減少測頭偏擺的角度；d. 轉(zhuǎn)站的各站之間須建立足夠的公共基準(zhǔn)點(diǎn) （每兩站之間不少于4個(gè)，并固定 可靠。實(shí)際測量時(shí)，根據(jù)葉片排放的位置，采用5站式。5站和9個(gè)公共點(diǎn)的位置分布 如圖3所示。第1站能同時(shí)測得9個(gè)公共點(diǎn)的位置,第2站能測得公 共點(diǎn)P 1P 4, 第3、4、5站均能測得P 5P Q因此，第25站下

11、的點(diǎn)均可以轉(zhuǎn)換到第1站下。 為了制造技術(shù)研究P1P9第5站 P4笫2站 pl第2009年12月第6期28保證轉(zhuǎn)站的精度，需要多次測量公共點(diǎn)，使轉(zhuǎn)站的測量誤差控制在.5mm以 下。圖3實(shí)際測量時(shí)站點(diǎn)和公共點(diǎn)的布置3.3.2建立測量坐標(biāo)系圖4葉片根部機(jī)加工圓環(huán)平面以為基準(zhǔn)面，建立測量坐標(biāo)系。實(shí)際測量時(shí)，在第1站下,以葉片根部機(jī)加工圓環(huán)平面為YZ平面,以圓環(huán)心為原點(diǎn)O,以過端面原點(diǎn)O,且與基準(zhǔn)面 垂直的方向?yàn)閄軸,建立如圖4所示XYZ直角坐標(biāo)系（測量坐標(biāo)系。利用每一站進(jìn)行測量時(shí)，先對(duì)公共基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行 測量。通過公共基準(zhǔn)點(diǎn)，軟件系統(tǒng)會(huì)把其它站的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到第1站所設(shè)置的測量 坐標(biāo)系中，接下來所測的坐標(biāo)自

12、動(dòng)歸為同一坐標(biāo)系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)。3.3.3測量截面點(diǎn)云按要求沿葉片長度方向每隔一定距離（本例中為1m取一個(gè)與基準(zhǔn)平面平行的截面，測量各個(gè)截面的葉片外輪廓點(diǎn)。實(shí)際測量時(shí)，首先在葉片表面對(duì)每個(gè)測量截面 大致位置進(jìn)行標(biāo)記，如圖5a所 示。測量過程中，根據(jù)建立的坐標(biāo)系,采用柵格讀點(diǎn)的方式。Leica AT901激光跟蹤 儀自帶軟件能自動(dòng)設(shè)定截面（基準(zhǔn)面初始 面，每隔1m設(shè)置取點(diǎn)截面，當(dāng)跟蹤小球在 各個(gè)截 面附近移動(dòng)時(shí)，能自動(dòng)捕捉到僅在此截面上的點(diǎn)。例如在測量第n m處的截面時(shí)，設(shè)置X的坐標(biāo)值為 固定值n m。小球貼在葉片表面，在n m線附近左 右緩慢 移動(dòng)，當(dāng)跟蹤儀采集到X坐標(biāo)為n m時(shí)候的點(diǎn)時(shí)，會(huì)自動(dòng)記

13、錄一次，如圖5b所示。a截面位置的標(biāo)記b小球在截面附件的移動(dòng)軌跡圖5截面數(shù)據(jù)的測量最終測得的截面點(diǎn)云如圖6所示。圖6最終測得的截面點(diǎn)云3.3.4測量尾部點(diǎn)云由于葉片尾部厚度小，剛度差,易產(chǎn)生抖動(dòng)和變形,采用密集測量的方式，增加測 量點(diǎn)云數(shù)量以 提高測量精度。實(shí)際測量時(shí)，葉片尾部采用掃描點(diǎn)的方法從左右兩側(cè)分別掃得尾部點(diǎn)云。結(jié)果 如圖7所示。圖7尾部點(diǎn)云335測量脊線點(diǎn)云脊線測量數(shù)據(jù)將作為葉片CAD模型重構(gòu)時(shí)，整體型面拉伸時(shí)的參考脊線；實(shí)際 測量時(shí)，分別對(duì)上下端脊線以及中間的幾條脊線進(jìn)行了測量。3.3.6測量坐標(biāo)軸線為最終實(shí)現(xiàn)測量坐標(biāo)系與葉片自身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,需要測量葉片自身坐標(biāo)系的軸線在測量坐標(biāo)

14、系 下的位置。實(shí)際測量時(shí)，測量坐標(biāo)系的原點(diǎn)與葉片自身坐 標(biāo)系的原點(diǎn)是重合的。葉片自身 坐標(biāo)系的Z軸與測 量坐標(biāo)系的X軸對(duì)應(yīng);葉片自身坐標(biāo)系的XY平面制造技術(shù)研究航天制造技術(shù)29與測量坐標(biāo)系的YZ平面對(duì)應(yīng)。根據(jù)測得的端面上零度線（原點(diǎn)到零度線的垂 線為葉片自身坐標(biāo)系X軸上的點(diǎn)云，可以確定葉片自身坐標(biāo)系的X軸在測量坐標(biāo)系上的位置，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，將葉片的位置放置到葉片自身坐標(biāo) 系下。4測量數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)4.1擬合截面根據(jù)測得的各截面點(diǎn)云，逐一采用B樣條擬合 為封閉的截面曲線。擬合的過程 中,需要剔除一些 冗余點(diǎn)，以保證控制截面形狀的擬合誤差 std不大于0.5mm。另外，由于測量反射球

15、半徑為19.05mm，因此擬合出來的截面還需要進(jìn)行半徑 補(bǔ)償，即將擬合出 來的截面向內(nèi)偏移一個(gè)半徑值，如圖8所示。圖8測量反射球半徑補(bǔ)償4.2擬合尾端圖9尾端的曲面擬合根據(jù)截面的點(diǎn)云，利用NURBS曲面擬合的方法擬合出尾端的曲面，并對(duì)生產(chǎn)的 曲面進(jìn)行偏移，以消除小球半徑的影響。結(jié)果如圖 9所示。4.3擬合脊線根據(jù)脊線點(diǎn)云，采用B樣條擬合擬合出光順的 脊線。4.4整體多截面拉伸利用擬合出來的多個(gè)截面閉合曲線作為截面數(shù)據(jù),利用擬合出來的脊線作為引 導(dǎo)線，進(jìn)行多截面 曲面拉伸，最終生成光順的風(fēng)機(jī)葉片整體型面。4.5坐標(biāo)轉(zhuǎn)換按照測得的風(fēng)機(jī)葉片自身X軸、丫軸的位置，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)坐標(biāo)，將葉片的位置放 置到其自

16、身的坐標(biāo)系下。4.6實(shí)體模型的生成將生成的葉片整體型面的端面進(jìn)行封閉，生成一個(gè)閉合曲面，對(duì)其進(jìn)行實(shí)體填充 隱藏曲面，可以得到實(shí)體模型。最終的實(shí)體模型結(jié)果如圖10所示。圖10最終實(shí)體模型4.7相關(guān)技術(shù)參數(shù)提取根據(jù)實(shí)體模型，提取風(fēng)機(jī)葉片相關(guān)技術(shù)參數(shù)，包括各截面弦長C (mm、最大厚度 B (mm、相對(duì)厚度r (無量綱、扭轉(zhuǎn)角a (、前緣距離槳距軸位置 K (mm、預(yù)彎L (mm 等。5結(jié)束語近年來,激光跟蹤儀得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文利用激光跟蹤儀對(duì)某風(fēng)機(jī)葉片外形進(jìn)行了測量,研究了相應(yīng)的測量規(guī)范與測量步驟。根據(jù)測量結(jié)果，通過逆向 反求得到了精確的三維實(shí)體模型和 相關(guān)的葉片參數(shù)。利用重構(gòu)出來的三維模型與提取的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，可以對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)力性 能、強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片外形的檢測。參考文獻(xiàn)1楊永躍，鄧善熙,何革群.風(fēng)力機(jī)葉片檢測