CN107726974A - 基于测距传感器的复杂曲面叶片迭代扫描测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于测距传感器的复杂曲面叶片迭代扫描测量方法，不需要坐标系配准，克服测量景深引起的测量精度差的问题。采用的方法是，通过测距传感器在Z轴坐标值恒定的状态下进行直接扫描测量获取部分点，采用三次B样条插值拟合曲线作为测量路径进行再次扫描测量，通过判断直到测量值满足设定阈值要求后，完成该次扫描。通过不断的循环与角度调整，完成叶片表面的整体数据扫描。本发明的有益效果是：克服了采用测距传感器测量复杂曲面时的致命的缺点，不需要进行过程繁琐、耗时和不稳定的坐标系配准。充分利用了点激光测距传感器能够直接测量强反光表面的特性，实现了复杂曲面叶片的高精度、快速测量。

Description

基于测距传感器的复杂曲面叶片迭代扫描测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，具体涉及一种应用测距传感器实现具有金属光泽或光亮的高反射率航空发动机、燃气轮机和汽轮机叶片的迭代扫描获取完整点云数据的精密测量方法。

技术背景

叶片是航空发动机、燃气轮机和汽轮机等透平机械的核心零件，叶片的加工制造质量直接决定着这些高端装备的能量转换效率、运行安全和使用寿命。为了确保其安全可靠地工作，必须严格控制叶片的几何尺寸和公差。叶片一般具有以下四个特点：(1)形状结构复杂，叶片通常有变截面、变弦长和变扭角的特点，而且前后缘半径尺寸微小，对发动机性能影响大，主要影响发动机的机动性；(2)制造精度要求高，叶片最小的进排气边直径达到了0.1mm，一些航空叶片的制造精度要求达到0.01mm；(3)特征尺寸多，一个普通的叶片，其叶型涉及上百个尺寸，尺寸与尺寸之间又相互关联和影响；(4)数量庞大，一台涡扇发动机叶片有1000-2000片，一台中型燃机多达4000片。叶片的加工制造难度极大，据统计，发动机的工作量30％来自叶片的加工制造。因此为保证叶片质量，型面参数的测量与检测，必须同时满足精度高、速度快和数据完整三个条件。

叶片的测量方法主要有样板法、三坐标法和光学测量法：样板法唯一具有的优势就是简单易用，但是缺点是十分明显的：如测量精度差、劳动强度很大、需定期检修和维护成本高等缺点。三坐标法在测量非复杂曲面零件时精度很高，但是在复杂曲面测量过程中无法避免测头半径补偿产生的余弦误差；无法准确测量叶型前后缘；只能进行特定截面、特定点的检测。光学测量法是唯一可以满足精度高、速度快和数据完整三个条件的有效方法。

基于光点的测距传感器可以直接测量强反光的叶片表面，结合精密运动控制系统可以实现叶片表面数据的高效测量。但是这种传感器具有一定的工作范围(一般称为测量景深)。只有当测量表面位于工作范围的中心时，才能获取最高的测量精度。因此，复杂曲面叶片测量过程中需要进行测量路径规划。规划的前提条件是要对测量坐标系(MCS)和数字模型坐标系(PCS)进行精确配准。对这种没有明显特征的叶片进行坐标系配准难度大、耗时和不稳定。尤其应用这种测距传感器时，有时无法准确获得足够的数据进行坐标系配准。为了解决上述难题，发明了一种免坐标系配准的复杂曲面叶片直接迭代扫描获取完整数据的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于测距传感器实现复杂曲面叶片免坐标系配准的点云数据快速精密测量方法，解决测量过程中坐标系配准难度大、耗时和不稳定等问题。完成叶片型面点云数据的高精度获取，该方法具有速度快、精度高、噪声小等特点。

本发明实现发明目的采用的技术方案是：具体由以下步骤实现：

步骤1.将被测叶片置于测量系统的工作台上，调整被测叶片与测距传感器的距离及方向，使被测叶片的全部测量点全部在测距传感器的测量范围内,设置测距传感器的测量景深方向与测量系统的Z轴方向相同，定义：

O_S为测距传感器景深距离中心；

Z_S为测距传感器与O_S之间测距；

2δ为测距传感器景深范围；

Z_S-δ，Z_S+δ为测距传感器扫描测量工作距离；

步骤2.测距传感器在Z轴坐标值恒定的状态下，确定测量起始点P₁和终止点P₂，测距传感器起始点P₁,至终止点P₂沿水平X轴方向线性进行扫描测量，获取一组P₁与P₂连线Z轴坐标距离±δ范围内的测量点数据；

步骤3.利用步骤2获取一组测量点数据中，拟合出被测叶片该扫描截面曲线；

步骤4.测量系统将步骤3拟合出被测叶片该扫描截面曲线作为测量路径，对被测叶片该扫描截面进行扫描测量，获取一组扫描测量点数据；

步骤5.对步骤4获取一组扫描测量点数据中，每个扫描测量点数的数据进行判断，当所有扫描测量点数据中的Z轴坐标值全部在Z_SK±δ范围内，本次扫描测量结束，保留测量数据，则进行步骤7，当扫描测量点数据中的Z轴坐标值有超出Z_SK±δ范围的描测量点，则进行步骤6，Z_SK为第K个扫描测量点，测距传感器景深距离中心的Z轴坐标值；

步骤6.当扫描测量点数据中的Z轴坐标值有超出Z_K±δ范围的扫描测量点时，重复步骤3，利用步骤4获取一组测量点数据，重新拟合出被测叶片该扫描截面曲线，按本步骤拟合出被测叶片该扫描截面曲线重复步骤4和步骤5；

步骤7.步骤5判断当所有扫描测量点数据中的Z轴坐标值全部在Z_N±δ范围内，测量系统按设计的垂直Y轴坐标值，重复进行步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，直到所有平行截面扫描测量结束。

本发明的有益效果是：本发明的扫描测量方法，为免坐标系配准的测量方式，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，具有测量速度快、测量精度高、稳定性好等优点。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

附图1为本发明测量路径示意图。

附图2为本发明Z轴坐标平面截面扫描测量示意图。

附图3为本发明测量流程图。

附图中，1测距传感器、2被测叶片。

具体实施方式

参看附图，

1.基于测距传感器的复杂曲面叶片迭代扫描测量方法，该方法由测距传感器在多轴控制的测量系统的运动过程中实现，具体由以下步骤实现：

步骤1.将被测叶片置于测量系统的工作台上，调整被测叶片与测距传感器的距离及方向，使被测叶片的全部测量点全部在测距传感器的测量范围内,设置测距传感器的测量景深方向与测量系统的Z轴方向相同，定义：

O_S为测距传感器景深距离中心；

Z_S为测距传感器与O_S之间测距；

2δ为测距传感器景深范围；

Z_S-δ，Z_S+δ为测距传感器扫描测量工作距离。

步骤2.测距传感器在Z轴坐标值恒定的状态下，确定测量起始点P₁和终止点P₂，测距传感器起始点P₁,至终止点P₂沿水平X轴方向线性进行扫描测量，获取一组P₁与P₂连线Z轴坐标距离±δ范围内的测量点数据。

步骤3.利用步骤2获取一组测量点数据中，拟合出被测叶片该扫描截面曲线。

步骤4.测量系统将步骤3拟合出被测叶片该扫描截面曲线作为测量路径，对被测叶片该扫描截面进行扫描测量，获取一组扫描测量点数据。

步骤5.对步骤4获取一组扫描测量点数据中，每个扫描测量点数的数据进行判断，当所有扫描测量点数据中的Z轴坐标值全部在Z_SK±δ范围内，本次扫描测量结束，保留测量数据，则进行步骤7，当扫描测量点数据中的Z轴坐标值有超出Z_SK±δ范围的描测量点，则进行步骤6，Z_SK为第K个扫描测量点，测距传感器景深距离中心的Z轴坐标值。

该步骤中，假设第K次测量获得的叶片上测量点坐标为(X_K、Z_K),测距传感器坐标为(X_SK、Z_SK)，这里特别强调X_K＝X_SK，X_SK数值是由测距传感器采样频率和测量系统的运动速度决定，Z_K和Z_SK分别为测距传感器实际测得叶片上K点的Z轴坐标值和测距传感器景深距离中心Z轴坐标值，判断公式为：|Z_SK-Z_k|≤δ，步骤4获取一组扫描测量点数据中全部符合判断公式条件后则进行步骤7。

本发明实施例中，Z_S根据由测距传感器技术参数设置，为尽可能提高测量精度，δ取值范围为≤1MM。

步骤6.当扫描测量点数据中的Z轴坐标值有超出Z_K±δ范围的描测量点时，重复步骤3，利用步骤4获取一组测量点数据，重新拟合出被测叶片该扫描截面曲线，按本步骤拟合出被测叶片该扫描截面曲线重复步骤4和步骤5；

步骤7.步骤5判断当所有扫描测量点数据中的Z轴坐标值全部在Z_N±δ范围内，测量系统按设计的垂直Y轴坐标值，重复进行步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，直到所有平行截面扫描测量结束。

本发明实施例中，步骤3中，利用步骤2获取一组测量点数据中，拟合出被测叶片该扫描截面曲线是采用了三次B样条插值拟合方法，数学表达式如下：

式中B_i为控制顶点，k为B样条的次数，这里选为3，N_i，k为标准B样条基函数，参数t构成的参数集T＝{t₀，t₁，...t_n+k-1，t_n+k}。具体的求解过程是通过采集得到的一系列坐标点构造B样条的控制点方程组，利用克劳特三角分解(LU分解)求解控制点，然后带入上述公式，求出整条B样条曲线。

采用了三次B-spline曲线拟合方法的优点在于：本实施例中的需要通过测量获得的点数据求一条连接所有已知采样点的曲线,并且保证曲线是光滑和曲率连续。三次B样条在分段连接处可以达到2阶的导数连续,从而满足连接光滑且曲率一致，而且该方法计算效率和拟合精度都比其他方法要高。

本发明实施例中，在步骤7进行前，根据被测叶片的扭转角，通过转台旋转调整测距传感器与被测叶片继续保持接近垂直的角度。以满足测量需要，获得的测量点坐标根据转台旋转的角度进行坐标变化将所有测量点统一到同一坐标系下。

本发明的有益之处：

由于采用测距传感器，要保证复杂曲面叶片表面测量数据的精度必须保证测量的每一点都在有效的景深范围内，这对于复杂曲面来说是致命的缺点。为满足叶片高精度的测量需求，一般需要依据数字模型对测量过程进行路径规划，这个过程就需要对测量坐标系和数模坐标系进行配准。由于自由曲面没有明显的特征，配准过程繁琐、耗时和不稳定。应用本发明的免坐标系配准的测量方式，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。

Claims (3)

1.基于测距传感器的复杂曲面叶片迭代扫描测量方法，该方法由测距传感器在多轴控制的测量系统的运动过程中实现，其特征在于：具体由以下步骤实现：

步骤1.将被测叶片置于测量系统的工作台上，调整被测叶片与测距传感器的距离及方向，使被测叶片的全部测量点全部在测距传感器的测量范围内,设置测距传感器的测量景深方向与测量系统的Z轴方向相同，定义：

O_S为测距传感器景深距离中心；

Z_S为测距传感器与O_S之间测距，也就是传感器参数中给定的最佳测量距离；

2δ为测距传感器景深范围；

Z_S-δ，Z_S+δ为测距传感器扫描测量工作距离；

步骤2.测距传感器在Z轴坐标值恒定的状态下，确定测量起始点P₁和终止点P₂，测距传感器起始点P₁,至终止点P₂沿水平X轴方向线性进行扫描测量，获取一组P₁与P₂连线Z轴坐标距离±δ范围内的测量点数据；

步骤3.利用步骤2获取一组测量点数据中，拟合出被测叶片该扫描截面曲线；

步骤4.测量系统将步骤3拟合出被测叶片该扫描截面曲线作为测量路径，对被测叶片该扫描截面进行扫描测量，获取一组扫描测量点数据；

步骤5.对步骤4获取一组扫描测量点数据中，每个扫描测量点数的数据进行判断，当所有扫描测量点数据中的Z轴坐标值全部在Z_SK±δ范围内，本次扫描测量结束，保留测量数据，则进行步骤7，当扫描测量点数据中的Z轴坐标值有超出Z_SK±δ范围的描测量点，则进行步骤6，Z_SK为第K个扫描测量点，测距传感器景深距离中心的Z轴坐标值；

步骤6.当扫描测量点数据中的Z轴坐标值有超出Z_K±δ范围的描测量点时，重复步骤3，利用步骤4获取一组测量点数据，重新拟合出被测叶片该扫描截面曲线，按本步骤拟合出被测叶片该扫描截面曲线重复步骤4和步骤5；

步骤7.步骤5判断当所有扫描测量点数据中的Z轴坐标值全部在Z_N±δ范围内，测量系统按设计的垂直Y轴坐标值，重复进行步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，直到所有平行截面扫描测量结束。

2.根据权利要求1所述的基于测距传感器的复杂曲面叶片迭代扫描测量方法，其特征在于：步骤3中，利用步骤2获取一组测量点数据中，拟合出被测叶片该扫描截面曲线是采用三次B样条插值拟合方法，数学表达式如下：

<mrow> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>B</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中B_i为控制顶点，k为B样条的次数，这里选为3，N_i，k为标准B样条基函数，参数t构成的参数集T＝{t₀，t₁，...t_n+k-1，t_n+k}。

3.根据权利要求1所述的基于测距传感器的复杂曲面叶片迭代扫描测量方法，其特征在于：在步骤7进行前，根据被测叶片的扭转角，调整测距传感器与被测叶片的测量角度。