螺旋桨叶片厚度测量装置、测量系统及测量方法与流程

本发明涉及一种低成本螺旋桨叶片厚度快速测量装置、测量系统及测量方法。

背景技术：

目前，对于螺旋桨叶片厚度的测量，需要测量的尺寸是测量叶片表面某点沿着法线方向的厚度，解决问题的关键：找到指定点的法线方向，但是现有的测量装置，设备很复杂，软硬件设备昂贵。

特别是利用3D扫描仪获得叶片铸件的点云数据，在软件中实现叶片厚度的测量。该方法精度虽高，但测量成本高，测量效率低，使企业面临测量成本远高于零件利润的尴尬处境。

因此，开发一种能完成测量、设备简单、成本低廉的测量装置，成为了人们亟待解决的问题。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种螺旋桨叶片厚度测量装置、测量系统及测量方法，用于解决现有的测量装置，设备很复杂，软硬件设备昂贵的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种螺旋桨叶片厚度测量装置，包括U型附件；所述U型附件的两端分别为固定端和测量端；U型附件的固定端内侧设置有支脚，外侧设置有弹簧顶尖壳体；所述的支脚为三支腿支架，支脚的三个支腿底部位于同一水平面A上，并且使三个支腿底部的连线为正三角形。

所述的弹簧顶尖壳体内设置有弹簧顶尖，所述的弹簧顶尖和弹簧顶尖壳体内壁间设置有弹簧，使弹簧顶尖前端能够穿过U型附件的固定端，并伸出至支脚的支腿底部；所述弹簧顶尖所在的轴线同支脚支腿底部所在的水平面A垂直；所述U型附件的测量端可拆卸连接有螺旋测微器，螺旋测微器的前端设置有下顶尖；所述的弹簧顶尖和下顶尖同轴设置，并且尖部相对设置。

作为优选所述弹簧顶尖上靠近支脚一侧设置有用于限位的环形突起，使弹簧一端压靠于环形突起，另一端压靠于弹簧顶尖壳体内壁。

作为优选螺旋测微器的安装段外壁同U型附件的测量端螺纹连接。

一种测量系统，包括叶片待测点定位装置和叶片待测点厚度检测装置；所述的叶片待测点厚度检测装置为上述螺旋桨叶片厚度测量装置；所述的叶片待测点定位装置包括对心立柱、半导体激光发射器、三爪卡盘和旋转臂。

所述的三爪卡盘中间夹设有螺旋桨，所述的三爪卡盘上表面具有分度盘；所述对心立柱设置于三爪卡盘外侧，所述的对心立柱包括竖直设置的支撑部和水平设置的固定部；所述对心立柱固定部上设置有旋转臂，旋转臂的中心同固定部转动连接，并且使旋转臂的中心与螺旋桨的叶片轴线同轴；所述旋转臂的端部设置有用于实时指示待测点位置的半导体激光发射器；所述的叶片待测点厚度检测装置能够对半导体激光发射器指示的待测点进行厚度测量。

作为优选所述对心立柱的固定部同支撑部顶端垂直连接。

作为优选当旋转臂相对旋转臂中心转动，半导体激光发射器能够以R190圆周转动。

一种使用上述测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1、将螺旋桨装夹于叶片待测点定位装置的三爪卡盘上。

S2、旋转旋转臂，使半导体激光发射器的光点落于螺旋桨的叶片边缘，并在激光点处做标记，即待测点，C1点。

S3、将带分度盘的三爪卡盘，依次旋转16°，同理，在螺旋桨的叶片表面标记待测点，C2点、C3点。

S4、使用叶片待测点厚度检测装置依次测量待测点，C1点、C2点、C3点的厚度值。

作为优选S4的测量具体包括以下步骤：

S41、将弹簧顶尖与待测点重合。

S42、调整支脚，使其稳定的支承于螺旋桨的叶片曲面上。

S43、旋动螺旋测微器，使下顶尖与叶片下表面紧密接触，读出读数。

S44、重复测量三次，记录数据，求平均值，作为该点的螺旋桨叶片厚度。

与现有技术相比较，本发明所述的螺旋桨叶片厚度测量装置、测量系统及测量方法，螺旋桨叶片厚度测量装置的支脚为三支腿支架，支脚的三个支腿底部位于同一水平面A上，并且使三个支腿底部的连线为正三角形；所述弹簧顶尖所在的轴线同支脚支腿底部所在的水平面A垂直；测量装置结构简单，成本低，测量精准。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明螺旋桨叶片厚度测量装置的结构示意图。

图2是本发明测量系统的示意图。

图3是本发明螺旋桨叶片的示意图。

图4是本发明螺旋桨叶片厚度测量装置的示意图。

图5是本发明支脚的示意图。

图6是本发明弹簧顶尖壳体和弹簧顶尖的示意图。

图7是本发明螺旋桨叶片厚度测量装置的工作示意图。

图8是本发明工程实际中法线的测量示意图。

图9是本发明法线测量的原理示意图。

图10是本发明高斯曲率着色显示图。

图11是本发明螺旋桨叶片待测点的位置示意图。

图12是本发明螺旋桨叶片邻域内所取正三角形示意图。

图13是本发明C1处测量数据图表(θ＝0°)。

图14是本发明C1处测量数据折线图(θ＝0°)。

图15是本发明C1处测量数据图表(θ＝30°)。

图16是本发明C1处测量数据折线图(θ＝30°)。

图17是本发明C1处测量数据图表(θ＝60°)。

图18是本发明C1处测量数据折线图(θ＝60°)。

图19是本发明C1处测量数据图表(θ＝90°)。

图20是本发明C1处测量数据折线图(θ＝90°)。

图21是本发明C2处测量数据图表(θ＝0°)。

图22是本发明C2处测量数据折线图(θ＝0°)。

图23是本发明C2处测量数据图表(θ＝30°)。

图24是本发明C2处测量数据折线图(θ＝30°)。

图25是本发明C2处测量数据图表(θ＝60°)。

图26是本发明C2处测量数据折线图(θ＝60°)。

图27是本发明C2处测量数据图表(θ＝90°)。

图28是本发明C2处测量数据折线图(θ＝90°)。

图29是本发明C3处测量数据图表(θ＝0°)。

图30是本发明C3处测量数据折线图(θ＝0°)。

图31是本发明C3处测量数据图表(θ＝30°)。

图32是本发明C3处测量数据折线图(θ＝30°)。

图33是本发明C3处测量数据图表(θ＝60°)。

图34是本发明C3处测量数据折线图(θ＝60°)。

图35是本发明C3处测量数据图表(θ＝90°)。

图36是本发明C3处测量数据折线图(θ＝90°)。

其中：1、对心立柱，2、半导体激光发射器，3、螺旋桨叶片厚度专用量具，4、三爪卡盘，5、旋转臂，6、螺旋桨，

31、弹簧，32、弹簧顶尖壳体，33、支脚，34、弹簧顶尖，35、下顶尖，36、U型附件，37、螺旋测微器。

具体实施方式

如图1所示，一种螺旋桨叶片厚度测量装置，包括U型附件36；所述U型附件36的两端分别为固定端和测量端；U型附件36的固定端内侧设置有支脚33，外侧设置有弹簧顶尖壳体32；所述的支脚33为三支腿支架，支脚33的三个支腿底部位于同一水平面A上，并且使三个支腿底部的连线为正三角形，所述的支脚33用于确定螺旋桨叶片待测点的法向。

所述的弹簧顶尖壳体32内设置有弹簧顶尖34，所述的弹簧顶尖34和弹簧顶尖壳体32内壁间设置有弹簧31，使弹簧顶尖34前端能够穿过U型附件36的固定端，并伸出至支脚33的支腿底部，所述的弹簧顶尖壳体32用于承载弹簧31和弹簧顶尖34。

所述弹簧顶尖34上靠近支脚33一侧设置有用于限位的环形突起，使弹簧31一端压靠于环形突起，另一端压靠于弹簧顶尖壳体32内壁。

所述的弹簧31选用低刚度、小阻尼弹簧，能够实现弹簧顶尖34的轴向伸缩功能。所述弹簧顶尖34所在的轴线同支脚33支腿底部所在的水平面A垂直；所述的弹簧顶尖34用于指示螺旋桨叶片待测点。

所述的弹簧顶尖壳体32同U型附件36的固定端螺纹连接的可拆卸固定形式，支脚33同U型附件36的固定端螺纹连接。

所述U型附件36的测量端可拆卸连接有螺旋测微器37，优选的，螺旋测微器37的安装段外壁同U型附件36的测量端螺纹连接。

螺旋测微器37的前端设置有下顶尖35；所述的弹簧顶尖34和下顶尖35同轴设置，并且尖部相对设置，所述的下顶尖35用于确定旋桨叶片下表面点的位置。

所述的螺旋测微器37，用于精确测量螺旋桨叶片待测点厚度。所述的U型附件36能够替换为多种型号，用于承载其他零部件，并保证弹簧顶尖34与下顶尖35同轴。

所述的U型附件36的高度为H，H优选为30mm、60mm或90mm，现场测量时，能够根据叶片待测点位置，来选择不同型号的U型附件。

如图3所示，C1、C2、C3点距离螺旋桨叶片边缘的距离，在图3中为25mm，此种工况应当采取H＝30这一型号的U型附件。

但如果现场想测量距离叶片边缘更远点的厚度，例如距离叶片边缘50的点，那么此时H＝30＜50，U型附件底部会因为尺寸限制，被叶片边缘挡住。所以，此时应当更换H＝60这一型号的U型附件。将U型附件做成可替换形式，使得量具适应不同测量位置，满足不同位置的测量需求。

如图1到图7所示，一种测量系统，包括叶片待测点定位装置和叶片待测点厚度检测装置；所述的叶片待测点厚度检测装置为上述的螺旋桨叶片厚度测量装置；所述的叶片待测点定位装置包括对心立柱1、半导体激光发射器2、三爪卡盘4和旋转臂5，实现了叶片待测点的径向和周向定位。

所述的三爪卡盘4中间夹设有螺旋桨6，所述的三爪卡盘4上表面具有分度盘；所述的三爪卡盘4，一是利用三爪卡盘4的夹紧和定位功能，实现螺旋桨6叶片的夹紧和定位；二是利用具有的分度盘装置，实现工件精确的角度旋转。

所述对心立柱1设置于三爪卡盘4外侧，所述的对心立柱1包括竖直设置的支撑部和水平设置的固定部；优选的，所述对心立柱1的固定部同支撑部顶端垂直连接。所述对心立柱1固定部上设置有旋转臂5，旋转臂5的中心同固定部转动连接，并且使旋转臂5的中心与螺旋桨6的叶片轴线同轴；所述旋转臂5的端部设置有用于实时指示待测点位置的半导体激光发射器2；所述的半导体激光发射器2俗称激光笔，具有高聚光性，能够实现非接触指示功能，能够实时指示待测点的位置。

所述的叶片待测点厚度检测装置能够对半导体激光发射器2指示的待测点进行厚度测量。当旋转臂5相对旋转臂5中心转动，半导体激光发射器2能够以R190圆周转动。所述的旋转臂5用于承载半导体激光发射器2，并确定R190圆周。

如图1到图7所示，一种使用上述测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1、将螺旋桨6装夹于叶片待测点定位装置的三爪卡盘4上。

S2、旋转旋转臂5，使半导体激光发射器2的光点落于螺旋桨6的叶片边缘，并在激光点处做标记，即待测点，C1点。

S3、将带分度盘的三爪卡盘4，依次旋转16°，同理，在螺旋桨6的叶片表面标记待测点，C2点、C3点。

S4、使用叶片待测点厚度检测装置依次测量待测点，C1点、C2点、C3点的厚度值。

S4的测量具体包括以下步骤：

S41、将弹簧顶尖34与待测点重合。

S42、调整支脚33，使其稳定的支承于螺旋桨6的叶片曲面上。

S43、旋动螺旋测微器37，使下顶尖35与叶片下表面紧密接触，读出读数。

S44、重复测量三次，记录数据，求平均值，作为该点的螺旋桨6叶片厚度。

测量中，需要根据螺旋桨设计图纸中，测量C1点、C2点、C3三点的厚度值。由于螺旋桨叶片为高阶曲面，其叶片厚度不是处处相等的。

故为了表示螺旋桨叶片厚度的信息，就需要取特殊位置的特殊点，在特殊点处给出厚度信息。螺旋桨叶片的加工方式为铸造，铸造成型之后，测量毛坯在此三点的厚度，以考察铸造精度是否达到要求。

如图3所示，本发明所述的测量方法，测量加工尺寸C1、C2、C3(注：叶片在该点沿法向的厚度)，首先确定R190圆；再以叶片边缘为基准，确定16°、32°、48°线所在位置，即可确定C1、C2、C3点；最后使用螺旋桨叶片厚度专用量具，测量出叶片厚度即可，测量装置结构简单，成本低，测量精准。

本发明的螺旋桨叶片厚度测量装置的设计原理，为独创的“三点法”，并从理论论证了该法的合理性。

1、测量关键：确定叶片表面某点的法线方向，并将法线方向以实物形式实时呈现，方便测量。转化为数学问题即为：求自由曲面某点的法线方向。

2、测量思想：“以面代点”

2.1如图8所示，在工程实际中，欲实时呈现平面上某点法线方向，通常用带立柱的三角形面板来实现。其原理，如图9所示，平面内任意一点P的法线等价于其邻域三点所在平面的法线即

2.2同样地，当某曲面的曲率较小时，即可用待测点邻域内三点所在平面的法线，来近似代替待测点的法线，即“三点法”。

2.3“三点法”的应用前提条件：曲面曲率较小且变化不大，在待测点邻域内，可近似看作平面。

验证模型是否满足“三点法”的应用前提条件

1、将某型号螺旋桨叶片step模型，导入Creo中。

2、通过显示叶片曲面“高斯曲率”，判断曲面在待测点的曲率大小，及待测点周围曲率变化。

3、结果如图10所示，待测点C1、C2、C3的曲率值分别为0.0024、0.0009、0.004，说明的待测点及其邻域内点曲率均较小。

待测点邻域云图颜色相同，说明该曲面曲率变化不大。

综上，可以应用“三点法”来确定待测点的法线方向。

“三点法”的应用与实验数据分析

1、在Creo中，标记待测点C1、C2、C3，如图11所示。

2、以C1、C2、C3为中心，在其邻域内取三点A、B、C，组成如图12所示正三角形。

为确定三角面片的最佳大小，使正三角形边长S为变量；为保证所取三点的均匀性、代表性，使正三角形高线与待测点和叶片中心连线夹角θ为变量，使运用Creo的测量功能，测出叶片在三角面片法矢上的厚度，与标准厚度对比。C1处所得数据，见图13到图20，C2、C3处所得数据，见图21到图36。

3、实验结果分析：

3.1由图14、图16、图18、图20可见，随着正三角形边长S增大(即随着三角形面片面积的增大)，测量误差随之增大。

说明测量结果，受正三角形边长S影响。因此，为保证测量误差较小，应取较小边长为宜。

3.2由图13、图15、图17、图19可见，θ不同，测量结果亦不同。

说明测量结果，受正三角形高线与待测点和叶片中心连线夹角θ的影响。但误差均小于0.04mm，能够接受该大小的测量误差。

3.3测量规范要求，C1、C2、C3设计公差为-0.3～+0.8mm，为尽可能减少测量的原理误差，最终设计量具时，三角面片的边长应取小10mm为宜，能够将测量的原理误差控制在0.02mm以内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。