一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法，包括以下步骤：1)配准：将设计模型所处的设计坐标系与工件实体所处的测量坐标系进行配准；2)路径规划：通过数据处理装置规划距离传感器在测量过程中的运动路径，以使工件实体上的被测区域一直处于距离传感器的测量范围内；3)自动测量：距离传感器对工件实体的正面区域和反面区域进行采样，得到工件实体的完整表面轮廓。本发明使用距离传感器作为测量终端，可以获得被测区域表面点的位置信息；同时配合三轴运动机构，能够实现工件实体的分区域测量，并最终将测量得到的局部范围的密集点云数据自动融合到同一坐标系下，实现工件的完整精密测量和工件实体的质检工作。
【专利说明】一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法和系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种高精度的航空发动机叶片自动三 维测量方法和系统。
【背景技术】
[0002] 随着国内航空航天领域的大力发展，航空发动机叶片三维测量技术在航空航天、 武器装备等领域有着越来越广泛的应用前景。
[0003] 现代客机或军用喷气飞机的每个涡轮正常运作依赖于一千多个涡轮转子叶片和 导向器叶片的无差错功能。在此类情况下，最高质量标准只能以微米为测量单位。因此，这 些具有不规则表面形态的高度复杂组件具有非常严格的容差范围。
[0004] 以航空航天叶片测量为例，目前在绝大多数国内企业中，仍然采用人工检测的方 式进行叶片的测量，这种方法测量成本很高，且检测精度低。近年来，接触式三坐标法以及 非接触式光学测量方法在航空叶片测量中得到了初步应用。接触式三坐标法是一种通用测 量方法，通常用于规则物体形面的测量。当对诸如航空发动机叶片这种自由曲面形面进行 质量检测时，接触式检查法无论是在时间还是在质量方面都无法达到所需标准：对单个涡 轮叶片进行检测时，使用坐标测量机往往需要数个小时来完成检测，而且利用这种测量方 法只能捕获目标几何结构中的独立点，无法实现叶片整体三维形貌的测量和叶片关键参数 的分析。
[0005] 非接触式光学测量方法则主要有飞行时间法和结构光法。飞行时间法（又称光切 法）是采用线激光对自由曲面表面进行扫描，一次测量可以得到被测表面一条线的三维数 据点，从而提高测量效率，但其测量精度低于航空叶片的精度检测要求。且航空发动机涡轮 叶片表面可能已经经过锻造、轧制或抛光，有些部分非常光亮，使用飞行时间法测量高反 光物体表面时，物体表面的镜面反射会给测量结果造成很大影响。
[0006] 结构光投影法在自由曲面测量过程当中也被运用到，采用结构光投影法测量速度 比飞行时间法更快，一次测量可以得到投影区域内的三维数据点，但一方面结构光投影法 测量精度比飞行时间法还要低，另一方面结构光投影法测量高反光性表面得到的测量数据 精度也会受到影响。
[0007] 综上所述：目前，接触式三坐标测量法、飞行时间法、结构光投影法各有优点，但均 无法同时满足航空发动机叶片三维形貌测量高精度、高分辨率、高效率的要求。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高精度的航空发动机叶 片自动三维测量方法和系统，该系统能够同时满足航空发动机叶片三维形貌测量高精度、 高分辨率、高效率的要求。
[0009] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高精度的航空发动机叶片 自动三维测量方法，包括以下步骤：
[0010] 1)配准：将设计模型所处的设计坐标系与工件实体所处的测量坐标系进行配准；
[0011] 2)路径规划：通过数据处理装置规划距离传感器在测量过程中的运动路径，使工 件实体上的被测区域一直处于距离传感器的测量范围内；
[0012] 3)自动测量：距离传感器先对工件实体的正面区域进行采样，再将工件实体绕旋 转工作台的旋转轴旋转180°使距离传感器对工件实体的反面区域进行采样，然后在数据 处理装置中对反面区域的测量数据绕旋转工作台的旋转轴进行旋转变换从而得到工件实 体的完整表面轮廓。
[0013] 优选地，还包括路径规划前对旋转工件台的旋转轴的标定，标定过程如下：
[0014] A)工件实体通过工装安装在旋转工作台上，工装包括圆柱段和圆柱段上的夹具 段，数据处理装置通过距离传感器首先测量得到圆柱段表面的采样点集R1;
[0015] B)以固定角度XP:旋转圆柱段，经过n次旋转之后圆柱段旋转360°回到初始位置； 每旋转一次，进行一次采样；记圆柱段在第i次转动后距离传感器测量得到圆柱段表面的 采样点集为Ri+1，其中i、n均为正整数，i<n-1且n彡2 ;
[0016] C)在经过步骤A)和步骤B)的共n次测量后，应用最小二乘法，得到第i次测量时 圆柱段的轴线方程为
【权利要求】
1. 一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤： 1) 配准：将设计模型所处的设计坐标系与工件实体所处的测量坐标系进行配准； 2) 路径规划：通过数据处理装置规划距离传感器在测量过程中的运动路径，使工件实 体上的被测区域一直处于距离传感器的测量范围内； 3) 自动测量：距离传感器先对工件实体的正面区域进行采样，再将工件实体绕旋转工 作台的旋转轴旋转180°使距离传感器对工件实体的反面区域进行采样，然后在数据处理 装置中对反面区域的测量数据绕旋转工作台的旋转轴进行旋转变换从而得到工件实体的 完整表面轮廓。
2. 根据权利要求1所述的一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法，其特征在 于：还包括路径规划前对旋转工件台的旋转轴的标定，标定过程如下：A)工件实体通过工 装安装在旋转工作台上，工装包括圆柱段和圆柱段上的夹具段，数据处理装置通过距离传 感器首先测量得到圆柱段表面的采样点集R 1; B) 以固定角度Ψ旋转圆柱段，经过η次旋转之后圆柱段旋转360°回到初始位置；每旋 转一次，进行一次采样；记圆柱段在第i次转动后距离传感器测量得到圆柱段表面的采样 点集为R i+1，其中i、n均为正整数，i彡n-1且η彡2 ; C) 在经过步骤Α)和步骤Β)的共η次测量后，应用最小二乘法，得到第i次测量时圆柱 段的轴线方程为
?中i为正整数，i彡η且η彡2 令旋转工作台的旋转轴方程为
旋转工件台的旋转轴方程与η次测量计算所得圆柱段的轴线方程之间满足以下条件：
C中i为整数且〇彡i彡η 求解该线性优化问题可得到旋转工作台的旋转轴方程。
3. 根据权利要求2所述的一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法，其特征在 于：步骤2)中路径规划的具体过程如下： 2. 1)将经过坐标系配准后的设计模型切分为若干个横截面，对于任一横截面，在其轮 廓曲线上进行采样，得到采样点集； 2. 2)将设计模型的全部采样点集划分为正面点集区域与反面点集区域，正面点集区域 为朝向距离传感器的区域，反面点集区域为背离距离传感器的区域； 2. 3)对设计模型的正面点集区域或反面点集区域分别进行测量，测量过程为测量完一 横截面轮廓曲线上的一段截线后再测量相邻的下一条截线，计算距离传感器与工件实体之 间应调整的距离，使工件实体位于距离传感器的测量范围内。
4. 根据权利要求3所述的一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法，其特征 在于：步骤2.3)中，记距离传感器在测量过程中位于被测点前方距离Cl tl处，记距离传感器 景深范围为（dmin，dmax)，景深范围中点为dmid= (d min+dmax)/2,对于任一段截线的测量，令其 采样点集为S = (Sci, S1, ...，sn}，其中η为正整数；令距离传感器运动路径点集M = {mQ， Hi1, . . .，mj，其中t为正整数，计算过程如下： a) 选择一横截面轮廓曲线的采样点集的一边缘点Stl作为第1段截线的被测点起点，同 时选择测量方向距离被测点Stl处dmid处的Hitl作为距离传感器运动路径起点；选择s ^的相 邻下一点S1作为第1段截线的被测点终点，同时选择距离被测点s 处的!^作为距离 传感器运动路径终点： b) 判断第1段截线被测点起点与被测点终点之间的采样点到距离传感器运动路径起 点和距离传感器运动路径终点连线段在距离传感器测量方向上的距离是否符合景深要求， 如果是，则执行（c);如果否，则执行（d); c) 更新该段截线的终点为当前截线终点的相邻下一点，并更新测头第1段运动路径的 终点叫位置为更新后截线终点dmid的位置处，然后转到（b); d) 调整距离传感器运动路径终点在测量方向上的前后位置，以使截线起点与终点之间 的采样点到距离传感器运动路径起点和终点连线段在测量方向上的距离符合景深要求，此 时第1段截线的距离传感器运动路径计算完毕，被测截线起点为S tl，被测截线起点为Si，距 离传感器运动起点为mQ，距离传感器运动终点为m 1;然后执行e); e) 若上一段截线的距离传感器运动路径计算完毕，则将上一段截线的距离传感器运动 路径终点作为下一段截线的距离传感器运动路径起点，并按照上述算法计算这一段截线的 测量运动路径起点与终点，直至整个距离传感器完整的运动路径计算完成。
5. 根据权利要求1所述的一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法，其特征在 于：步骤1)中的配准包括粗配准，所述粗配准的过程如下：通过数据处理装置控制距离传 感器测量工件实体表面局部区域点云数据集合P，并将其与设计模型三维数据进行对比，设 计模型表面三维数据点集表示为Q ;从工件实体的测量数据与设计模型的数据之间选择对 应点，分别记为Ptl= {pQ1，P()2，...，PcJ，Q。= {qcii，％，...，qcJ，其中η为正整数，应用奇异 值分解算法得出设计坐标系到测量坐标系之间的初始对应关系为：
其中，Rtl为从设计坐标系到测量坐标系的旋转变换关系，t ^为从设计坐标系到测量坐 标系的坐标平移关系。
6. 根据权利要求5所述的一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法，其特征在 于：步骤1)中的配准还包括粗配准后的精配准，所述精配准的过程如下：在第i次迭代过 程中，搜索计算Q中分别距离云数据集合P= {Pl，p2，...，pn}空间距离最近的对应点Qi = {qn，qi2, . . .，qin}，其中i为正整数，i彡n，计算得到仏到P的坐标变换关系：
其中i、n均为正整数，i < η ; 在第η次迭代后，算法达到收敛，则设计坐标系到测量坐标系的变换关系可以表示为：
从而获得了设计坐标系与测量坐标系之间的线性变换关系。
7. -种高精度的航空发动机叶片自动三维测量系统，其特征在于：包括 运动支撑平台； 三轴运动机构，安装在运动支撑平台上； 旋转工作台，安装在三轴运动机构上； 工装，安装在旋转工作台上，包括圆柱段及夹具段； 距离传感器，安装在三轴运动机构上，其与夹具段之间的距离能够通过三轴运动机构 的移动进行调整； 三轴伺服编码器，用于采集三轴运动机构位置信息； 运动控制通讯盒，用于控制三轴运动机构的运动及接收三轴伺服编码器与距离传感器 反馈的工件实体的横截面轮廓曲线的采集点集信息； 数据处理装置，用于对采集点集进行处理，以得到工件实体的完整表面轮廓。
8. 根据权利要求7所述的一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量系统，其特征在 于：所述三轴运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构和Z轴运动机构，X轴运动机构包 括X轴伺服电机及由其驱动的X轴移动台，Y轴运动机构安装在X轴移动台上，Y轴运动机 构包括Y轴伺服电机及由其驱动的Y轴移动台，旋转工作台安装在Y轴移动台上，Z轴运动 机构包括Z轴伺服电机及由其驱动的Z轴移动台，所述距离传感器安装在Z轴移动台上，所 述X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机均与运动控制通讯盒相连，距离传感器发出 的激光平行于Y轴，所述三轴伺服编码器用于采集X轴移动台、Y轴移动台及Z轴移动台的 位置信息。
【文档编号】G01B11/24GK104515478SQ201410764521
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】李中伟, 史玉升, 程旭 申请人:华中科技大学