CN105447910B - 一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维重建方法，该重建方法包括：1）叶片预处理及夹持；磨损叶片去除氧化层；然后夹持，使叶片待焊接截面与水平面平行；2）图像采集；建立三目立体视觉测量系统，获取叶片三维灰度图像，经边缘检测得到边缘图像；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；4）特征提取；利用边缘跟踪与特征点提取结合方式，从边缘图像中获取特征点信息；5）立体匹配；对标定后的视觉系统进行匹配，构建出叶片的三维立体坐标关系，得到叶片三维边缘结构；6）曲面求交和曲线延伸；7）缺损部位三维造型；拟合重构，即得到叶片缺损部位的结构数据。

Description

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

本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维重建方法。

背景技术

叶片是航空发动机压气机的心脏，但由于其工作环境恶劣，工作一定时间以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以上。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。

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三维轮廓，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心力会出现变形，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三维重构。目前多采用三维测量技术得到叶片的整个三维结构，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，以及通过立体视觉重建三维模型；其中采用的恢复方式多为离线操作，通过三维测量系统进行测量，利用点云数据拟合得到三维模型，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。

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三维测量重构技术[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，以三次Coons的B-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，得到复原的叶片三维模型，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之间的涡轮叶片，适用范围受限，且消耗时间长。卢万琦等(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三坐标测量机，导致测量过程复杂、消耗时间长。张亚明等(参见张亚明等.断层数据的三维重构技术研究[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三维重构方式，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，恢复出物体三维模型，但是此方法应用范围小，仅适用于已知结构的三维反求工程。不过，该方法证明了利用二维轮廓进行三维恢复的可行性。因此可以考虑通过利用叶片的已知结构信息进行缺损部位三维信息的快速恢复。

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三维模型快速重建方法的相关文献报道。

发明内容

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三维重建方法。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三维模型，以实现叶片叶尖焊接修复的自动化。该方法可以实现在线测量，快速恢复出缺损部位的三维结构，并将误差控制在焊接要求范围内。

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三维重建方法，该重建方法采用包括以下步骤：

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；

2)图像采集；建立相互正交的三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，获取叶片叶尖在三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；

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；

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信息；

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，构建出叶片的三维立体坐标关系，从而得到压气机叶片叶尖的三维边缘结构；

6)曲面求交和曲线延伸；根据得到的所述叶片叶尖三维边缘结构，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；

7)缺损部位三维造型；将求出的叶片顶点与测得的叶片三维边缘进行拟合重构，即得到叶片缺损部位的结构数据。

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三维重建上，通过视野内边缘线的位置关系构建三维结构。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。该方式可以实现在线测量，不仅能够快速的恢复出缺损部位的三维结构，并且可将误差控制在焊接要求之内。

附图说明

图1是本发明所述重建方法中压气机叶片叶尖缺损部位三维模型重建过程框图。

图2是本发明所述重建方法一种实施例的三目视觉系统方案示意图。

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。

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，

图4(a)是C2视野内缺损叶片的边缘图像；

图4(b)是C2视野内叶片边缘的中线图像。

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。

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。

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。

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三维重建示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步详细描述本发明。实施例仅用于进一步详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明设计的航空发动机压气机叶片叶尖(简称叶片)缺损部位三维模型(简称三维)重建方法(简称或方法，参见图1-8)的一种实施例如下，经检测，叶片缺损顶点与缺损平面之间的距离最大值为4.35mm，该重建方法步骤如下：

1)叶片预处理及夹持；挑选出可修复的叶尖缺损叶片，通过机加工去除叶片叶尖表面的氧化层；然后将机加工后的叶片用固定夹具稳定夹持，要求叶片待焊截面与水平面相平行；

2)图像采集；建立相互正交的三目立体视觉测量系统(参见图2)，由CCD摄像机在空间三个位置对物体进行拍摄，获得物体的灰度图像，利用边缘检测获得边缘图像(参见图3、图4(a)和图5)。所述三目立体视觉测量系统本身为现有技术。

3)摄像机标定；完成视觉系统的立体标定，得到三目视觉系统中各摄像机视野图像之间的空间坐标位置转换关系，以及摄像机C1与物体实际尺寸之间的转换关系。设C1的图像所在平面为世界坐标系平面，则可以求得物体成像坐标尺寸与实际尺寸之间的对应关系。设C2与C1之间的旋转和平移变换关系分别为R21、T21。

4)特征提取；利用边缘跟踪与特征点提取结合的方式，从边缘图像中获取图像中共同特征点及特征线的信息。

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，构建出叶片的三维立体坐标关系，从而得到压气机叶片叶尖的三维边缘结构；设C1中图像坐标原点为(u₁,v₁)，A与B两点图像坐标系分别为(u_1A,v_1A)、(u_1B,v_1B)；C2中图像坐标原点为(u₂,v₂)，A与B两点图像坐标系分别为(u_2A,v_2A)、(u_2B,v_2B)，继而通过A、B两点信息对图像信息进行匹配。C2中图像坐标点(u,v)匹配至C1中(u′,v′)点，匹配关系为：

通过标定结果转换至世界坐标系，获得在空间坐标系下边缘线AB中某点的空间位置信息：

6)曲面求交和曲线延伸；将C1视野中平面选定为世界坐标系Z轴零点平面。通过根据C3视野中的图像获得两侧平面的倾斜角度为47°和143°，通过截面直线与倾斜角度构建两侧倾斜平面，两平面的交线即为缺损部位定点O所在直线(参见图6)。

7)缺损部位三维造型；提取C2视野中边缘图像中线(参见图4(b))，对中线进行曲线拟合并延伸，与交线的交点O即为缺损部位顶点(参见图7，将顶点与边缘线之间进行连线，即得到缺损部位的三维边缘轮廓(参见图8)。

通过对叶片叶尖部分轮廓的边缘检测及三维重建，可以恢复出叶片叶尖缺损部位的原始结构。将叶片叶尖缺损部位重建结果与叶片叶尖缺损部位原始结构放置于同一图像坐标系下，分析结果表明：重建误差能够达到0.02mm，满足叶片叶尖的焊接要求。

本发明方法的设计原理和工作过程是：该方法设计原理是，通过视觉测量得到航空发动机压气机缺损叶片的三维数据，采用边界延伸方式得到缺损叶片叶尖部位的位置，进而建立缺损叶片缺失部位的三维模型。本发明具体实现方法是：首先建立相互正交的三目立体视觉测量系统获得压气机叶片的图像，并通过边缘检测获得图像的边缘图线、边缘图线特征点及特征线信息；其次通过立体标定得到视觉系统各摄像机视野图像之间的空间坐标位置转换关系，并将标定结果转换至世界坐标系；然后提取摄像机中的边缘中线和曲面交线，通过将构造的边界中线与曲面求交，获得叶片缺失部分的顶点；最后将求出的叶片顶点与测得的叶片三维边缘进行拟合，重构得到缺损叶片的结构数据。

考虑到叶片是三维扭曲结构，本发明方法采用了三目立体视觉系统，保证了测量部位的高精度重构与缺损部位的高精度还原。由于是在原有叶片数据的基础上进行造型，曲面形态可由严格的参数方程控制，本发明方法重构时，只需获取叶片缺损部位相邻的数据信息即可，减少了测量与计算的数据量，大大提高了工作效率。

为保证重构精度，本发明方法中采用的硬件和软件需要满足重构需要的分辨率和精度要求。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维重建方法，该重建方法采用以下工艺步骤：

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；

2)灰度图像采集；建立相互正交的三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，获取叶片叶尖在三个维度视野范围内的灰度图像，对灰度图像进行边缘检测得到边缘灰度图像，从边缘灰度图像中得到边缘线；

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；

4)特征提取；利用边缘跟踪与特征点提取结合的方式，从边缘灰度图像中获取特征点信息，特征点构成特征边缘线；

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，构建出叶片的三维立体坐标关系，从而得到压气机叶片叶尖的三维边缘结构；

6)曲面求交和曲线延伸；根据得到的所述叶片叶尖三维边缘结构，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；

7)缺损部位三维造型；将求出的叶片顶点与测得的叶片三维边缘进行拟合重构，得到叶片缺损部位的结构数据。

2.根据权利要求1所述的重建方法，其特征在于所述重建方法用于航空发动压气机机叶片叶尖缺损部位的三维重构及焊接轨迹规划。