激光跟踪仪在风机叶片外形测量中的应用讲解

制造技术研究
2009年 12月第 6期
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激光跟踪仪在风机叶片外形测量中的应用
王卫军李晓星方程陈赐常 (北京航空航天大学机械学院,北京 100191
摘要 :将激光跟踪仪在风机叶片外形的测量中进行了应用。

研究了相应的测量规范, 制定了相应的测量步骤,并进行了实际测量。

根据实际测量数据,利用逆向反求技术,构造了精确的叶片三维模型,提取了叶片的相关参数。

关键词 :风机叶片;激光跟踪仪;测量;逆向反求
Wind Rotor Blade Measurement with Laser Tracker
Wang Weijun Li Xiaoxing Fang Cheng Chen Cichang
(School of Mechanical Engineering and Automation, BeiHang University, Beijing 100191
Abstract :In this paper, a high-precision laser tracker is applied in the measurement of wind rotor blades. The corresponding measurement norms and steps are developed. Based on actual measurement data, the three-dimensional model of a wind rotor blade has been constructed by reverse forming, and its relevant parameters are extracted.
Key words:wind rotor blade; laser tracker; measurement ; reverse
1 引言
风机叶片是风力发电机最主要的部件之一,它是风力机接收风能的关键构件。

由于风力机叶片的造型特殊、空间角度复杂、长度大、尺寸较多、技术要求严格,没有确切的规律可循,给叶片的全面
测量带来了很大的困难。

目前,风力机叶片制造厂
所用的测量方法主要有以下几种:标准样板比对法、
仿型画线投影法、三坐标测量机测量包络线法、综
合测量法。

以上方法不仅测量效率低,各有自身的
缺点,而且都不能完全按照设计要求来全面测量 [1]。

随着叶片质量要求的提高,叶片测量的精度和效率变得越来越重要。

近年来,激光跟踪仪以其测量精度高、测量距离大、便携等优点得到了迅速的发展, 在航空航天、
汽车制造、造船、各种检测以及通用精密加工等大尺寸精密测量行业中得到了广泛的应用。

本文采用 Leica AT901激光跟踪仪对某风机叶片外形进行了全型面测量。

探究了利用激光跟踪仪测量风机叶片的方法和步骤,并依据测量结果,结合风机叶片参数进行了逆向重构,构造出了该风机叶
片精确的三维模型。

2 Leica AT901激光跟踪仪 2.1 测量原理
激光跟踪仪对空间目标点的坐标测量是通过测量出水平角、垂直角和斜距,然后按球坐标原理得到空间点的三维坐标 X , Y , Z 。

如图 1所示,在球坐标测量系统中,设跟踪器的旋转中心为 O 点,被测靶镜的中心为 P 点。

图 1 激光跟踪仪坐标测量原理
用两个角度编码器分别测量出 P 点的垂直角β和水平角α,用激光干涉仪测量O 点到 P 点的距离 d ,则 P 点坐标 (X , Y , Z 很容易由β, α和 d 计算得作者简介:王卫军(1984- ,硕士,航空宇航制造工程专业;研究方向:激光跟踪测量技术的应用。

收稿日期:2009-11-03
制造技术研究航天制造技术
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出,公式为
sin cos sin sin cos x d y d z d βαβαβ=⋅⋅⎧⎪
=⋅⋅⎨⎪=⋅⎩
(1
通过空间齐次坐标变换,可将 P 点的坐标转换到用户自定义的坐标系中 [2]。

2.2 测量精度
激光跟踪仪的测量精度主要取决于它的跟踪角度和距离测量精度及测量环境的影响。

Leica AT901的测量范围半径为 80m , IFM (激光干涉仪距离精度
0.5µm/m, ADM
(绝对测距仪距离精度 10µm, 完全满足风机叶片的测量要求。

3 风力机叶片的测量方法
对风机叶片进行测量时,首先以叶片根部机加工圆环平面为基准面, 建立合理的叶片测量坐标系; 之后按要求沿叶片长度方向每隔一定距离取一个与基准平面平行的截面,测量各个截面的叶片外轮廓点;最后测量叶片的头部点云、参考脊线、叶片自身坐标的轴线等。

3.1 多站式测量
待
测风力机叶片由于其尺寸比较大 (全长
48.8m 、端面直径 2.4m
,而且没有对称面,利用激光跟踪仪对其进行型面测量时,需进行多站式测量才能得到整体数据。

多站式测量是指对固定在某处的测量目标进行测量时,把激光跟踪仪仅放置在一个测量位置不能完成测量工作,需要通过移动激光跟踪仪(或者布置多台激光跟
踪仪 , 在不同的位置分别对测量目标进行测量,最后将各站测得的数据转到同一坐标系中进行统一处理。

在多站式测量中,转站是关键性的一步。

转站是将多个不同测量坐标系下的点放在同一坐标系下,所以转站时引入的测量误差将影响到每一个测量点,转站精度的高低直接决定测量结果的好坏。

对于在统一的坐标系下,一般要求转站测量误差控制在 ±0.5mm以下。

两个测站系统之间的转换依据最基本的坐标系统转换的原理。

但在此仅需要 3个旋转参数和 3个平移参数,而不需要尺度参数,是因为在每一测站上开始的测量坐标系统已经具有了统一的尺度基准。

在此,为了保证测站间坐标系统的转换精度至少需要 3个公共基准点,公共基准点是 2个站都能测量到的且位置固定的点。

为保证转换精度,两站
的公共基准点通常取 4个或 4个以上。

图 2中, P 1~P 4为公共点。

图 2 两个测站系统之间的转换
3.2 测量现场条件要求
为保证有效的测量,需对现场条件提出要求。

a. 地面坚硬,应保证激光跟踪仪和叶片能平稳放置;
b. 尽量保证测量场地环境温度恒定,无风或风力变化不大,以免叶片发生热胀冷缩,或因风吹而变形,尽量选择在室内测量;
c. 叶片两侧需要留出足够的测量空间(至少 3~4m
,避免出现激光跟踪仪的测量死角; d. 测量的过程中不得移动叶片,叶片头部支架应牢固可靠,保证叶片不会发生抖动;
e. 叶片底部应离地面至少 50cm ,
保证能测到叶片底部。

3.3 测量步骤及实际测量结果
结合实际,在利用激光跟踪仪对风机叶片进行测量时,按以下几个步骤进行。

3.3.1 布站
由于叶片长度大,而且两面均需测量,须采取多站测量方式。

根据叶片的形状和摆放的位置,确定测量的站数,并设置公共基准点。

站点确定应遵循以下原则:
a. 站位和转站次数应保证能完整测到叶片的所有部位;
b. 在满足上述条件的前提下,站点越少越好, 可以减少转站误差和工作量;
c. 因为激光跟踪仪测距精度高于测角精度,在选择站点位置时,应尽量使跟踪仪能正对该站的测量范围,以减少测头偏摆的角度;
d. 转站的各站之间须建立足够的公共基准点 (每两站之间不少于 4个 ,并固定可靠。

实际测量时,根据叶片排放的位置,采用 5站式。

5站和 9个公共点的位置分布如图 3所示。

第 1站能同时测得 9个公共点的位置,第 2站能测得公共点 P 1~P 4,第 3、 4、 5站均能测得 P 5~P 9。

因此, 第 2~5站下的点均可以转换到第 1站下。

为了
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28保证转站的精度,需要多次测量公共点,使转站的测量误差控制在 ±0.5mm以下。

图 3 实际测量时站点和公共点的布置
3.3.2 建立测量坐标系
图 4 叶片根部机加工圆环平面
以为基准面,建立测量坐标系。

实际测量时, 在第 1站下, 以叶片根部机加工圆环平面为 YZ
平面, 以圆环心为原点 O ,以过端面原点 O ,且与基准面垂直的方向为 X 轴, 建立如图 4所示
XYZ 直角坐标系(测量坐标系。

利用每一站进行测量时,先对公共基准点进行测量。

通过公共基准点,软件系统会把其它站的坐标系统转到第 1站所设置的测量坐标系中,接下来所测的坐标自动归为同一坐标系统下的数据。

3.3.3 测量截面点云
按要求沿叶片长度方向每隔一定距离(本例中为 1m
取一个与基准平面平行的截面, 测量各个截面的叶片外轮廓点。

实际测量时,首先在叶片表面对每个测量截面大致位置进行标记,如图 5a 所示。

测量过程中,根据建立的坐标系, 采用栅格读点的方式。

Leica AT901激光跟踪仪自带软件能自动设定截面(基准面初始面,每隔 1m 设置取点截面 ,当跟踪小球在各个截面附近移动时,能自动捕捉到仅在此截面上的点。

例如在测量第 n m处的截面时,设置 X 的坐标值为固定值 n m 。

小球贴在叶片表面,在 n m 线附近左右缓慢移动,当跟踪仪采集到 X 坐标为 n m 时候的
点时,会自动记录一次,如图 5b 所示。

a 截面位置的标记
b 小球在截面附件的移动轨迹
图 5 截面数据的测量
最终测得的截面点云如图 6所示。

图 6 最终测得的截面点云
3.3.4 测量尾部点云
由于叶片尾部厚度小,刚度差,易产生抖动和变形,采用密集测量的方式,增加测量点云数量以提高测量精度。

实际测量时,叶片尾部采用扫描点的方法从左右两侧分别扫得尾部点云。

结果如图 7所示。

图 7 尾部点云
3.3.5 测量脊线点云
脊线测量数据将作为叶片 CAD 模型重构时, 整体型面拉伸时的参考脊线;实际测量时,分别对上下端脊线以及中间的几条脊线进行了测量。

3.3.6 测量坐标轴线
为最终实现测量坐标系与叶片自身坐标系的转换,需要测量叶片自身坐标系的轴线在测量坐标系下的位置。

实际测量时,测量坐标系的原点与叶片自身坐标系的原点是重合的。

叶片自身坐标系的 Z 轴与测量坐标系的 X 轴对应;叶片自身坐标系的 XY 平面
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与测量坐标系的 YZ 平面对应。

根据测得的端面上零度线 (原点到零度线的垂线为叶片自身坐标系 X 轴上的点云,可以确定叶片自身坐标系的 X 轴在测量
坐标系上的位置,进而可以实现坐标的转换,将叶片的位置放置到叶片自身坐标系下。

4 测量数据处理和模型重构
4.1 拟合截面
根据测得的各截面点云,逐一采用 B 样条拟合为封闭的截面曲线。

拟合的过程中,需要剔除一些冗余点,以保证控制截面形状的拟合误差 std 不大于 0.5mm 。

另外,由于测量反射球半径为 19.05mm ,因此拟合出来的截面还需要进行半径补偿,即将拟合出来的截面向内偏移一个半径值,如图 8所示。

图 8 测量反射球半径补偿
4.2 拟合尾端
图 9 尾端的曲面拟合
根据截面的点云,利用 NURBS 曲面拟合的方法拟合出尾端的曲面,并对生产的曲面进行偏移, 以消除小球半径的影响。

结果如图 9所示。

4.3 拟合脊线
根据脊线点云,采用 B 样条拟合拟合出光顺的脊线。

4.4 整体多截面拉伸
利用拟合出来的多个截面闭合曲线作为截面数据,利用拟合出来的脊线作为引导线,进行多截面曲面拉伸,最终生成光顺的风机叶片整体型面。

4.5 坐标转换
按照测得的风机叶片自身 X 轴、 Y 轴的位置, 转换系统坐标,将叶片的位置放置到其自身的坐标
系下。

4.6 实体模型的生成
将生成的叶片整体型面的端面进行封闭,生成一个闭合曲面,对其进行实体填充,隐藏曲面,可以得到实体模型。

最终的实体模型结果如图 10所示。

图 10 最终实体模型
4.7 相关技术参数提取
根据实体模型,提取风机叶片相关技术参数, 包括各截面弦长 C (mm、最大厚度B (mm、相对厚度 r (无量纲、扭转角α(° 、前缘距离桨距轴位置 K (mm、预弯 L (mm等。

5 结束语
近年来, 激光跟踪仪得到了越来越广泛的应用。

本文利用激光跟踪仪对某风机叶片外形进行了测量,研究了相应的测量规范与测量步骤。

根据测量结果,通过逆向反求得到了精确的三维实体模型和相关的叶片参数。

利用重构出来的三维模型与提取的相关技术参数,可以对风机叶片的动力性能、强度等相关数据进行分析和验证,也可以实现对风机叶片外形的检测。

参考文献
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