一种闭式叶轮的数据采集治具和方法

技术领域

本发明涉及离心泵技术领域，具体为一种闭式叶轮的数据采集治具和方法。

背景技术

传离心泵叶轮是离心泵的核心零件， 直接决定了泵的效率，性能，汽蚀余量等重要参数。 叶轮分为开式叶轮， 半开式叶轮和闭式叶轮。 其中开始叶轮和半开式叶轮三位激光扫描仪几乎可以采集全部的点云数据，而对于闭式叶轮也是API 610要求的叶轮，因为有前后盖板的原因其内部叶片的数据采集在不破坏叶轮的情况下很难采集， 即使我们人眼可见部分扫描仪也会因为瞳距不一定能够采集到。

目前对于闭式叶轮的数据采集通常是采集进出口部分点云进行拟合，或者是注入制模剂制模后进行扫描模。其中，采用采集进出口部分点云进行拟合的方法，其扫描用时少，但拟合用时较长，且由于采集的数据仅有进出口部分可见云点，拟合准确度不够。而采用注入制模剂制模，再进行扫描模的方法，其制模剂制模不仅制模费用高，需花费较长的时间，而且因为制模剂收缩及拟合点云数量的不足等易导致采集数据的误差。

发明内容

本发明提供一种在不破坏叶轮的情况下进行叶片数据快速采集的闭式叶轮的数据采集治具和方法。

为了实现上述目的，通过以下技术方案实现。

本发明提供一种闭式叶轮的数据采集治具，包括夹具和探针，所述探针由探针头和探针杆构成，所述探针杆采用软质在外力作用下可形变钢材制成，所述探针杆的形状与闭式叶轮的叶片形状吻合，所述探针杆的外端可拆卸式固定在夹具上，所述探针杆的里端设有探针头，所述探针头的针尖所在位置在所述夹具的底面所在平面上，或者所述探针头的针尖所在位置靠近所述夹具的底面所在平面。本发明闭式叶轮的数据采集治具，主要由探针和固定探针的夹具构成，其整体零部件构成少，结构简单；所述探针采用软质可形变钢材制成，且由探针杆和探针头构成，且探针杆形状与闭式叶轮的叶片形状吻合的设计，便于后续在通过操作夹具控制探针伸入叶轮内的不可见区域，为后续探针头与叶片接触提供基础保障；所述探针头的设置，探针头设置在探针杆的里端，且探针头的针尖位置靠近夹具底面所在平面或在所述夹具底面所在平面上，使操作者在操作夹具时，一方面使探针头的针尖与叶片接触，另一方面使探针头的针尖位置始终靠近或在所述夹具底面所在平面上，为后续3D扫描提供计算依据，使3D扫描夹具后能快速通过夹具所在位置判断所述探针头的针尖与叶片接触点所在位置，进而实现叶片的数据采集，其不仅操作方便、而且数据采集精准而快速。

进一步地，所述探针头为钩形。钩形结构探针头的设计，使操作者在操作夹具控制探针头与叶片工作面任意位置均能接触，确保探针采集数据的云点数，进而确保探针采集数据的准确性。

进一步地，所述探针头自探针杆里端部向夹具底面所在平面呈钩形倾斜设置。探针头的钩形倾斜设置，使探针头的针尖距离探针杆一定距离，由于叶片工作面为曲面结构，因此，探针头针尖远离探针杆一定距离，有效确保采集作业时，探针头的针尖能与叶片工作面的任意位置接触，进一步确保探针采集数据的准确度。

进一步地，所述探针头和探针杆为一体结构，采用一体结构时，探针杆为实心结构，可在探针杆伸入叶轮能形成与叶片相吻合的形状后，在探针杆的里端位置进行加工成钩形探针头，其一体结构更牢固，而且易于加工；或者所述探针头和探针杆为分体结构，采用分体结构时，探针杆为空心管状结构，探针头选用实心材质进行切削和弯折处理，探针头的切削有尖头的一端位于外端，另一端伸入探针杆的空心管内，由于探针杆自身在叶轮能弯曲成形为与叶片吻合的弯曲形状，因此，在探针头伸入探针杆内后再经过弯折和切削处理后，探针头可在弯折力的作用下牢固地固定在探针杆内。探针头和探针杆可设计为一体结构，也可设计为分体结构，为使用者提供多种选择，使制作和操作更为灵活、方便。

进一步地，所述夹具为扁平状结构，所述夹具的底面为平面设置。夹具制成扁平状结构，可选用板材直接制备，其不仅制备简单，而且有效节省材料；夹具底面设置为平面，一方面便于夹具的安装，另一方面，便于探针头的尖头靠近或在夹具底面所在平面在探针头制作后，便于后续3D扫描时，便于利用空间坐标位置关系，通过扫描夹具获取探针头与叶片接触的位置，进而实现叶片工作面的数据采集。

进一步地，所述夹具上设有从一侧贯通至另一侧的贯通孔，所述贯通孔内用于安装和固定所述探针。所述贯通孔的设置，使所述探针横向穿入所述夹具，使作业人员在操作夹具的同时，控制探针伸入叶轮的深度和位置，方便作业。

进一步地，所述夹具上设有垂直贯通孔设置的调节孔，所述调节孔自贯通孔起向外贯通设置，所述调节孔内设有调节件。所述调节件的设置，在所述探针伸入所述夹具后，通过调节件将探针紧固在所述夹具内的贯通孔内，使探针固定稳固。

本发明还提供了一种利用上述闭式叶轮的数据采集治具进行闭式叶轮的数据采集方法，包括如下步骤，

S1，治具的制备，包括探针和夹具的制备，所述探针的制备为先用在外力作用下可形变的钢材制成的铜条或者铁丝深入叶轮流道中使其变形为吻合叶片的形状，然后在弯曲后的探针的里端制备探针头；然后选择一扁平状钢块进行制备夹具，在钢块上进行钻贯通孔用于安装探针，并在钢块上钻与贯通孔垂直且自贯通孔起向外贯通钢块的调节孔，调节孔内设置调节件用于紧固装在贯通孔内的探针；

S2，扫描叶片数据，包括，

S2.1，叶轮可见部分的数据扫描，采用3D扫描仪按常规扫描方法扫描叶轮外部形状以及进出口可见部分；

S2.2，叶轮不可见部分的数据扫描，操作夹具使探针伸入叶轮的不可见部分，并使探针的探针头与叶片工作面接触，然后通过3D扫描仪扫描叶片与前盖板和后盖板封闭不可见位置的工作面数据；

S2.3，如是重复S2.1和S2.2多次，直至得到整个叶片的工作面数据。

进一步地，上述步骤S2中叶片工作面数据采集包括工作面顶部数据采集和工作面底部数据采集，所述工作面顶部数据采集步骤为，操作夹具，将探针伸入叶轮内的不可见位置，并使探针的探针头接触叶片与前盖板相交的部分，然后通过3D扫描仪扫描夹具位置，如是重复多次，直至采集整个叶片工作面顶部的数据；所述工作面底部数据采集步骤为，操作夹具，将探针伸入叶轮内的不可见位置，并使探针的探针头接触叶片与后盖板相交的部分，然后通过3D扫描仪扫描夹具位置，如是重复多次，直至采集整个叶片工作面底部的数据。

本发明闭式叶轮的数据采集治具及方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

第一、结构和制作简单，本发明闭式叶轮的数据采集治具，主要由探针和固定探针的夹具构成，其整体零部件构成少，其不仅结构简单，而且制作简单方便；

第二、数据采集精准、快速，所述探针采用软质可形变钢材制成，且由探针杆和探针头构成，且探针杆形状与闭式叶轮的叶片形状吻合的设计，便于后续在通过操作夹具控制探针伸入叶轮内的不可见区域，为后续探针头与叶片接触提供基础保障；所述探针头的设置，探针头设置在探针杆的里端，且探针头的针尖位置靠近夹具底面所在平面或在所述夹具底面所在平面上，使操作者在操作夹具时，一方面使探针头的针尖与叶片接触，另一方面使探针头的针尖位置始终靠近或在所述夹具底面所在平面上，为后续3D扫描提供计算依据，使3D扫描夹具后能快速通过夹具所在位置判断所述探针头的针尖与叶片接触点所在位置，进而实现叶片的数据采集，其不仅操作方便、而且数据采集精准而快速；

第三、使用方便，使用时，操作者通过操作夹具控制探针伸入叶轮的位置使其与叶轮内叶片工作面接触，夹具位于叶轮外部，其操作和使用方便、快捷；

第四、采集过程无需破坏闭式叶轮，本发明数据采集通过制备采集治具，由作业人员操作位于叶轮外部的夹具，将夹具上的探针伸入叶轮内部并与叶片接触，然后通过3D扫描仪进行扫描夹具所在位置，通过夹具位置计算出探针与叶片工作面的接触位置，进行叶片的云点数据采集，该种方法在不破坏叶轮的情况下，可快速高效，且准确的获取叶片云点数据，为后续叶轮的逆向建模提供精准的数据；

第五、可进行逆向建模，本发明将数据采集可以和逆向建模结合在一起，通过3D激光扫描分别扫描叶轮的可见部分和不可见部分，然后通过3D设计软件，将3D激光扫描采集到的数据与3D设计软件结合在一起，进行叶轮的3D建模，进而通过3D打印技术制得3D叶轮，该方法充分利用3D激光扫描和3D电脑技术的便利，将两者有机结合在一起，可以在较短时间内进行100%建模，再结合3D打印精密铸造，其不仅用时少，而且成本低，为用户节省时间成本和大量资金。

附图说明

图1为本发明闭式叶轮的数据采集治具的立体图；

图2为本发明闭式叶轮的数据采集治具的主视图；

图3为本发明闭式叶轮的数据采集治具中探针的立体图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明闭式叶轮的数据采集治具及方法作进一步详细描述。

实施例1

参照图1至图3，本发明一非限制实施例，本发明提供一种闭式叶轮的数据采集治具，包括夹具10和探针20，所述探针20由探针头21和探针杆22构成，所述探针杆22采用软质在外力作用下可形变钢材制成，所述探针杆22的形状与闭式叶轮的叶片形状吻合，所述探针杆22的外端可拆卸式固定在夹具10上，所述探针杆22的里端设有探针头21，所述探针头21的针尖所在位置在所述夹具10的底面11所在平面上，或者所述探针头21的针尖所在位置靠近所述夹具10的底面11所在平面。本实施例中，所述治具主要由探针20和固定探针20的夹具10构成，其夹具10采用钢块制备，探针20采用细长形钢材制成，其整体零部件构成少，结构简单；具体地，所述探针20采用软质可形变钢材制成，且由探针杆22和探针头21构成，且探针杆22形状与闭式叶轮的叶片形状吻合的设计，便于后续在通过操作夹具10控制探针20伸入叶轮内的不可见区域，为后续探针头21与叶片接触提供基础保障；所述探针头21的设置，探针头21设置在探针杆22的里端，且探针头21的针尖位置靠近夹具10底面11所在平面或在所述夹具10底面11所在平面上，使操作者在操作夹具10时，一方面使探针头21的针尖与叶片接触，另一方面使探针头21的针尖位置始终靠近或在所述夹具10底面11所在平面上，为后续3D扫描提供计算依据，使3D扫描夹具10后能快速通过夹具10所在位置判断所述探针头21的针尖与叶片接触点所在位置，进而实现叶片的数据采集，其不仅操作方便、而且数据采集精准而快速。

参照图1至图3，本发明一非限制实施例，所述探针头21为钩形。钩形结构探针头21的设计，使操作者在操作夹具10控制探针头21与叶片工作面任意位置均能接触，确保探针20采集数据的云点数，进而确保探针20采集数据的准确性。

参照图1至图3，本发明一非限制实施例，所述探针头21自探针杆22里端部向夹具10底面11所在平面呈钩形倾斜设置。探针头21的钩形倾斜设置，使探针头21的针尖距离探针杆22一定距离，由于叶片工作面为曲面结构，因此，探针头21针尖远离探针杆22一定距离，有效确保采集作业时，探针头21的针尖能与叶片工作面的任意位置接触，进一步确保探针20采集数据的准确度。

参照图1至图3，本发明一非限制实施例，所述探针头21和探针杆22为一体结构，本实施例中，所述探针杆22设计为实心结构，可在探针杆22伸入叶轮能形成与叶片相吻合的形状后，在探针杆22的里端位置进行加工成钩形探针头21，其一体结构更牢固，而且易于加工。当然，除了上述探针头21与探针杆22为一体结构外，也可以将所述探针头21和探针杆22设计为分体结构，此时，探针杆22为空心管状结构，探针头21选用实心材质进行切削和弯折处理，探针头21的切削有尖头的一端位于外端，另一端伸入探针杆22的空心管内，由于探针杆22自身在叶轮能弯曲成形为与叶片吻合的弯曲形状，因此，在探针头21伸入探针杆22内后再经过弯折和切削处理后，探针头21可在弯折力的作用下牢固地固定在探针杆22内。探针头21和探针杆22可设计为一体结构，也可设计为分体结构，为使用者提供多种选择，使制作和操作更为灵活、方便。

参照图1和图2，本发明一非限制实施例，所述夹具10为扁平状结构，所述夹具10的底面11为平面设置。夹具10制成扁平状结构，可选用板材直接制备，其不仅制备简单，而且有效节省材料；夹具10底面11设置为平面，一方面便于夹具10的安装，另一方面，便于探针头21的尖头靠近或在夹具10底面11所在平面在探针头21制作后，便于后续3D扫描时，便于利用空间坐标位置关系，通过扫描夹具10获取探针头21与叶片接触的位置，进而实现叶片工作面的数据采集。

参照图1和图2，本发明一非限制实施例，所述夹具10上设有从一侧贯通至另一侧的贯通孔12，所述贯通孔12内用于安装和固定所述探针20。所述贯通孔12的设置，使所述探针20横向穿入所述夹具10，使作业人员在操作夹具10的同时，控制探针20伸入叶轮的深度和位置，方便作业。

参照图1和图2，本发明一非限制实施例，所述夹具10上设有垂直贯通孔12设置的调节孔14，所述调节孔14自贯通孔12起向外贯通设置，所述调节孔14内设有调节件30。所述调节件30的设置，在所述探针20伸入所述夹具10后，通过调节件30将探针20紧固在所述夹具10内的贯通孔12内，使探针20固定稳固。

参照图1和图2，为提升本发明治具的作业灵活性和准确性，在所述夹具10中心设置安装孔14，通过安装孔14将所述夹具10安装在旋转式三角架（图中未示出）上，所述旋转式三角架为市场上现有三角架，如相机三角架等，在此不再详细赘述。将夹具10安装在旋转式三角架上后，可快速方便地调整夹具10的方向，进而通过夹具10控制探针20快速方便的伸入叶轮内部与叶片接触进行采集叶片数据。

实施例2

参照图1至图3，本发明又一非限制实施例，一种利用上述闭式叶轮的数据采集治具进行闭式叶轮的数据采集方法，包括如下步骤，

S1，治具的制备，包括探针20和夹具10的制备，所述探针20的制备为先用在外力作用下可形变的钢材制成的铜条或者铁丝深入叶轮流道中使其变形为吻合叶片的形状，然后在弯曲后的探针20的里端制备探针头21；然后选择一扁平状钢块进行制备夹具10，在钢块上进行钻贯通孔12用于安装探针20，并在钢块上钻与贯通孔12垂直且自贯通孔12起向外贯通钢块的调节孔14，调节孔14内设置调节件30用于紧固装在贯通孔12内的探针20；由于治具在制备过程中，先将探针20深入叶轮流道中，使其变形为与叶片吻合的形状，并在探针20的里端装探针头21，并将制备好的探针20安装在制备的夹具10上后通过调节件30固定。具体地，所述夹具10的中心还设有安装孔14，作业时，通过安装孔14将夹具10安装在操作架上，作业人员操作夹具10转向使探针20深入叶轮内部并与叶片工作面接触，作业过程中，通过手机连接内窥镜或作业人员手持手电筒目视观察探针头21是否有叶片工作面接触，然后通过3D扫描仪扫描夹具10所在位置，通过夹具10位置计算出探针头21与叶片工作面接触的位置，进行采集叶片工作面数据。探针头21位置的具体计算方法为，由于探针头21的针尖在所述夹具10底面11所在平面内，因此，根据数学坐标系原理，在夹具10上取一基准点作为坐标系原点，而所述探针头21的针尖为坐标系内的一点，在治具制作完成后，先通过3D扫描仪或采用测量工具测量的方式得出所述探针头21的针尖与夹具10基准点的相对位置，由于探针20固定在夹具10上，因此，在探针20采集数据的过程中，所述探针头21的针尖与夹具10中心位置始终保持不变，因此，在通过3D扫描仪扫描出夹具10所在位置后，可自动计算出所述探针头21的针尖位置，即所述探针20与叶片工作面的接触位置。

S2，扫描叶片数据，包括，

S2.1，叶轮可见部分的数据扫描，采用3D扫描仪按常规扫描方法扫描叶轮外部形状以及进出口可见部分，叶轮可见部分采用常规扫描方法进行扫描，其更为方便、快速；

S2.2，叶轮不可见部分的数据扫描，操作夹具10使探针20伸入叶轮的不可见部分，并使探针20的探针头21与叶片工作面接触，通过手机或电脑设备连接内窥镜，并将内窥镜放入叶轮的待采集工作面位置进行观察探针头21是否与叶片工作面接触，然后通过3D扫描仪扫描叶片与前盖板和后盖板封闭不可见位置的工作面数据；

S2.3，如是重复S2.1和S2.2多次，直至得到整个叶片的工作面数据。

本实施例中，所述叶片工作面数据采集包括工作面顶部数据采集和工作面底部数据采集，所述工作面顶部数据采集步骤为，操作夹具10，将探针20伸入叶轮内的不可见位置，并使探针20的探针头21接触叶片与前盖板相交的部分，然后通过3D扫描仪扫描夹具10位置，如是重复多次，直至采集整个叶片工作面顶部的数据；所述工作面底部数据采集步骤为，操作夹具10，将探针20伸入叶轮内的不可见位置，并使探针20的探针头21接触叶片与后盖板相交的部分，然后通过3D扫描仪扫描夹具10位置，如是重复多次，直至采集整个叶片工作面底部的数据。操作者通过操作位于叶轮外部的夹具10使固定在夹具10上的探针20伸入叶轮内部并使探针20与叶片工作面接触，然后通过扫描夹具10位置获得探针20位于叶片处的数据，采用如是方法采集叶片上的多处位置，直至完成叶片工作面的数据采集，将采集到的叶片工作面数据传统至控制系统进行保存。采用本发明闭式叶轮的数据采集方法对叶片进行数据采集，无需破坏叶轮即可实现，而且数据采集准确、快速。有效解决了现有技术中采集闭式叶轮的叶片数据时，需要破坏叶轮的问题。

本实施例中，在制备探针20前，还包括对叶轮的前工序处理，具体为清理叶轮和挑选叶片，首先将现有的闭式叶轮清理干净，在闭式叶轮的盖板外表面贴标志点，便于后续3D扫描仪扫描定位及采集数据的准确性。然后通过目测挑选一片外观比较好的叶片，用于所述探针20的制备，使探针20的形状与叶片的吻合度更高和更为精准，进而为后续3D扫描采集数据提供保障，使数据采集更为精准。

采用本发明闭式叶轮的数据采集方法对叶片进行数据采集，采集叶片数据后，通过3D建模软件进行闭式叶轮的叶片建模，首先在逆向软件中准确定位夹具10参考点位置（即选取的夹具10基准点位置）相对于X轴和Y轴的偏移，反求出探针20与叶片工作面和前盖板的接触位置，也即是反求出采集到的工作面顶部数据的实际位置，将所有点连成一条3D样条曲线，得到叶片工作面顶部数据样条线，为保证建模的准确性，若出现突点或者曲线不光滑应重新测量附近的点；然后在在逆向软件中准确定位夹具10参考点位置（即选取的夹具10基准点位置）相对于X轴和Y轴的偏移，反求出探针20与叶片工作面和后盖板的接触位置，也即是反求出采集到的工作面底部数据的实际位置，将所有点连成一条3D样条曲线，得到叶片工作面底部数据样条线，为保证建模的准确性，若出现突点或者曲线不光滑应重新测量附近的点；然后将叶片工作面顶部数据样条线和叶片工作面底部数据样条线两条样条曲线放样，形成一三维曲面，所述三维曲面即为叶片的工作面；再对该三维曲面直接赋以叶片厚度，一片完整的叶片建模即完成，也可以采用上述相同方法进行采集叶片的非工作面，然后通过叶片的工作面和叶片的非工作面建模得一片完整的叶片建模。如是，采用如上方法，或根据建模的叶片以及叶轮的叶片数量进行镜像叶轮上其它叶片的建模，直至完成整个叶轮的叶片建模。该种通过将用闭式叶轮的数据采集方法采集到的叶片数据，与3D设计软件结合在一起，通过3D设计软件逆向建模，获取叶轮的3D建模，建模完成后，再通过3D打印加精密铸造，其实现了在短时间内进行100%准确建模，并通过3D打印获得叶轮，有效解决了现有技术中需破坏盖板以及数据采集不准确，导致获得的叶轮尺寸误差较大的问题。

上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。