一種葉片形狀快速掃描裝置及方法與流程

本發(fā)明屬于先進(jìn)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種葉片形狀快速高精度測(cè)量方法，特別是采用接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量相結(jié)合的方法。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，決定著飛機(jī)的主要性能指標(biāo)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要由風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、及渦輪轉(zhuǎn)子和主軸組成，每級(jí)轉(zhuǎn)子都由成百上千個(gè)葉片組成，整機(jī)中可多達(dá)數(shù)萬(wàn)片，這些葉片形狀多樣、材料各異，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)。因此。葉片的設(shè)計(jì)、制造、維修是現(xiàn)代航空工業(yè)最核心的技術(shù)，必須配有一整套高效可靠的質(zhì)量檢測(cè)手段和工藝。

然而，企業(yè)現(xiàn)有的葉片檢測(cè)手段難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，大部分企業(yè)仍沿用上世紀(jì)80年代形成的技術(shù)，如人工模板、工具顯微鏡、模擬光跟儀等傳統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)手段，精度不足，檢測(cè)效率低下。目前已有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)配備到企業(yè)，但其成本高、操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)的弱點(diǎn)明顯，并在測(cè)量之初極大程度地依賴葉片原始CAD模型?，F(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù)具有非接觸、精度高的優(yōu)點(diǎn)，在許多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。經(jīng)過多年發(fā)展，數(shù)字化的光學(xué)測(cè)試技術(shù)已逐漸成熟，并在逆向工程等領(lǐng)域取得了卓越的成就。因此，在葉片測(cè)量領(lǐng)域引入光學(xué)數(shù)字化質(zhì)量檢測(cè)手段十分必要，不僅可以用于初步低精度測(cè)量得到葉片的三維輪廓，克服現(xiàn)有測(cè)量方式對(duì)于葉片設(shè)計(jì)模型的依賴，還可以與接觸式測(cè)量相結(jié)合，進(jìn)一步提高測(cè)量速度與測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種葉片形狀快速高精度掃描裝置及方法。該裝置包括基座1、X主軸2、Y主軸4、Z主軸3、轉(zhuǎn)臺(tái)5、非接觸式光學(xué)測(cè)頭6和接觸式測(cè)頭7。所述X主軸2、Y主軸4、Z主軸3及轉(zhuǎn)臺(tái)5安裝在基座1上。其中，

X、Y、Z主軸用于帶動(dòng)測(cè)頭在空間X、Y、Z三個(gè)方向自由移動(dòng)；

轉(zhuǎn)臺(tái)5用于帶動(dòng)葉片在測(cè)量空間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；

非接觸式光學(xué)測(cè)頭6和接觸式測(cè)頭7通過連接件共同安裝在Y主軸4上。非接觸式光學(xué)測(cè)頭6用來(lái)對(duì)于葉片表面進(jìn)行低精度測(cè)量，獲取葉片全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量路徑規(guī)劃。接觸式測(cè)頭7用來(lái)沿規(guī)劃好的測(cè)量路徑對(duì)葉片表面進(jìn)行高精度測(cè)量。

該方法在同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)將接觸式測(cè)量方式和非接觸式測(cè)量方式相結(jié)合，運(yùn)用非接觸式激光測(cè)頭對(duì)葉片初步進(jìn)行低精度測(cè)量，獲取葉片完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪濾波等后處理后逐點(diǎn)進(jìn)行法矢量方向的求取，進(jìn)而計(jì)算接觸式測(cè)頭在測(cè)量過程中沿旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合接觸式測(cè)頭的工作距離約束條件，生成測(cè)頭在坐標(biāo)機(jī)下的運(yùn)動(dòng)路徑和空間姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，最終利用接觸式測(cè)頭沿上述規(guī)劃好的路徑進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)測(cè)量。

具體步驟如下：

第一步，進(jìn)行基準(zhǔn)建立。涉及機(jī)器坐標(biāo)系，基準(zhǔn)坐標(biāo)系以及工件坐標(biāo)系的建立。

第二步，進(jìn)行兩測(cè)頭之間的標(biāo)定。在同一測(cè)量系統(tǒng)下，進(jìn)行接觸式測(cè)頭和非接觸式測(cè)頭之間位置關(guān)系的標(biāo)定，獲得兩測(cè)頭之間的位置轉(zhuǎn)換矩陣。

第三步，實(shí)現(xiàn)低精度的非接觸式掃描。使用非接觸式測(cè)頭對(duì)于葉片進(jìn)行低精度快速掃描，獲取葉片全部的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第四步，點(diǎn)云后處理。利用上一步中得到的葉片全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用K-近鄰法對(duì)其進(jìn)行降噪、濾波操作，經(jīng)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)便于下一步法矢量的求取。

第五步，求取點(diǎn)云數(shù)據(jù)法矢量方向。利用上一步中得到的經(jīng)后處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用最小二乘平面擬合的算法，對(duì)其逐點(diǎn)進(jìn)行法矢量方向的求取。

第六步，規(guī)劃接觸式測(cè)量路徑。利用上一步中所計(jì)算得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每點(diǎn)處的法矢量方向，計(jì)算接觸式測(cè)頭在測(cè)量過程中沿旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合接觸式測(cè)頭的工作范圍，生成測(cè)頭在坐標(biāo)機(jī)控制下的運(yùn)動(dòng)路徑和空間姿態(tài)。

第七步，進(jìn)行高精度的接觸式掃描。采用高精度的接觸式測(cè)頭，按照上一步中所規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)路徑和空間姿態(tài)，對(duì)于葉片進(jìn)行高精度測(cè)量，獲取更高精度的葉片形狀測(cè)量結(jié)果。

有益效果

(1)本發(fā)明首先利用非接觸式測(cè)頭對(duì)葉片進(jìn)行快速低精度掃描，實(shí)現(xiàn)了葉片的三維模型重建，克服了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方式中對(duì)于葉片設(shè)計(jì)模型的依賴，保證了在設(shè)計(jì)模型缺失情況下葉片測(cè)量工作的順利進(jìn)行。

(2)本發(fā)明在同一系統(tǒng)內(nèi)將低精度的非接觸式測(cè)量方式和高精度的接觸式測(cè)量方式相結(jié)合，與傳統(tǒng)的單一測(cè)量方式相比更進(jìn)一步提高了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了葉片形狀的高精度快速掃描。

附圖說(shuō)明

圖1葉片快速掃描裝置示意圖；

其中：1為基座、2為X主軸、3為Z主軸3、4為Y主軸、5為轉(zhuǎn)臺(tái)、6為非接觸式光學(xué)測(cè)頭、7為接觸式測(cè)頭。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種葉片形狀快速掃描裝置，其特征在于：包括基座1、X主軸2、Y主軸4、Z主軸3、轉(zhuǎn)臺(tái)5、非接觸式光學(xué)測(cè)頭6和接觸式測(cè)頭7。所述X主軸2、Y主軸4、Z主軸3及轉(zhuǎn)臺(tái)5安裝在基座1上。其中，

X、Y、Z主軸用于帶動(dòng)測(cè)頭在空間X、Y、Z三個(gè)方向自由移動(dòng)；

轉(zhuǎn)臺(tái)5用于帶動(dòng)葉片在測(cè)量空間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；

非接觸式光學(xué)測(cè)頭6和接觸式測(cè)頭7通過連接件共同安裝在Y主軸4上。非接觸式光學(xué)測(cè)頭6用來(lái)對(duì)于葉片表面進(jìn)行低精度測(cè)量，獲取葉片全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量路徑規(guī)劃。接觸式測(cè)頭7用來(lái)沿規(guī)劃好的測(cè)量路徑對(duì)葉片表面進(jìn)行高精度測(cè)量。

進(jìn)一步，所述的非接觸式光學(xué)測(cè)頭6的種類包括線激光測(cè)頭、點(diǎn)激光測(cè)頭、結(jié)構(gòu)光測(cè)頭。

進(jìn)一步，所述的接觸式測(cè)頭7為可沿固定軸旋轉(zhuǎn)的多軸測(cè)頭。

參考圖1，高剛度的基座1用于固定三個(gè)主軸X主軸2、Y主軸4、Z主軸3。系統(tǒng)控制X主軸2、Y主軸4、Z主軸3和轉(zhuǎn)臺(tái)5，帶動(dòng)固定在主軸上的非接觸式測(cè)頭6和接觸式測(cè)頭7，通過掃描標(biāo)準(zhǔn)球，建立機(jī)器坐標(biāo)系、基準(zhǔn)坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系。X主軸2、Y主軸4、Z主軸3帶動(dòng)非接觸式測(cè)頭6對(duì)葉片先進(jìn)行低精度掃描，得到葉片低精度的輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)。系統(tǒng)切換到接觸式測(cè)頭7，X主軸2、Y主軸4、Z主軸3帶動(dòng)接觸式測(cè)頭7對(duì)葉片進(jìn)行高精度掃描，最終得到葉片的高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)葉片整體的高精度快速測(cè)量。

下面具體結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。

一種葉片形狀快速掃描方法，具體包括以下步驟：

第一步，建立必要的坐標(biāo)系。

1)建立機(jī)器坐標(biāo)系。選擇葉片形狀測(cè)量機(jī)中某一固定位置為原點(diǎn)，測(cè)量機(jī)的三個(gè)導(dǎo)軌方向作為坐標(biāo)軸XYZ方向，以接觸式測(cè)頭為依據(jù)建立機(jī)器坐標(biāo)系。

2)建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系。為方便系統(tǒng)重啟后重新恢復(fù)各要素之間的位置關(guān)系，需要建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系。以固定在葉片形狀測(cè)量機(jī)工作臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)球的球心為原點(diǎn)，測(cè)量機(jī)的三個(gè)導(dǎo)軌方向?yàn)樽鴺?biāo)軸XYZ方向，以此建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

3)建立工件坐標(biāo)系。為方便實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)量，需建立工件坐標(biāo)系。選擇葉片一固定特征點(diǎn)或葉片夾具某一固定特征點(diǎn)為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，測(cè)量機(jī)的三個(gè)導(dǎo)軌方向?yàn)樽鴺?biāo)軸XYZ方向，以此建立工件坐標(biāo)系。

第二步，標(biāo)定兩測(cè)頭坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1)在測(cè)頭安裝座上安裝好復(fù)合式測(cè)頭，保證安裝位置正確可靠。

2)分別用接觸式測(cè)頭和非接觸式測(cè)頭對(duì)測(cè)量機(jī)工作臺(tái)面上固定位置的標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行測(cè)量。

3)對(duì)測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別擬合出標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)，在接觸式測(cè)量坐標(biāo)系OXYZ下球心坐標(biāo)p(x,y,z)，在非接觸式測(cè)量坐標(biāo)系O′X′Y′Z′下球心坐標(biāo)p′(x′,y′,z′)。

4)在這兩個(gè)坐標(biāo)系下球心的坐標(biāo)位置關(guān)系為：

由上式可知，方程有12個(gè)未知數(shù)，因此重復(fù)上述測(cè)量步驟，測(cè)得12組以上球心坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用n>12組對(duì)應(yīng)球心坐標(biāo)建立超靜定方程組，應(yīng)用最小二乘法求解。其中：

為旋轉(zhuǎn)矩陣，為平移矩陣。

第三步，進(jìn)行低精度的非接觸式掃描。使用較低精度的非接觸式測(cè)頭，對(duì)葉片全身進(jìn)行三維掃描，得到全部的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第四步，點(diǎn)云后處理。利用K-近鄰法對(duì)葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑去噪，包括兩部分，即K-近鄰搜索和基于K-近鄰的噪聲點(diǎn)去除。

1)K-近鄰搜索

目前常見的K-近鄰計(jì)算方法有空間單元格法、八叉樹法和K-d樹法。本發(fā)明中采用空間單元格法。其算法原理如下。

設(shè)p＝{p₁,p₂,...,p_n}是未知的待重建曲面s上的一個(gè)采樣點(diǎn)集，s中與待測(cè)點(diǎn)p_i距離最近的k個(gè)待測(cè)點(diǎn)成為這一點(diǎn)的K-近鄰，記做Nb(p)。該算法首先讀入測(cè)量點(diǎn)集文件，將數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)存入三個(gè)一組數(shù)組中分別得到測(cè)量點(diǎn)集在X、Y、Z方向上的最大值和最小值。利用三個(gè)方向的極值形成一個(gè)與坐標(biāo)軸平行的最小長(zhǎng)方體包圍盒，并根據(jù)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和分布將長(zhǎng)方體包圍盒按三個(gè)坐標(biāo)方向劃分出m×n×l個(gè)子立方體，然后判斷每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所在的子立方體，將數(shù)據(jù)點(diǎn)的序號(hào)添加到該子立方體對(duì)應(yīng)的線性鏈表中。

如果定義三個(gè)方向上最小坐標(biāo)值為：sub_min_x,sub_min_y,sub_min_z；最大坐標(biāo)為：sub_max_x,sub_max_y,sub_max_z；子立方體的長(zhǎng)度為sub_size；當(dāng)前點(diǎn)的三維坐標(biāo)值為：p_x,p_y,p_z；那么子立方體在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的個(gè)數(shù)分別為：

則當(dāng)前點(diǎn)在子立方體中三個(gè)坐標(biāo)軸方向的索引號(hào)分別為：

如此一來(lái)，在計(jì)算某個(gè)散亂點(diǎn)p_i的K-近鄰時(shí)，首先計(jì)算該點(diǎn)所在子立方體的索引號(hào)，然后對(duì)其所在子立方體及相鄰的上下、左右、前后共27(3x3x3)個(gè)子立方體中查找k個(gè)最鄰近的點(diǎn)。為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)建立一個(gè)鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，p_i與子立方體總數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離由小到大排列于該鏈表中，取前k個(gè)節(jié)點(diǎn)即為所求。當(dāng)然，這種搜索方法會(huì)造成有些點(diǎn)(例如邊界點(diǎn))的K-近鄰點(diǎn)的個(gè)數(shù)少于k，所以要對(duì)該點(diǎn)的鄰近進(jìn)行修正，讓其臨近點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于等于k，即把那些K-近鄰的個(gè)數(shù)小于k的點(diǎn)查找出來(lái)，在更大的范圍中求這些點(diǎn)的二次K-近鄰，從而使這些點(diǎn)的鄰近點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于等于k。

2)基于K-近鄰的噪聲點(diǎn)去除

建立好散亂點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系之后，原則上就可以借助圖像處理中的濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行去噪處理。搜索到每個(gè)點(diǎn)的K-近鄰之后，文獻(xiàn)采用鄰域平均法進(jìn)行噪聲點(diǎn)去除。具體算法描述如下：

(1)讀入三維散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)云；

(2)利用空間單元格法建立點(diǎn)云拓?fù)潢P(guān)系；

(3)搜索點(diǎn)云中任意一點(diǎn)p_i∈s的K-近鄰Nb(p)；

(4)計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)p_i與其K-鄰域內(nèi)各點(diǎn)之間的距離，取其平均值D_mid(p_i)，即：

(5)判斷該平均距離D_mid(p_i)是否超過設(shè)定的閾值D_σ，若超過，

即：D_mid(p_i)＞D_σ，則認(rèn)為該點(diǎn)是離群噪聲點(diǎn)，將其刪除；

(6)重復(fù)(3)～(5)，直到處理完點(diǎn)云中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。

第五步，求取點(diǎn)云數(shù)據(jù)法矢量方向。

1)計(jì)算每一個(gè)測(cè)點(diǎn)x_i的K-鄰近。算法與第四步中的K-近鄰搜索方法相同

2)利用這些鄰近點(diǎn)擬合一個(gè)最小二乘平面p(x_i)作為待重建曲面在該點(diǎn)處的切平面，方法如下:

平面方程的一般表達(dá)式為：

Ax+By+Cz+D＝0,(c≠0)

記：

則：z＝a₀x+a₁y+a₂

平面方程擬合：

對(duì)于測(cè)點(diǎn)附近的k個(gè)鄰域點(diǎn)：

(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,…,k-1

要用點(diǎn)(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,…,k-1擬合計(jì)算出最小二乘平面，則使：

最小。

要使得S最小，應(yīng)滿足：

即：

有，

或，

解上述線性方程組，得：a₀,a₁,a₂

即：z＝a₀x+a₁y+a₂

3)計(jì)算上述切平面的單位法矢n_i，n_i作為測(cè)點(diǎn)x_i的法矢量。

第六步，規(guī)劃接觸式測(cè)量路徑。

1)結(jié)合第一步中建立好的機(jī)器坐標(biāo)系和第五步中計(jì)算出的點(diǎn)的法矢量方向，計(jì)算每點(diǎn)處法矢量方向與機(jī)器坐標(biāo)系中z軸方向的夾角，該夾角即為接觸式測(cè)頭進(jìn)行掃描測(cè)量時(shí)沿旋轉(zhuǎn)軸方向的旋轉(zhuǎn)角。

2)將接觸式測(cè)頭的有效工作距離與上述旋轉(zhuǎn)角度相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)接觸式測(cè)量的路徑規(guī)劃，即為接觸式測(cè)頭在實(shí)際測(cè)量過程中所依照的測(cè)量路徑和空間姿態(tài)。

第七步，進(jìn)行高精度的接觸式掃描。利用高精度的接觸式測(cè)頭，按照上一步中所規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)路徑和空間姿態(tài)，對(duì)于葉片進(jìn)行高精度測(cè)量，獲取更高精度的葉片形狀測(cè)量結(jié)果。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。