激光跟踪仪在风机叶片外形测量中的应用讲解

1、制造技术研究2009年12月第6期26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 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

4、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

5、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0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B和水平角a用激光干涉仪测量 0点到P点的距离d ,则P点坐标（X , 丫 , Z很容易由B ,和t 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

6、造技术27出,公式为sin cos sin sin cos x d y d z d ?3 aaP =? ? ?二？（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0.5 pn/m, ADM（绝对测距仪 距离精度10 m,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

7、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多站式测量激光跟踪仪P3*激光跟踪仪P2F4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

8、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.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 1P 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

9、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34m，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

10、 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 1P 4, 第3、4、5站均能测得P 5P Q因此，第25站下

11、的点均可以转换到第1站下。 为了制造技术研究P1P9第5站 P4笫2站 pl第2009年12月第6期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.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

12、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

13、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335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

14、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平面制造技术研究航天制造技术29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

15、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、丫轴的位置，转换系统坐标，将叶片的位置放 置到其自

16、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a (、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1杨永跃，邓善熙,何革群.风力机叶片检测