基于线激光传感器的自适应偏移控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，通过线激光传感器采集被测零件一段表面的多个景深值，并求出对应的景深平均值λ，将景深平均值λ与标准景深值S标作比较，根据比较结果对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移，以使得被测零件表面位于线激光位移传感器标准测量范围的中心区域，再次采集被测零件同段表面并得到修正后的各个景深值，然后沿着被测零件的表面轨迹移动，对下一段零件表面进行扫描采集；其中，标准景深值S标为线激光位移传感器的标准测量范围中心点的距离。解决了对复杂自由曲面零件的数字化测量效率低下、测量过程复杂、测量成本高昂等技术问题。
【专利说明】
基于线激光传感器的自适应偏移控制方法
技术领域
[0001]本发明属于数字化测量技术领域，涉及一种基于线激光传感器的自适应偏移控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，航空航天类发动机是飞行器动力的来源，也是飞行器的核心部件。发动机叶片的质量直接影响发动机的性能，是研究制造高性能航空航天发动机设备的关键。在燃气涡轮发动机中无论是压气机叶片还是涡轮叶片，它们的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的压缩和膨胀，以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的。为了保证发动机性能的正常发挥，对于叶片的制造精度有着严格要求，必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性，叶片的加工质量直接影响整个发动机的性能。而且叶片的加工工艺十分复杂涉及多个专业领域，包括锻、铸、热、焊接、激光、机加、电化学等多种冷、热加工技术，是航空发动机制造工业中十分重要的一个环节。所以在生产加工的各个阶段，均需要对叶片的型面和尺寸进行检测。因此提高叶片型面的检测速度与质量，具有十分重要的研究意义，发动机叶片的加工与检测是制造工艺的核心内容之一。
[0003]坐标测量法是目前现有的叶片检测手段中精度最高的一种，适合于叶片生产的最终检验，由于坐标测量法要逐点测量叶片型面，测量效率非常低，且测量成本高，一般要求实验室环境下测量，因此该方法的使用受到一定的限制。
[0004]工业CT扫描测量是对被测件进行逐层扫描，获得一系列断层图像切片和数据，包括内部结构的完整信息，因此可适用于任何结构形状，测量精度较高，但测量时间长、成本尚O
[0005]光学扫描测量具有测量速度快、数据齐全、工件装夹具要求低等特点，在实际应用中越来越占主导地位。双目激光测量技术的测量速度和效率都比较高，但在生产和加工中，该项技术的测量精度相对比较低，还不能满足高精度叶片的测量要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，以解决对复杂自由曲面零件的数字化测量效率低下、测量过程复杂、测量成本高昂等技术问题。
[0007]本发明采用的技术方案是，基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，通过线激光传感器采集被测零件一段表面的多个景深值，并求出对应的景深平均值λ，将景深平均值λ与标准景深值S标作比较，根据比较结果对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移，以使得被测零件表面位于线激光位移传感器标准测量范围的中心区域，再次采集被测零件同段表面并得到修正后的各个景深值，然后沿着被测零件的表面轨迹移动，对下一段零件表面进行扫描采集;其中，标准景深值S标为线激光位移传感器的光心到其标准测量范围中心点的距离。
[0008]进一步的，测量方法按照以下步骤实施:
[0009]步骤1、将被测零件第一视角中的任意一段表面处于线激光位移传感器的可视范围之内；
[0010]其中，将线激光位移传感器的景深方向设为X轴，将线激光位移传感器的平移方向设为Y轴，线激光位移传感器的标准测量范围即是沿X轴和Y轴分别为a和b的矩形区域；
[0011]步骤2、获取步骤I中一段表面上的η个测量点的原始景深值，η为正整数；
[0012]步骤3、求取步骤2中的原始景深值的平均值，根据原始景深值的平均值和标准景深值的关系，将线激光位移传感器沿X轴进行进退补偿运动，并重新获取η个测量点的修正景深值；
[0013]步骤4、将线激光位移传感器沿Y轴正向移动距离b到达被测零件的下一段表面，重复步骤2和步骤3，以获取当前段表面的修正景深值。
[0014]进一步的，步骤3的具体方法为:
[0015]将η个测量点的原始景深值的平均值记为λ，将线激光位移传感器5的光心到其标准测量范围中心的距离记为标准景深值S标，然后计算景深平均值λ与标准景深值s标相差距尚 δ，δ = I λ—Sf/p I ；
[0016]如果δ>0，则将线激光位移传感器沿X轴负方向运动δ，再重新获取n个测量点的修正景深值;如果MO，则将线激光位移传感器沿X轴正方向运动δ，再重新获取η个测量点的修正景深值。
[0017]进一步的，根据被测零件按照其外形曲面分布特征以及测量需要，将被测零件划分为一个或多个空间测量视角。
[0018]进一步的，被测零件划分为多个空间测量视角，旋转被测零件以切换不同视角，重复步骤2至步骤4，以获取被测零件在当前视角下被测表面的修正景深值，并利用空间刚体运动学知识，将各个表面数据逆向回转拼合成完整的点云数据。
[0019]本发明的有益效果是，针对多样化小批量测量以及针对测量无数模产品，尤其是航空叶片及具有复杂自由曲面零件的型面尺寸，的自适应偏移控制测量，结合现有设备研究的特点，提出了基于简单平均值补偿算法控制达到自适应测量数据获取目的，不需要精密加工专用夹具，也无需事先规划测量路径，省去了设计夹具的麻烦，不仅提高了测量精度，同时加快了检测效率。
【附图说明】
[0020]图1为本发明基于线激光传感器的自适应偏移控制方法实施例中采用的四轴线激光测量系统结构图；
[0021 ]图2为本发明基于线激光传感器的自适应偏移控制方法的线激光位移传感器的标准测量范围和扩展测量范围示意图；
[0022]图3为本发明基于线激光传感器的自适应偏移控制方法实施例中叶片的四个测量视角空间分布图；
[0023]其中，I为第一视角，II为第二视角，III为第三视角，IV为第四视角；
[0024]图4为本发明基于线激光传感器的自适应偏移控制方法实施例中覆盖叶片表面的标准测量范围示意图；
[0025]图5图4中标准测量范围的中心点分布示意图；
[0026]图6为本发明基于线激光传感器的自适应偏移控制方法实施例中扫描路径生成过程不意图。
[0027]图中，1.计算机外设，2.计算机主机，3.运动控制器，4.被测零件，5.线激光传感器，6.三轴电控平移台，7.气浮隔振工作台，8.电控旋转台，9.Y轴平移台，10.Z轴平移台，
11.X轴平移台。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0029]本发明提供了一种基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，通过线激光传感器采集被测零件一段表面的多个景深值，并求出对应的景深平均值λ，将景深平均值λ与标准景深值S标作比较，根据比较结果对线激光位移传感器进行自适应进退补偿偏移，以使得被测零件表面位于线激光位移传感器标准测量范围的中心区域，再次采集被测零件同段表面并得到修正后的各个景深值，然后沿着被测零件的表面轨迹移动，对下一段零件表面进行扫描采集;其中，标准测量范围是由线激光传感器5的选型决定的，线激光传感器5的标准测量范围是位于激光线投射范围中的矩形区域，在该标准测量范围内测量的结果更准确。标准景深值S标为线激光位移传感器5的光心到其标准测量范围中心点的距离。
[0030]上述测量方法具体按照以下步骤实施:
[0031]步骤1、将被测零件4固定于电控旋转台8上，并使得被测零件4第一视角中的任意一段表面处于线激光位移传感器5的可视范围之内；
[0032]其中，将线激光位移传感器5的景深方向设为X轴，将线激光位移传感器5的平移方向设为Y轴，线激光位移传感器5的标准测量范围即是沿X轴和Y轴分别为a和b的矩形区域。
[0033]步骤2、获取步骤I中所述一段表面上的η个测量点的原始景深值。
[0034]步骤3、将η个测量点的原始景深值的平均值记为λ，将线激光位移传感器5的光心到其标准测量范围中心的距离记为标准景深值S标，然后计算景深平均值λ与标准景深值s标相差距离S』=|A-Sd ;
[0035]如果δ>0，则将线激光位移传感器5沿X轴负方向运动δ，再重新获取η个测量点的修正景深值;如果MO，则将线激光位移传感器5沿X轴正方向运动δ，再重新获取η个测量点的修正景深值。
[0036]步骤4、将线激光位移传感器5沿Y轴正向移动距离b到达被测零件4的下一段表面，重复步骤2和步骤3，以获取所述下一段表面的修正景深值。按照此方法依次类推，继续沿Y轴移动线激光位移传感器5，直到获取被测零件4在同一视角下全部表面的修正景深值。
[0037]步骤5、可以根据被测零件4按照其外形曲面分布特征以及测量需要，将被测零件4划分为一个或多个空间测量视角。旋转电控旋转台8以切换被测零件4至下不同视角，重复步骤2至步骤4，以获取被测零件4在全部视角下全部表面的修正景深值。
[0038]实施例:
[0039]以被测零件4为某航空发动机涡轮叶片为例，并以线激光位移传感器5的型号为德国MicroEpsilon公司的scan⑶NTROL 2700-25为例，来对本发明的方法进行详细说明。其中，2700-25线激光位移传感器5的标准景深值S标=102.5，标准测量范围即是沿X轴和Y轴分别为25mm和22mm的矩形区域。
[0040]如图1所示，四轴线激光测量系统包括三轴电控平移台，三轴电控平移台通过运动控制器3连接至计算机主机2，电动平台包括用于安装线激光传感器5的三轴电控平移台，还包括用于放置被测零件4的电控旋转台8;三轴电控平移台，用于为线激光传感器5提供三个轴线方向(X，Y，Z)的空间定位；电控旋转台8，用于带动被测零件4旋转并提供T轴的空间定位;运动控制器3，用于接收计算机主机2发送的控制信息，并控制三轴电控平移台和电控旋转台8进行相应的动作，以实现对被测零件4的全方位扫描测量;线激光传感器5，用于在最佳量程范围内获取激光平面内的被测物表面二维坐标值，通过前期系统标定并结合三轴电控平移台和电控旋转台8的位置信息拼合得到被测零件4的完整三维点云数据。
[0041]其中，三轴电控平移台包括沿Y轴方向设置的Y轴平移台9、沿Z轴方向设置的Z轴平移台10和沿X轴方向设置的X轴平移台11，Y轴平移台9安装于Z轴平移台10上，并可以沿着Z轴平移台10上下运动以及沿着水平方向左右移动，Z轴平移台10底部连接于X轴平移台11，Ζ轴平移台10可沿着X轴平移台11的伸长方向往复运动，Y轴平移台9的末端固定有线激光传感器5。
[0042]三轴电控平移台固定安装于气浮隔振工作台7上，其中，X轴平移台11和Y轴平移台均与气浮隔振工作台7平行，Z轴平移台10与气浮隔振工作台7垂直，电控旋转台8的旋转轴线垂直于气浮隔振工作台7。
[0043]Y轴平移台9、Ζ轴平移台10、Χ轴平移台11和电控旋转台8均连接设置有步进电机，每个步进电机均连接至用于控制其运动过程的运动控制器3。
[0044]将被测叶片放置于电控旋转平台8上。将固定于电控旋转台8的叶片的一段截面，置于线激光位移传感器5的量程范围之内，并获取该段截面上的η个测量点的原始景深值，一般优先选择较平坦的表面作为初始测量段。
[0045]从图2中可以看出，线激光位移传感器5的标准测量范围和扩展测量范围区域，该标准测量范围为一个22mm X 25mm的长方形区域。为了保证测量精度，被测叶片的表面必须始终保持位于该标准测量范围内。并且，该线激光位移传感器5的线性度为±0.2%FS0，越靠近标准测量范围的中心区域线性度越高，因此应该尽量使得被测量表面处于标准测量范围的中心区域。
[0046]如图3所示，将叶片划分为四个空间测量视角，其中，I为第一视角，II为第二视角，III为第三视角，IV为第四视角;通常视角数量和视角方向均由被测零件的外形特征和测量需要决定。
[0047]如图4所示，当叶片表面处在所有的阴影区域时才可以获得叶片表面完整的数据。但前面提到线激光位移传感器5在景深方向，S卩X轴方向，测量位置越靠近标准量程范围的中间位置，测量精度越高，所以需要计算出所有标准测量范围的中心点分布情况，即如图5所示。
[0048]对测量得到的η个测量点的原始景深值求平均值λ，并将该平均值λ与标准景深值S标作比较。根据比较结果，从而对线激光位移传感器5进行进退补偿运动，使得叶片的被测曲面段处于线激光位移传感器5的标准测量范围的中心区域内，并重新获取η个测量点的修正景深值。
[0049]然后将线激光位移传感器5沿Y轴正方向移动一个小测量范围的宽度即22_。
[0050]如图6所示，以叶片的一段截面线为例，完整扫描完该段曲线需要沿Y轴运动13个标准测量范围区域，即需要将线激光位移传感器5沿Y轴方向运动13个22_。但沿Y轴方向每运动一步后，还需要沿X轴方向做相应的进退补偿运动，以使得被测曲面位于标准测量范围的中心区域，因此如何得到每一步中沿X方向的进给量成为关键。
[0051]进给量的计算方法如下:将η个测量点的原始景深值的平均值记为λ，然后计算景深平均值λ与标准景深值s标相差距离δ，δ= |λ-102.5| ;
[0052]如果δ>0，则将线激光位移传感器5沿X轴负方向运动δ，再重新获取η个测量点的修正景深值;如果MO，则将线激光位移传感器5沿X轴正方向运动δ，再重新获取η个测量点的修正景深值。
[0053]将线激光位移传感器5继续沿Y轴移动22mm宽度的距离，采集当前段测量点的原始景深值，并根据上述进给量计算方法调整激光位移传感器5的位置后，再次获取修正景深值，直到测量完当前视角下整个零件表面的数据。
[0054]由于线激光位移传感器5始终处于标准量程范围的中心区域附近，因此在提高精度的同时，提高了测量效率，省去了设计制造夹具的成本并降低了测量过程的操作复杂度。对常见航空叶片的三维测量时间平均为15分钟，去噪处理后得到的单个叶片点云数量为315000个，平均有效采样效率高达350点/秒，而传统的三坐标接触式测量有效点采样效率一般为2点/秒。在保证精度的同时，大大节省了测量时间，同时降低了操作复杂度，有效控制了测量成本。
[0055]本发明针对多样化小批量测量以及针对测量无数模产品，尤其是航空叶片及具有复杂自由曲面零件的型面尺寸，在检测过程中如何对测量数据做到高效高精度获取的问题，进行了基于线激光位移线激光位移传感器5的三维测量系统的开发，以获取复杂自由曲面零件的三维数据。同时针对现有线激光位移传感器5标准量程范围有限等问题，研究了针对多样化小批量测量以及针对测量无数模产品的自适应偏移控制测量，结合现有设备研究的特点，提出了基于简单平均值补偿算法控制达到自适应测量数据获取目的，不需要精密加工专用夹具，也无需事先规划测量路径，省去了设计夹具的麻烦，不仅提高了测量精度，同时加快了检测效率。
[0056]本发明使用的激光位移传感器5，用线光源代替点光源，2700-25线激光位移传感器5的线光源上有640个激光点，所以在空间中投射一窄的激光平面，当与物体的表面相交时会在物体表面产生一条亮的光条，其采集效率比点光源高得多。再通过计算机与四轴平台的数字化集成，操纵计算机便可使激光传感器按照预定的路径全方位扫描被测零件4，快速获得被测零件4的三维点云数据。
[0057]本发明通过运用这样一个简单高效的偏移控制方法，针对所述线激光位移传感器5标准量程范围有限等问题，研究了针对多样化小批量测量以及针对测量无数模产品的自适应偏移控制测量，结合现有设备研究的特点，提出了基于简单平均值补偿算法控制达到自适应测量数据获取目的，不需要精密加工专用夹具，也无需事先规划测量路径，省去了设计夹具的麻烦，不仅提高了测量精度，同时加快了检测效率。
【主权项】
1.基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，其特征在于，通过线激光传感器(5)采集被测零件(4) 一段表面的多个景深值，并求出对应的景深平均值λ，将景深平均值λ与标准景深值S标作比较，根据比较结果对线激光位移传感器(5)进行自适应进退补偿偏移，以使得被测零件(4)表面位于线激光位移传感器(5)标准测量范围的中心区域，再次采集被测零件(4)同段表面并得到修正后的各个景深值，然后沿着被测零件(4)的表面轨迹移动，对下一段零件表面进行扫描采集;其中，标准景深值S标为线激光位移传感器(5)的光心到其标准测量范围中心点的距离。2.如权利要求1所述的基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，其特征在于，所述测量方法按照以下步骤实施: 步骤1、将被测零件(4)第一视角中的任意一段表面处于线激光位移传感器(5)的可视范围之内； 其中，将线激光位移传感器(5)的景深方向设为X轴，将线激光位移传感器(5)的平移方向设为Y轴，线激光位移传感器(5)的标准测量范围即是沿X轴和Y轴分别为a和b的矩形区域； 步骤2、获取步骤I中所述一段表面上的η个测量点的原始景深值，η为正整数； 步骤3、求取步骤2中的原始景深值的平均值，根据原始景深值的平均值和标准景深值的关系，将线激光位移传感器(5)沿X轴进行进退补偿运动，并重新获取η个测量点的修正景深值； 步骤4、将线激光位移传感器(5)沿Y轴正向移动距离b到达被测零件(4)的下一段表面，重复步骤2和步骤3，以获取所述当前段表面的修正景深值。3.如权利要求2所述的基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体方法为: 将n个测量点的原始景深值的平均值记为λ，将线激光位移传感器5的光心到其标准测量范围中心的距离记为标准景深值S标，然后计算景深平均值λ与标准景深值s标相差距离δ，δ=I λ-s标 I; 如果δ>0，则将线激光位移传感器(5)沿X轴负方向运动δ，再重新获取n个测量点的修正景深值;如果MO，则将线激光位移传感器(5)沿X轴正方向运动δ，再重新获取η个测量点的修正景深值。4.如权利要求2所述的基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，其特征在于，根据被测零件(4)按照其外形曲面分布特征以及测量需要，将被测零件(4)划分为一个或多个空间测量视角。5.如权利要求4所述的基于线激光传感器的自适应偏移控制方法，其特征在于，被测零件(4)划分为多个空间测量视角，旋转被测零件(4)以切换不同视角，重复步骤2至步骤4，以获取被测零件(4)在当前视角下被测表面的修正景深值，并利用空间刚体运动学知识，将各个表面数据逆向回转拼合成完整的点云数据。
【文档编号】G05B13/04GK105824237SQ201610139480
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】程云勇, 刘鹏军, 王嫔, 陈健配, 于龙, 张明
【申请人】西北工业大学