基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统及方法与流程

1.本发明属于高低温环境下热变形测量领域，涉及基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统及方法。


背景技术：

2.在一些机械与仪器设备中，由于温度变化引起结构的热变形对设备精度的影响一直是受人们关注的问题，而一种合理有效的高精度热变形测量方法是研究结构热变形特点的重要手段。目前对被测件进行高低温环境下热变形测量的主流方法主要有接触式测量方法及光学测量方法，包括顶杆式热膨胀测量法、激光干涉法、数字图像相关测量法等，这些方法在测量精度、应用场景等方面各有优缺点，特别是在面向复杂不规则结构进行高低温环境下变形测量时当前主流方法存在测量及评估困难问题。而三坐标测量机作为一种基于计算机技术和坐标测量原理的高精度测量设备，其利用侧头对被测物体进行多点测量获得各测点的空间坐标位置信息，具有能够对面向复杂不规则结构进行自动测量、精度高，可用于几乎所有的普通尺寸测量、数据处理、外形分析，应用领域十分广泛。但目前三坐标测量机测量平台为开放平台，仅能在常温环境下进行测量进行精密测量工作无法准确稳定的对被测件进行控温操作，很少有将三坐标机这种高精度测量设备应用在高低温环境下的变形测量方法，这主要是由于存在常规控温系统与三坐标操作系统适配困难、相互干涉、高精度控温困难、测量精度难保证等问题。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统及方法，能够有效的利用三坐标机实现大体积复杂不规则结构件在高低温环境下的变形和位姿变化测量。
4.本发明解决技术的方案是：
5.基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统，包括移动式控温模块、循环控温模块、测量模块、试验件安装布置模块和试验件；
6.移动式控温模块包括分布式测控温软件系统、测控温逻辑控制器、移动控温腔测温传感器、移动控温腔测温传感器线路、移动控温腔、加热器线路、压缩机控制线路、冷交换器、制冷压缩机和加热器；
7.循环控温模块包括控温介质管路、手动抽送气阀、单向进气阀、干燥器和湿度传感器；
8.测量模块包括三坐标机、三坐标机测头、三坐标机控制测量系统和大理石气浮隔振测量平台；
9.试验件安装布置模块包括平台温控腔、聚四氟乙烯隔热垫、控温传感器和控温传感器线路；其中，平台温控腔包括台温控腔壳体、平台温控腔内保温层和平台温控腔外保温层；平台温控腔的各个侧面分布着贯通的测量通道；
10.其中，移动控温腔测温传感器、加热器、冷交换器放置在移动控温腔内部；制冷压缩机放置在密闭移动控温腔外部与冷交换器相连，移动控温腔测温传感器通过移动控温腔测温传感器线路与外部测控温逻辑控制器相连，分布式测控温软件系统通过测控温逻辑控制器利用加热器线路、压缩机控制线路分别对移动控温腔内的加热器和制冷压缩机进行控制，实现对移动控温腔内的控温介质进行升降温；干燥器和湿度传感器串接在控温介质管路的介质输入回路上，介质出口处串接一个单向进气阀，手动抽送气阀串接在控温介质管路的介质回流路上，介质回流路的介质出口处同样串接一个单向进气阀；控温介质管路与平台温控腔内保温层内腔连通；平台温控腔内保温层安装在平台温控腔壳体内壁上，平台温控腔外保温层安装在平台温控腔壳体外壁上；大理石气浮隔振测量平台水平放置；聚四氟乙烯隔热垫水平放置在大理石气浮隔振测量平台的上表面；平台温控腔外保温层放置在聚四氟乙烯隔热垫的上表面；控温传感器安装在试验件的顶部，且控温传感器通过控温传感器线路与测控温逻辑控制器连接；三坐标机固定在大理石气浮隔振测量平台上，三坐标机测头安装在三坐标机上，三坐标机控制测量系统放置在大理石气浮隔振测量平台外。
11.在上述的基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统，所述控温介质为氮气或干燥空气。
12.在上述的基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统，所述加热器为加热丝或红外加热灯。
13.基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量方法，包括如下步骤：
14.步骤一、建立如权利要求1所述的变形测量系统；
15.步骤二、将试验件安装在平台温控腔内保温层中，且试验件端面上的被测点与测量通道位置对应；
16.步骤三、打开三坐标机控制测量系统建立测量坐标系，并通过初始状态调试输入试验件上所有被测点位置信息，并关闭平台温控腔侧面所有的测量通道；
17.步骤四、利用手动抽送气阀配合单向进气阀使平台温控腔与移动控温腔内的控温介质通过干燥器进行循环，利用湿度传感器对循环控温介质的湿度进行实时监测，直至平台温控腔与移动控温腔内所有控温介质达到目标湿度值rh；
18.步骤五、移动式控温模块通电开机，通过分布式测控温软件系统分别测量并读取移动控温腔的温度值t
ao
和平台温控腔中控温传感器的温度值t
bo
，并进行记录；
19.步骤六、按照预先设定的试验件上所有被测点测量顺序，打开首个被测点对应的测量通道；
20.步骤七、通过三坐标机控制测量系统控制三坐标机驱动三坐标机测头通过打开的测量通道对该被测点进行初始位置信息测量；测量完成后，将三坐标机测头移开测量通道，关闭该测量通道；
21.步骤八、按照预先设定的被测点测量顺序，重复步骤六至步骤七，直至试验件上所有被测点测量完毕，并将初始位置信息记为(u
i0
,v
i0
,w
i0
)；i为被测点序号；
22.步骤九、将第一个预设温度值t1输入分布式测控温软件系统，通过调节移动式控温腔内的制冷压缩机或加热器对移动式控温腔内的控温介质进行升降温，并利用移动控温腔测温传感器对温度实时监测，直至达到t1；
23.步骤十、利用手动抽送气阀配合单向进气阀将移动式控温腔内的控温介质传输到
平台温控腔内，并配合控温介质管路上的单向进气阀将平台温控腔中控温介质抽至移动控温腔内，实现控温介质在移动控温腔和平台温控腔中循环；
24.步骤十一、同步采用湿度传感器对控温介质的湿度值进行监测；采用控温传感器对平台温控腔中温度进行实时监测；并将控温传感器监测值反馈至分布式测控温软件系统和测控温逻辑控制器，通过控制加热器及制冷压缩机使试验件的温度控制达到目标值；
25.步骤十二、当平台温控腔内的控温传感器测量的试验件温度满足目标温度值并且温度稳定后；重复步骤六至步骤七，完成t1温度条件下试验件所有被测点位置信息测量，记为(u
i1
,v
i1
,w
i1
)；
26.步骤十三、重复步骤九至步骤十二，进行t
j
温度条件下的变形测量，直至j个预设温度值下试验件各测量点的坐标信息均测量完成，记为(u
ij
,v
ij
,w
ij
)；
27.步骤十四、计算试验件各测量点的变形信息(δu
i
,δv
i
,δw
i
)；
28.步骤十五、通过各温度值下任意两个端面的测量数据拟合得到两个端面在各温度值下的平面及法向量；通过对比分析各温度值下两个端面拟合得到平面的法向量在各个坐标平面的夹角(α
i
,β
i
,γ
i
)，得出各温度值下试验件任意两个端面法向量夹角的变化量，即可得到相对位姿态变化量，记为(δα
i
,δβ
i
,δγ
i
)。
29.在上述的基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量方法，所述步骤四中，控温介质为氮气或干燥空气。
30.在上述的基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量方法，所述步骤九中，加热器为加热丝或红外加热灯。
31.在上述的基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量方法，所述步骤十四中，试验件各测量点的变形信息(δu
i
,δv
i
,δw
i
)的计算方法为：
32.(δu
i
,δv
i
,δw
i
)＝(u
ij
,v
ij
,w
ij
)
‑
(u
i0
,v
i0
,w
i0
)。
33.本发明与现有技术相比的有益效果是：
34.(1)本发明提供的基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统及方法，具有高精度、简单便捷、易实现、通用的优点，可解决复杂结构、不规则结构件在高低温环境下三维变形及端面位姿测量难以测量问题；
35.(2)本发明提出一种可移动的移动控温腔与扩展温控腔相结合的温度环境加载方法，可调温度范围广，可移植性强，可实现对多种不同三坐标机及多种尺度的复杂试验件通用，具有较广的应用面与较为便捷的实用性；
36.(3)本发明采用了柔性耐高温管路设计、气浮隔振及控温介质干燥处理相结合进行控温介质循环扩展控温的方法，可有效地避免常规控温设备微振动、结露等对高精度测量的影响，可有效地减少测量误差。
附图说明
37.图1为本发明构件变形测量系统示意图。
具体实施方式
38.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
39.针对传统测量方法在面向不规则被测目标的高低温环境下变形、位姿测量方面存
在的一些不足，本发明提供了一种基于三坐标机的高低温环境下结构件变形测量方法，主要解决三坐标机在高低温环境下对复杂不规则结构件的变形测量、位姿测量难以实现的问题。
40.基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统，如图1所示，具体包括移动式控温模块、循环控温模块、测量模块、试验件安装布置模块和试验件12；
41.移动式控温模块包括分布式测控温软件系统18、测控温逻辑控制器19、移动控温腔测温传感器23、移动控温腔测温传感器线路20、移动控温腔24、加热器线路21、压缩机控制线路22、冷交换器25、制冷压缩机26和加热器27；
42.循环控温模块包括控温介质管路14、手动抽送气阀16、单向进气阀15、干燥器17和湿度传感器13；
43.测量模块包括三坐标机2、三坐标机测头3、三坐标机控制测量系统1和大理石气浮隔振测量平台11；
44.试验件安装布置模块包括平台温控腔、聚四氟乙烯隔热垫10、控温传感器7和控温传感器线路9；其中，平台温控腔包括台温控腔壳体5、平台温控腔内保温层4和平台温控腔外保温层6；平台温控腔的各个侧面分布着贯通的测量通道8；
45.其中，移动控温腔测温传感器23、加热器27、冷交换器25放置在移动控温腔24内部；制冷压缩机26放置在密闭移动控温腔24外部与冷交换器25相连，移动控温腔测温传感器23通过移动控温腔测温传感器线路20与外部测控温逻辑控制器19相连，分布式测控温软件系统18通过测控温逻辑控制器19利用加热器线路21、压缩机控制线路22分别对移动控温腔内的加热器27和制冷压缩机26进行控制，实现对移动控温腔24内的控温介质进行升降温；干燥器17和湿度传感器13串接在控温介质管路14的介质输入回路上，介质出口处串接一个单向进气阀15，手动抽送气阀16串接在控温介质管路14的介质回流路上，介质回流路的介质出口处同样串接一个单向进气阀15；控温介质管路14与平台温控腔内保温层4内腔连通；平台温控腔内保温层4安装在平台温控腔壳体5内壁上，平台温控腔外保温层6安装在平台温控腔壳体5外壁上；大理石气浮隔振测量平台11水平放置；聚四氟乙烯隔热垫10水平放置在大理石气浮隔振测量平台11的上表面；平台温控腔外保温层6放置在聚四氟乙烯隔热垫10的上表面；控温传感器7安装在试验件12的顶部，且控温传感器7通过控温传感器线路9与测控温逻辑控制器19连接；三坐标机2固定在大理石气浮隔振测量平台11上，三坐标机测头3安装在三坐标机2上，三坐标机控制测量系统1放置在大理石气浮隔振测量平台11外。
46.控温介质为氮气或干燥空气。加热器27为加热丝或红外加热灯。
47.基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量方法，具体包括如下步骤：
48.步骤一、建立变形测量系统，如图1所示，包括移动式控温模块、循环控温模块、测量模块和试验件安装布置模块。
49.将测量模块各单元包括三坐标机、三坐标机测头、三坐标机控制测量系统、大理石气浮隔振测量平台进行连接和调试，使其具备可测量状态，并确保测量模块各单元不干涉控温介质循环模块和试验件安装布置模块的安装。
50.将平台温控腔通过转接件安装在大理石气浮隔振测量平台上三坐标机测量空间范围内，平台温控腔在大理石气浮隔振测量平台上安装时需要在其底部加装聚四氟乙烯隔
热垫，以实现平台温控腔内高低温环境对大理石气浮隔振测量平台热影响最小化。
51.所述平台温控腔，由内向外依次是由平台温控腔内保温层、平台温控腔壳体、平台温控腔外保温层组成；所述平台温控腔，其特点在于是根据试验件外形尺寸及轮廓的不同进行专门设计的。
52.步骤二、将试验件12安装在平台温控腔内保温层4中，且试验件12端面上的被测点与测量通道8位置对应。将试验件按照变形测量要求安装在平台温控腔内，使试验件的被测端面上被测点与平台温控腔有测量通道对应。其中，所述测量通道，特点在于其分布位置是根据试验件上被测点被测点位置确定的。
53.将控温传感器粘贴在试验件上，并将平台温度传感器线路与测控温逻辑控制器连接。将移动控温腔设置在大理石气浮隔振测量平台周围，并尽可能远离三坐标机，采用控温介质管路串接干燥器与湿度传感器后将移动控温腔上部与平台温控腔上部连接，然后采用控温介质管路串接单向进气阀及手动抽送气阀后将移动控温腔下部与平台温控腔下部连接。
54.其中，控温介质管路，均采用柔性耐高低温管路。
55.用移动控温腔测温传感器线路连接测控温逻辑控制器与移动控温腔测温传感器，用加热器线路连接测控温逻辑控制器与加热器，用压缩机控制线路连接制冷压缩机与测控温逻辑控制器，用控温传感器线路连接控温传感器与测控温逻辑控制器，进一步将分布式测控温软件系统与测控温逻辑控制器连接。
56.步骤三、打开三坐标机控制测量系统1建立测量坐标系，并通过初始状态调试输入试验件12上所有被测点位置信息，并关闭平台温控腔侧面所有的测量通道8。
57.步骤四、利用手动抽送气阀16配合单向进气阀15使平台温控腔与移动控温腔24内的控温介质通过干燥器17进行循环，利用湿度传感器13对循环控温介质的湿度进行实时监测，直至平台温控腔与移动控温腔24内所有控温介质达到目标湿度值rh；控温介质为氮气或干燥空气。
58.步骤五、移动式控温模块通电开机，通过分布式测控温软件系统18分别测量并读取移动控温腔24的温度值t
ao
和平台温控腔中控温传感器7的温度值t
bo
，并进行记录。
59.步骤六、按照预先设定的试验件12上所有被测点测量顺序，打开首个被测点对应的测量通道8。
60.步骤七、通过三坐标机控制测量系统1控制三坐标机2驱动三坐标机测头3通过打开的测量通道对该被测点进行初始位置信息测量；测量完成后，将三坐标机测头3移开测量通道，关闭该测量通道。
61.步骤八、按照预先设定的被测点测量顺序，重复步骤六至步骤七，直至试验件12上所有被测点测量完毕，并将初始位置信息记为(u
i0
,v
i0
,w
i0
)；i为被测点序号。
62.步骤九、按照试验件的高低温环境下构件变形测量的控温程序，将第一个预设温度值t1输入分布式测控温软件系统18，通过调节移动式控温腔24内的制冷压缩机26或加热器27对移动式控温腔24内的控温介质进行升降温，并利用移动控温腔测温传感器23对温度实时监测，直至达到t1。加热器27为加热丝或红外加热灯。
63.步骤十、利用手动抽送气阀16配合单向进气阀15将移动式控温腔24内的控温介质传输到平台温控腔内，并配合控温介质管路14上的单向进气阀15将平台温控腔中控温介质
抽至移动控温腔24内，实现控温介质在移动控温腔24和平台温控腔中循环。
64.步骤十一、同步采用湿度传感器13对控温介质的湿度值进行监测；采用控温传感器7对平台温控腔中温度进行实时监测；并将控温传感器7监测值反馈至分布式测控温软件系统18和测控温逻辑控制器19，通过控制加热器27及制冷压缩机26使试验件12的温度控制达到目标值。
65.步骤十二、当平台温控腔内的控温传感器7测量的试验件温度满足目标温度值并且温度稳定后；重复步骤六至步骤七，完成t1温度条件下试验件12所有被测点位置信息测量，记为(u
i1
,v
i1
,w
i1
)。
66.步骤十三、重复步骤九至步骤十二，进行t
j
温度条件下的变形测量，直至j个预设温度值下试验件12各测量点的坐标信息均测量完成，记为(u
ij
,v
ij
,w
ij
)。
67.步骤十四、计算试验件12各测量点的变形信息(δu
i
,δv
i
,δw
i
)。试验件12各测量点的变形信息(δu
i
,δv
i
,δw
i
)的计算方法为：
68.(δu
i
,δv
i
,δw
i
)＝(u
ij
,v
ij
,w
ij
)
‑
(u
i0
,v
i0
,w
i0
)。
69.步骤十五、通过各温度值下任意两个端面的测量数据拟合得到两个端面在各温度值下的平面及法向量；通过对比分析各温度值下两个端面拟合得到平面的法向量在各个坐标平面的夹角(α
i
,β
i
,γ
i
)，得出各温度值下试验件12任意两个端面法向量夹角的变化量，即可得到相对位姿态变化量，记为(δα
i
,δβ
i
,δγ
i
)。
70.本发明提出的基于三坐标机的高低温环境下构件变形测量系统及方法，具有高精度、简单便捷、易实现、通用的优点，可解决复杂结构、不规则结构件在高低温环境下三维变形及端面位姿测量难以测量问题；可调温度范围广，可移植性强，可实现对多种不同三坐标机及多种尺度的复杂试验件通用，具有较广的应用面与较为便捷的实用性。同时，采用了柔性耐高温管路设计、气浮隔振及控温介质干燥处理相结合进行控温介质循环控温的方法，可有效地避免常规控温设备微振动、结露等对高精度测量的影响，可有效地减少测量误差。
71.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。