一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维重建方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器视觉技术领域，具体设及一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部 位Ξ维重建方法。
【背景技术】
[0002] 叶片是航空发动机压气机的屯、脏，但由于其工作环境恶劣，工作一定时间W后会 出现磨损或破裂的情况。为了节约更换成本，对符合适航要求的破损压气机叶片进行修复 具有显著的经济效益和实用价值。叶片叶尖可修复与否具有严格的限制要求(参见董凯夫. 面向航空发动机叶片的光栅投影测量系统中多频相位展开研究[D].天津:河北工业大学， 2013)。据统计，需要焊接修复的叶片占叶片维修业务总量的一半W上。目前我国民用航空 发动机压气机叶片均为国外送修，漫长的维修周期严重制约着我国民航维修产业的发展， 因此研究具有我国自主知识产权的叶片自动焊接修复装备具有重大实际意义。在自动焊接 过程中，为了准确定位待焊叶片轮廓同时快速恢复缺损部位形貌，需要建立快速精确的视 觉定位及检测系统。
[0003] 焊接装备视觉系统建立的首要目标是恢复出叶片缺损部位的Ξ维轮廓，便于自动 焊接过程中进行分层与轨迹规划。叶片在工作过程由于离屯、力会出现变形，故受损后的叶 片很难与原设计时的模型相匹配，按照原有模型修复必然会出现较大偏差。此外，生产厂家 也不会提供叶片的原模型数据，因此叶片修复过程需要根据叶片现有的形状及轮廓趋势完 成其=维重构。目前多采用=维测量技术得到叶片的整个=维结构，继而通过曲面结构拓 扑延伸得到现有模型下完整的曲面模型，W及通过立体视觉重建Ξ维模型；其中采用的恢 复方式多为离线操作，通过Ξ维测量系统进行测量，利用点云数据拟合得到Ξ维模型，该方 法虽然精度较高，但在焊接前需再次定位，步骤繁琐、耗时严重，效益不高。
[0004] 天津工业大学赵娜等人(参见赵娜等.飞机叶片焊接修复中的Ξ维测量重构技术 [J].焊接学报，2014,35(6) :73-76)对叶顶缺损的叶片重构进行了研究，次Coons的Β-spline形式的曲面作为基面去逼近无约束曲面，利用优化理论进行迭代得到曲面控制点， 然后由NUBRUS理论对曲面拼接修剪，得到复原的叶片Ξ维模型，最终将叶片重构的误差控 制在0.1mm范围内。但是此种方法存在的问题是，仅仅适用于叶顶缺损量介于0.5~2mm之间 的满轮叶片，适用范围受限，且消耗时间长。卢万埼等(参见卢万崎等.一种叶片在机测量数 据重构建模技术研究[J].航空制造技术，2014，（7): 84-87)针对叶片加工过程中的检测定 位过程提出了一种在线测量方式，通过截面数据拼接拟合叶片的真实数字化模型。该方法 适用于测量叶片加工过程中的精度，避免了叶片反复装卡与定位的繁琐步骤，但是测量数 据环节采用的是Ξ坐标测量机，导致测量过程复杂、消耗时间长。张亚明等(参见张亚明等. 断层数据的Ξ维重构技术研究[J].华北工学院学报.2003,24(4) :294-296)提出了一种利 用断层数据进行Ξ维重构方式，利用断层数据进行二维轮廓提取，B样条拟合并蒙皮重建 后，恢复出物体Ξ维模型，但是此方法应用范围小，仅适用于已知结构的Ξ维反求工程。不 过，该方法证明了利用二维轮廓进行Ξ维恢复的可行性。因此可W考虑通过利用叶片的已 知结构信息进行缺损部位Ξ维信息的快速恢复。
[0005] 在申请人检索的范围内，未见有利用边界延伸方法进行航空发动机压气机叶片叶 尖缺损部位Ξ维模型快速重建方法的相关文献报道。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种航空发动机压气机 叶片叶尖缺损部位的Ξ维重建方法。该方法通过视觉测量，根据叶片表面为结构复杂的自 由曲面、缺损部位区域面积小、边界特征明显的特点，提出采用边界延伸方法建立压气机叶 片叶尖缺损部位的Ξ维模型，W实现叶片叶尖焊接修复的自动化。该方法可W实现在线测 量，快速恢复出缺损部位的Ξ维结构，并将误差控制在焊接要求范围内。
[0007] 本发明解决所属技术问题的技术方案是:设计一种航空发动机压气机叶片叶尖缺 损部位Ξ维重建方法，该重建方法采用包括W下步骤：
[0008] 1)叶片预处理及夹持;挑选出可修复的磨损叶片，通过机加工方式去除叶片叶尖 处表面的氧化层;然后将叶片用固定夹具进行夹持，使叶片叶尖待焊接截面与水平面平行；
[0009] 2)图像采集;建立相互正交的Ξ目立体视觉测量系统，调节摄像机与叶片叶尖之 间的距离及摄像机焦距，使摄像机视野清晰，获取叶片叶尖在Ξ个维度视野范围内的灰度 图像，对图像进行边缘检测得到边缘图像；
[0010] 3)摄像机标定;完成视觉系统的立体标定，得到摄像机图像坐标与世界坐标系之 间的转换关系；
[0011] 4)特征提取;利用边缘跟踪与特征点提取结合的方式，从边缘图像中获取特征点 ?目息；
[0012] 5)立体匹配;根据两视野中共同的边缘线对标定后的视觉系统进行匹配，利用摄 像机标定结果及特征边缘线之间的转换关系，构建出叶片的Ξ维立体坐标关系，从而得到 压气机叶片叶尖的Ξ维边缘结构；
[0013] 6)曲面求交和曲线延伸;根据得到的所述叶片叶尖Ξ维边缘结构，拟合出边缘中 线和曲面交线，将边缘中线进行延伸，取延伸后边缘中线与曲面交线的交点为所求压气机 叶片叶尖顶点；
[0014] 7)缺损部位Ξ维造型；将求出的叶片顶点与测得的叶片Ξ维边缘进行拟合重构， 即得到叶片缺损部位的结构数据。
[0015] 与现有技术相比，本发明方法完全建立在利用边界线对结构的Ξ维重建上，通过 视野内边缘线的位置关系构建Ξ维结构。该设计首先对边缘线进行匹配，将匹配结果进行 拟合并延伸，通过延伸交点与边缘线构建出缺损部位顶点及轮廓。根据此方式对叶片叶尖 缺损部位的重构结果，完成叶片叶尖焊接过程的分层处理。该方式可W实现在线测量，不仅 能够快速的恢复出缺损部位的Ξ维结构，并且可将误差控制在焊接要求之内。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明所述重建方法中压气机叶片叶尖缺损部位Ξ维模型重建过程框图。
[0017] 图2是本发明所述重建方法一种实施例的Ξ目视觉系统方案示意图。
[0018] 图3是本发明所述重建方法一种实施例的C1视野内的叶片边缘图像。
[0019] 图4是本发明所述重建方法一种实施例的C2视野内的叶片边缘及中线图像;其中，
[0020] 图4(a)是C2视野内缺损叶片的边缘图像；
[0021] 图4(b)是C2视野内叶片边缘的中线图像。
[0022] 图5是本发明所述重建方法一种实施例的C3视野内的叶片边缘图像。
[0023] 图6是本发明所述重建方法一种实施例的平面交线示意图。
[0024] 图7是本发明所述重建方法一种实施例的提取叶片边缘中线示意图。
[0025] 图8是本发明所述重建方法一种实施例的叶片缺损部位的Ξ维重建示意图。
【具体实施方式】