一种基于激光测距的叶片稠密点云获取的扫描路径规划方法
【专利说明】
[0001]技术领域本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于激光测距的复杂曲面叶片稠密点云获取过程中的扫描测量路径规划方法。
技术背景
[0002]叶片是航空发动机、燃气轮机等透平机械的最核心部件，其加工制造质量直接决定着发动机的能量转换效率、运行安全和使用寿命，而且具有变截面、变弦长、变扭角、数量庞大、测量参数多等特点。因此如何实现高效、精确的叶片型面测量，保证其加工制造质量，已成为叶片加工制造业亟需解决的问题。同时高效、精确的叶片型面测量适用于航空发动机、燃气轮机叶片等复杂型面零件的稠密点的测量规划，为后续叶片逆向设计、参数拟合检测提供基础数据。
[0003]由于叶片的空间尺寸精度要求高、定位复杂，所以叶片快速、高精度测量一直是困扰制造企的难题。三坐标测量是接触式测量仪器的典型代表，具有精度高、通用性强、测量稳定的优点，是目前制造企业对叶片进行终检的最主要手段。然而三坐标测量只能有限测量叶片截面型线，获得的信息有限(两个型线之间可能超差)，在对叶片测量时，由于三轴联动，很难完全实现法向测量，而法向误差补偿算法复杂、精度差；在曲率变化剧烈处(如叶片前后缘)，实现精确测量难度大，甚至无法实现，成本高、周期长(特别是大尺寸叶片)，获得基本数据需要大约30-40分钟的时间，获得全部数据需要花费几个小时甚至更长时间，而且更无法满足全测全检的需求。因此，光学测量方法开始应用于复杂曲面叶片的测量，由于叶片表面要求高，不允许在表面喷涂任何东西(如显影剂，为了减小反光而喷涂的。)，所以点光源具有直接可以测量的优势。一种基于激光测距原理的传感器可以实现叶片快速精密扫描测量，获取型面的稠密点云，但是这种方法具有以下不足:I)激光测距原理由于景深和测量距离的限制更适合测量比较平坦的表面;2)测量复杂曲面需要加入旋转轴，受测量原理限制转轴标定精度不好保证;3)对高曲率小半径的区域测量时噪声大。
[0004]综上，基于激光测距原理发明一种测量规划方法对于快速精密实现复杂曲面叶片的稠密点云获取，为后续叶片的逆向设计和参数拟合检测将是十分有意义的。
【发明内容】
[0005]本发明为解决激光测距原理测量复杂曲面叶片存在问题，本发明公开一种基于激光测距原理实现复杂曲面叶片稠密点云快速精密获取的路径规划方法，完成叶片型面和细节，如叶片进排气边缘、叶根和榫头的准确点云数据获取，该方法具有速度快、精度高、噪声小等特点。
[0006]本发明实现发明目的采用的方法是；
步骤1.以叶片CAD模型的基准平面为起点，沿着基准面垂直的Z轴方向按照设计的固定步距截取一组待测量叶片型面的截面轮廓曲线，并将一组待测量叶片型面的截面轮廓曲线进行按序排列并分别做出标记；
步骤2.对步骤I获得截取的由叶片前缘、后缘、叶盆、叶背四部分曲线组成待测量叶片型面的截面轮廓曲线，提取一组叶盆曲线和叶背曲线公切圆圆心轨迹，形成叶盆曲线和叶背曲线的中弧线L;
步骤3.对步骤2获得的叶盆曲线和叶背曲线的中弧线两端延伸至与叶片前缘曲线和后缘曲线相交，得交点PdPP2,交点PdPP2将叶片型面的截面轮廓曲线分割成两段曲线L1和L2;
步骤4.在步骤3得到的截面轮廓曲线分割成的两段曲线LdPL2I，计算得到叶片截面最大厚度处的两个点P3和P4，点P3和P4将两段曲线!^和“分割成四段曲线，得线段LhU-2、L2-1 和 L2-2 ；
步骤5.对步骤4获得的线段两端作延伸处理，两端延伸长度分别为该线段长度的1/8-1/4’P1和P2点的延伸是P1和P2点曲线弧的切线方向延伸，P3和P4的延伸为曲率延伸；
步骤6.按步骤2-步骤5对步骤I获得的一组待测量叶片型面的截面轮廓曲线按标记顺序全部进行处理；
步骤7.将步骤6全部进行处理的一组待测量叶片型面的截面轮廓曲线，将全部Lk线段设定为第一组、1^-2线段设定为第二组、Lh线段设定为第三组和L2-2线段设定为第四组，应用每组Ll-l、Ll-2、L2-l和L2-2曲线生成测量运动控制系统两轴联动的测量路径；
步骤8.按照设计的采样距离分别对步骤7中的四组曲线上的点分别进行采样，计算每个采样点的曲率方向，分别求取四组曲线的法线角度均值，应用每组曲线组的法线角度均值分别作为激光测距传感器与四组曲线对应被测量叶片曲面的测量角度；
步骤9.按照步骤7生成的扫描测量路径和步骤8的确定的测量角度，分别对叶片每组曲线对应被测量叶片曲面进行分区域扫描测量，获得稠密的四片点云数据，对四片点云绕着标定出来的设备转轴进行坐标旋，将四片点云数据统一到同一坐标系下，获得完整的叶片点云数据；
步骤10.通过步骤5的曲线延伸处理和步骤7的测量路径，使得测量得到的点云数据具有重叠部分，依据重叠部分采用迭代最近点算法ICP(Iterative Closest Point)对点云数据进行整体优化，获得最终的高精度稠密点云数据。
[0007]本发明的有益效果是，可有效解决复杂曲面测量过程中由于超出景深带来的测量精度低的问题。通过数据优化获得精确完整的点云，降低对转轴标定精度的依赖。充分利用了激光测距原理测头在与被测物体成一定角度时不影响测量精度这一优点，很好的实现了前后缘数据的测量。
[0008]下面结合附图对本发明进行详细描述。
[0009]附图1为本发明流程图。
[0010]附图2为待测量叶片型面的截面及中弧线示意图。
[0011]附图3为待测量叶片型面的截面轮廓线分割示意图。
[0012]附图4为待测量叶片型面的截面轮廓线分割延长示意图。
【具体实施方式】
[0013]参见附图，一种基于激光测距的叶片稠密点云获取的扫描路径规划方法，该方法有以下步骤实现: 步骤1.以叶片CAD模型的基准平面为起点，沿着基准面垂直的Z轴方向按照设计的固定步距截取一组待测量叶片型面的截面轮廓曲线，并将一组待测量叶片型面的截面轮廓曲线进行按序排列并分别做出标记；
步骤2.对步骤I获得截取的由叶片前缘、后缘、叶盆、叶背四部分曲线组成待测量叶片型面的截面轮廓曲线，提取一组叶盆曲线和叶背曲线公切圆圆心轨迹，形成叶盆曲线和叶背曲线的中弧线L;
步骤3.对步骤2获得的叶盆曲线和叶背曲线的中弧线两端延伸至与叶片前缘曲线和后缘曲线相交，得交点PdPP2,交点PdPP2将叶片型面的截面轮廓曲线分割成两段曲线L1和L2;
步骤4.在步骤3得到的截面轮廓曲线分割成的两段曲线LdPL2I，计算得到叶片截面最大厚度处的两个点P3和P4，点P3和P4将两段曲线!^和“分割成四段曲线，得线段LhU-2、L2-1 和 L2-2 ；
步骤5.对步骤4获得的线段两端作延伸处理，两端延伸长度分别为该线段长度的l/8-l/4，PjPP2点的延伸是PjPP2点曲线弧的切线方向延伸，P3和P43的延伸为曲率延伸；
步骤6.按步骤2-步骤5对步骤I获得的一组待测量叶片型面的截面轮廓曲线按标记顺序全部进行处理；
步骤7.将步骤6全部进行处理的一组待测量叶片型面的截面轮廓曲线，将全部Lk线段设定为第一组、1^-2线段设定为第二组、Lh线段设定为第三组和L2-2线段设定为第四组，应用每组Ll-l、Ll-2、L2-l和L2-2曲线生成测量运动控制系统两轴联动的测量路径；
步骤8.按照设计的采样距离分别对步骤7中的四组曲线上的点分别进行采样，计算每个采样点的曲率方向，分别求取四组曲线的法线角度均值，应用每组曲线组的法线角度均值分别作为激光测距传