CN110097588B - 一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法 - Google Patents

Abstract

一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法，首先通过三维扫描仪从不同角度获取陶瓷型芯的片状点云，经过拼接获得完整的陶瓷型芯点云模型；陶瓷型芯设计模型是陶瓷型芯的CAD数字化模型，将陶瓷型芯设计模型与陶瓷型芯点云模型进行坐标系统一；从经过坐标系统一后的陶瓷型芯设计模型中获取修型模板；对陶瓷型芯点云模型进行分割；提取分割后的陶瓷型芯点云模型待修型区域的边缘特征点；边缘特征点投影到修型模板确定的局部平面上获得边缘特征点投影点，将修型模板移动到边缘特征点投影点处，完成陶瓷型芯点云模型修型边缘的提取；本发明满足航空发动机叶片陶瓷型芯自动化修型精度高、速度快的要求。

Description

一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法

技术领域

本发明属于点云模型边缘提取技术领域，特别涉及一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法。

背景技术

航空发动机叶片陶瓷型芯，以下简称陶瓷型芯，具有形状结构复杂、变曲率、大扭曲、厚度不均匀等特点，用于形成航空发动机叶片的内腔结构，与型壳共同保证航空发动机叶片对内腔的尺寸精度要求。目前陶瓷型芯主要通过铸造方式成型，成型后的陶瓷型芯容易在分型面处出现微小结构不规整、飞边、毛刺等问题，严重影响了叶片的使用性能。针对铸造成型陶瓷型芯存在的缺陷，目前还没有精度高、速度快的修型设备及技术方法，航空航天单位目前多采用手工修理，导致了陶瓷型芯型面精度差、微小结构不规则、成品率低(18％)等问题。

为了解决陶瓷型芯修型的难题，必须自主研制陶瓷型芯的高精度、自动化修型设备。而陶瓷型芯修型边缘提取是实现高精度、自动化修型的难点以及重点。目前边缘提取技术大多以图像为处理对象，但是二维图像无法满足陶瓷型芯在自动化修型设备中装夹位姿以及修型时深度信息的获取。3D点云模型可以描述零件的形状结构，相比于图像，可以很好的解决无法获取型芯装夹位姿以及深度信息的问题。目前大多数点云边缘特征线提取方法主要用于建筑物的轮廓提取、逆向工程、规则形状零构件的边缘提取，并且提取的边缘主要用于形貌观察，由于其精度差，很少用于零件的加工修型。目前这些方法无法满足陶瓷型芯自动化修型精度高、速度快的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法，满足陶瓷型芯自动化修型精度高、速度快的要求。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法，包括以下步骤：

1)获取陶瓷型芯点云模型：通过三维扫描仪从不同角度获取陶瓷型芯的片状点云，经过拼接后获得完整的陶瓷型芯点云模型，记为

其中p_i为陶瓷型芯点云模型中的点，I为点云模型中点的总数，R³代表三维实数空间；

2)统一坐标系：陶瓷型芯设计模型是陶瓷型芯的CAD数字化模型，依据陶瓷型芯设计模型的修型边缘去重建陶瓷型芯点云模型的修型边缘，通过坐标变换使得陶瓷型芯设计模型与陶瓷型芯点云模型重合；

3)获取修型模板：铸造成型后的陶瓷型芯缺陷处于模具的分型面处，通过CAD软件对转换到基准坐标系处的陶瓷型芯设计模型进行模拟加工，获取陶瓷型芯设计模型在分型面处的理想修型边缘以及修型边缘处的向量，该向量在模拟加工时为刀具的指向，理想修型边缘以及修型边缘处的向量作为修型模板Q；将修型模板进一步分割成m个圆形修型边缘以及n个长圆形修型边缘，具体表示为Q＝{Q₁…Q_m，Q_m+1…Q_m+n}，其中修型边缘

q_j为修型边缘Q_t上的点，

为点q_j处的向量，N为修型边缘Q_t上点的总数，R⁶为六维实数空间；

4)分割点云：在坐标系统一后，修型模板Q中的m个圆形修型边缘以及n个长圆形修型边缘与陶瓷型芯点云模型的圆形以及长圆形边缘基本重合；以修型边缘Q_t上的每个点q_j为圆心O，规定的半径R′建立邻域，分割后的点满足

其中p_i为通过修型边缘Q_t对陶瓷型芯点云模型分割后的点，I为分割后点的总数；对Q₁…Q_m+n执行上述分割过程，得到陶瓷型芯点云模型的分割模型P′＝{P₁′…P_m′，P_m+1′…P_m+n′}；

5)提取边缘特征点：利用修型模板Q中修型边缘Q_t与分割模型P′中P_t′中点之间的向量关系提取P_t′的边缘特征点，准确计算P_t′中每个点在局部微小曲面上的法向量

对于P_t′中每个点p_i，利用Kd-tree搜索其最近邻修型边缘Q_t上的点q_j，P_t′的边缘特征点集满足

其中f_i为边缘特征点，K为边缘特征点集中点的个数，γ衡量法向量间夹角大小，取γ＝cos(80°)；对P₁′…P_m+n′执行上述近邻点搜索以及法向量夹角判断过程，得到分割模型P′的边缘特征点集F′＝{F₁′…F_m′，F_m+1′…F_m+n′}；

6)提取修型边缘：修型边缘提取通过将修型模板移动到陶瓷型芯点云模型实际修型边缘位置，从而实现陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取。

所述的步骤2)中陶瓷型芯设计模型的坐标系转换到基准坐标系处的具体方法为：

选择陶瓷型芯设计模型上三个面积较大且相互正交的平面，以三个平面的交点为原点O，面积最大平面A的法向量为Y轴，面积次之平面B的法向量为Z轴，面积最小平面C的法向量为X轴，且X、Y、Z轴方向符合右手定则，建立基准坐标系，通过CAD软件将陶瓷型芯设计模型的坐标系转换到基准坐标系处；

在步骤1)生成的陶瓷型芯点云模型中选择与陶瓷型芯设计模型中A、B、C三个平面相对应的平面A′、B′、C′，拟合平面A′、B′、C三个平面上的点分别获取平面方程，从而建立基准坐标系，将陶瓷型芯点云模型通过坐标变换转换到基准坐标系。

所述的步骤6)中提取修型边缘的具体方法为：对修型模板Q＝{Q₁…Q_m，Q_m+1…Q_m+n}中修型边缘Q_t上的每个点q_j，建立局部平面α_j满足过点q_j且平面法向量为

将边缘特征点集F′中F_t′的每个点f_i投影到距离点f_i最近邻点q_j确定的局部平面α_j上，得到F_t′在Q_t上的投影点集S_t′；对F₁′…F_m+n′执行上述投影过程，得到边缘特征点投影点集S′＝{S₁′…S_m′，S_m+1′…S_m+n′}，其中S₁′…S_m′为边缘特征点圆孔投影点，S_m+1′…S_m+n′为边缘特征点长圆形孔投影点；

圆孔修型边缘提取：对于每个圆柱形孔，通过最小二乘法拟合边缘特征点圆孔投影点S_t′，其中1≤t≤m，的椭圆方程，剔除距离椭圆最远的点，重新计算椭圆的方程；重复上述剔除距离椭圆最远点及最小二乘法拟合椭圆过程，直到椭圆的位置不再发生变化，则停止迭代过程；将修型边缘Q_t的圆心平移到椭圆的中心，完成单个圆孔修型边缘的提取；重复上述迭代计算椭圆最终位置以及移动修型边缘的圆心到椭圆中心的过程，完成陶瓷型芯点云模型中所有圆孔修型边缘的提取；

长圆形孔修型边缘提取：对于每个边缘特征点长圆孔投影点S_v′，其中m+1≤v≤m+n，进行体素滤波，随机选取1/3体素滤波后的点组成点集

L为点集C_v中点的数量，对于每一个点c_l，通过Kd-tree搜索距离点c_l最近的修型边缘Q_v中的点q_j，并且建立向量

定义Q_v与C_v的重合度为

计算初始位置时的重合度f；将修型边缘Q_v沿

方向移动

计算移动位置后的重合度f′，如果f′＜f，则更新Q_v的位置，否则继续选择下一个点c_l+1重复上述修型边缘Q_v移动以及重合度计算过程，直到点集C_v中所有的点执行完上述过程，得到最终位置的修型边缘Q_v；利用Kd-tree搜索点集

中各个点c_l距离Q_v中最近的点q_j，同时计算

计算所有

的均值μ及标准差σ；以修型边缘Q_v中各个点为圆心O，取R＝μ+2σ为半径建立邻域，在邻域内的S_v′作为去除噪点以及离群点后的S_v′；重复上述移动修型边缘Q_v位置以及对S_v′去除噪声及离群点过程，直到达到规定迭代次数T，得到长圆形孔修型边缘；对所有边缘特征点长圆形孔投影点S_m+1′…S_m+n′执行上述迭代移动修型边缘位置以及提取噪点及离群点过程，完成陶瓷型芯点云模型中所有长圆形孔修型边缘提取。

本发明的有益效果为：

(1)由于本发明采用陶瓷型芯设计模型的修型边缘去提取陶瓷型芯点云模型的修型边缘，所以具有所提取的陶瓷型芯点云模型修型边缘精度高的优点；

(2)由于本发明采用迭代的方法将陶瓷型芯设计模型的修型边缘移动到陶瓷型芯点云模型的修型边缘处，从而实现陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取，所以具有所提取的陶瓷型芯点云模型修型边缘精度高的优点；

(3)由于本发明采用点云分割步骤对含有大量数据的型芯点云模型进行点云分割，减少了边缘提取过程中待处理的数据量，所以具有陶瓷型芯点云模型修型边缘提取速度快的优点；

(4)由于本发明采用陶瓷型芯设计模型的修型边缘直接对含有大量数据的陶瓷型芯点云模型进行点云分割，所以具有点云分割效率高、效果好的优点。

附图说明

图1为本发明实施例方法流程图。

图2为本发明实施例规定的基准坐标系。

图3为本发明实施例陶瓷型芯待修型部位。

图4为本发明实施例陶瓷型芯设计模型的修型模板。

图5为本发明实施例单个圆孔修型边缘提取流程图。

图6为本发明实施例单个长圆形孔修型边缘提取流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法，包括以下步骤：

1)获取陶瓷型芯点云模型：通过三维扫描仪从不同角度获取陶瓷型芯的片状点云，经过拼接后获得完整的陶瓷型芯点云模型，记为

其中p_i为陶瓷型芯点云模型中的点，I为点云模型中点的总数，R³代表三维实数空间；

2)统一坐标系：陶瓷型芯设计模型是陶瓷型芯的CAD数字化模型，依据陶瓷型芯设计模型的修型边缘去重建陶瓷型芯点云模型的修型边缘，坐标系统一旨在通过坐标变换使得陶瓷型芯设计模型与陶瓷型芯点云模型重合，由于三维扫描仪的相机坐标系与陶瓷型芯设计模型建模时的工件坐标系所在位置不同，将两个坐标系重合时不能做到陶瓷型芯点云模型与陶瓷型芯设计模型重合，所以规定一个基准坐标系，如图2所示，选择陶瓷型芯设计模型上三个面积较大且相互正交的平面，以三个平面的交点为原点O，面积最大平面A的法向量为Y轴，面积次之平面B的法向量为Z轴，面积最小平面C的法向量为X轴，且X、Y、Z轴方向符合右手定则，建立基准坐标系，通过CAD软件将陶瓷型芯设计模型的坐标系转换到基准坐标系处；

具体转换方法为：在步骤1)生成的陶瓷型芯点云模型中选择与陶瓷型芯设计模型中A、B、C三个平面相对应的平面A′、B′、C′，拟合平面A′、B′、C′三个平面上的点分别获取平面方程，从而建立基准坐标系，将陶瓷型芯点云模型通过坐标变换转换到基准坐标系；

3)获取修型模板：铸造成型后的陶瓷型芯缺陷如飞边、毛刺大多处于模具的分型面处，通过CAD软件对转换到基准坐标系处的陶瓷型芯设计模型如图3所示的待修型部位进行模拟加工，获取陶瓷型芯设计模型在分型面处的理想修型边缘以及修型边缘处的向量，该向量在模拟加工时为刀具的指向，理想修型边缘以及修型边缘处的向量作为修型模板Q，理想修型边缘如图4所示；将修型模板进一步分割成30个圆形修型边缘以及15个长圆形修型边缘，具体表示为Q＝{Q₁…Q₃₀，Q₃₁…Q₄₅}，其中修型边缘

q_j为修型边缘Q_t上的点，

为点q_j处的向量，N为修型边缘Q_t上点的总数，R⁶为六维实数空间；

4)分割点云：三维扫描仪获取的陶瓷型芯点云模型往往包含大量数据，而且很多数据对陶瓷型芯点云模型修型边缘提取无任何作用，反而会对修型边缘提取产生干扰以及降低边缘提取的效率，不能满足快速、准确提取修型边缘的要求，为了提高边缘提取的准确度以及提高运算速度，对陶瓷型芯点云模型进行分割以获取关注的部分；在统一坐标系后，修型模板中的30个圆形修型边缘以及15个长圆形修型边缘与陶瓷型芯点云模型的圆形以及长圆形边缘基本重合；以修型边缘Q_t上的每个点q_j为圆心O，规定的半径R′＝1.1建立邻域，分割后的点满足

其中p_i为通过修型边缘Q_t对陶瓷型芯点云模型分割后的点，I为分割后点的总数；对Q₁…Q₄₅执行上述分割过程，得到陶瓷型芯点云模型的分割模型P′＝{P₁′…P₃₀′，P₃₁′…P₄₅′}；

5)提取边缘特征点：分割模型P′包含修型边缘信息，特征点提取旨在提取出修型边缘上的点；利用修型模板Q中修型边缘Q_t与分割模型P′中P_t′中点之间的向量关系提取P_t′的边缘特征点，准确计算P_t′中每个点在局部微小曲面上的法向量

对于P_t′中每个点p_i，利用Kd-tree搜索其最近邻修型边缘Q_t上的点q_j，P_t′的边缘特征点集满足

其中f_i为边缘特征点，K为边缘特征点集中点的个数，γ衡量法向量间夹角大小，取β＝cos(80°)；对P₁′…P₄₅′执行上述近邻点搜索以及法向量夹角判断过程，得到分割模型P′的边缘特征点集F′＝{F₁′…F₃₀′，F₃₁′…F₄₅′}；

6)提取修型边缘：修型边缘提取通过将修型模板移动到陶瓷型芯点云模型实际修型边缘位置，从而实现陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取；

对修型模板Q＝{Q₁…Q₃₀，Q₃₁…Q₄₅}中修型边缘Q_t上的每个点q_j，建立局部平面α_j满足过点q_j且平面法向量为

将边缘特征点集F′中F_t′的每个点f_i投影到距离点f_i最近邻点q_j确定的局部平面α_j上，得到F_t′在Q_t上的投影点集S_t′；对F₁′…F₄₅′执行上述投影过程，得到边缘特征点投影点集S′＝{S₁′…S₃₀′，S₃₁′…S₄₅′}，其中S₁′…S₃₀′为边缘特征点圆孔投影点，S₃₁′…S₄₅′为边缘特征点长圆形孔投影点；

圆孔修型边缘提取：具体流程如图5所示，对于每个圆柱形孔，通过最小二乘法拟合边缘特征点圆孔投影点S_t′，其中1≤t≤30，的椭圆方程，剔除距离椭圆最远的点，重新计算椭圆的方程；重复上述剔除距离椭圆最远点及最小二乘法拟合椭圆过程，直到椭圆的位置不再发生变化，则停止迭代过程；将修型边缘Q_t的圆心平移到椭圆的中心，完成单个圆孔修型边缘的提取；重复上述迭代计算椭圆最终位置以及移动修型边缘的圆心到椭圆中心的过程，完成陶瓷型芯点云模型中所有圆孔修型边缘的提取；

长圆形孔修型边缘提取：具体流程如图6所示，对于每个边缘特征点长圆孔投影点S_v′，其中31≤v≤45，进行体素滤波，体元网格的叶子大小为0.1m*0.1m*0.1m；随机选取1/3体素滤波后的点组成点集

L为点集C_v中点的数量，对于每一个点c_l，通过Kd-tree搜索距离点c_l最近的修型边缘Q_v中的点q_j，并且建立向量

定义Q_v与C_v的重合度为

计算初始位置时的重合度f；将修型边缘Q_v沿

方向移动

计算移动位置后的重合度f′，如果f′＜f，则更新Q_v的位置，否则继续选择下一个点c_l+1重复上述修型边缘Q_v移动以及重合度计算过程，直到点集C_v中所有的点执行完上述过程，得到最终位置的修型边缘Q_v；利用Kd-tree搜索点集

中各个点c_l距离Q_v中最近的点q_j，同时计算

计算所有

的均值μ及标准差σ；以修型边缘Q_v中各个点为圆心O，取R＝μ+2σ为半径建立邻域，在邻域内的S_v′作为去除噪点以及离群点后的S_v′；重复上述移动修型边缘Q_v位置以及对S_v′去除噪声及离群点过程，直到达到规定迭代次数T，得到长圆形孔修型边缘；对所有边缘特征点长圆形孔投影点S₃₁′…S₄₅′执行上述迭代移动修型边缘位置以及提取噪点及离群点过程，完成陶瓷型芯点云模型中所有长圆形孔修型边缘提取。

Claims (2)

1.一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取陶瓷型芯点云模型：通过三维扫描仪从不同角度获取陶瓷型芯的片状点云，经过拼接后获得完整的陶瓷型芯点云模型，记为

其中p_i为陶瓷型芯点云模型中的点，I为点云模型中点的总数，R³代表三维实数空间；

2)统一坐标系：陶瓷型芯设计模型是陶瓷型芯的CAD数字化模型，依据陶瓷型芯设计模型的修型边缘去重建陶瓷型芯点云模型的修型边缘，通过坐标变换使得陶瓷型芯设计模型与陶瓷型芯点云模型重合；

3)获取修型模板：铸造成型后的陶瓷型芯缺陷处于模具的分型面处，通过CAD软件对转换到基准坐标系处的陶瓷型芯设计模型进行模拟加工，获取陶瓷型芯设计模型在分型面处的理想修型边缘以及修型边缘处的向量，该向量在模拟加工时为刀具的指向，理想修型边缘以及修型边缘处的向量作为修型模板Q；将修型模板进一步分割成m个圆形修型边缘以及n个长圆形修型边缘，具体表示为Q＝{Q₁…Q_m，Q_m+1…Q_m+n}，其中修型边缘

q_j为修型边缘Q_t上的点，

为点q_j处的向量，N为修型边缘Q_t上点的总数，R⁶为六维实数空间；

4)分割点云：在坐标系统一后，修型模板Q中的m个圆形修型边缘以及n个长圆形修型边缘与陶瓷型芯点云模型的圆形以及长圆形边缘基本重合；以修型边缘Q_t上的每个点q_j为圆心O，规定的半径R′建立邻域，分割后的点满足

对Q₁…Q_m+n执行上述分割过程，得到陶瓷型芯点云模型的分割模型P′＝{P₁′…P_m′，P_m+1′…P_m+n′}；

5)提取边缘特征点：利用修型模板Q中修型边缘Q_t与分割模型P′中P_t′中点之间的向量关系提取P_t′的边缘特征点，准确计算P_t′中每个点在局部微小曲面上的法向量

对于P_t′中每个点p_i，利用Kd-tree搜索其最近邻修型边缘Q_t上的点q_j，P_t′的边缘特征点集满足

其中f_i为边缘特征点，K为边缘特征点集中点的个数，γ衡量法向量间夹角大小，取γ＝cos(80°)；对P₁′…P_m+n′执行上述近邻点搜索以及法向量夹角判断过程，得到分割模型P′的边缘特征点集F′＝{F₁′…F_m′，F_m+1′…F_m+n′}；

6)提取修型边缘：修型边缘提取通过将修型模板移动到陶瓷型芯点云模型实际修型边缘位置，从而实现陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取；

所述的步骤6)中提取修型边缘的具体方法为：对修型模板Q＝{Q₁…Q_m，Q_m+1…Q_m+n}中修型边缘Q_t上的每个点q_j，建立局部平面α_j满足过点q_j且平面法向量为

将边缘特征点集F′中F_t′的每个点f_i投影到距离点f_i最近邻点q_j确定的局部平面α_j上，得到F_t′在Q_t上的投影点集S_t′；对F₁′…F_m+n′执行上述投影过程，得到边缘特征点投影点集S′＝{S₁′…S_m′，S_m+1′…S_m+n′}，其中S₁′…S_m′为边缘特征点圆孔投影点，S_m+1′…S_m+n′为边缘特征点长圆形孔投影点；

圆孔修型边缘提取：对于每个圆柱形孔，通过最小二乘法拟合边缘特征点圆孔投影点S_t′，其中1≤t≤m，的椭圆方程，剔除距离椭圆最远的点，重新计算椭圆的方程；重复上述剔除距离椭圆最远点及最小二乘法拟合椭圆过程，直到椭圆的位置不再发生变化，则停止迭代过程；将修型边缘Q_t的圆心平移到椭圆的中心，完成单个圆孔修型边缘的提取；重复上述迭代计算椭圆最终位置以及移动修型边缘的圆心到椭圆中心的过程，完成陶瓷型芯点云模型中所有圆孔修型边缘的提取；

长圆形孔修型边缘提取：对于每个边缘特征点长圆孔投影点S_v′，其中m+1≤v≤m+n，进行体素滤波，随机选取1/3体素滤波后的点组成点集

L为点集C_v中点的数量，对于每一个点c_l，通过Kd-tree搜索距离点c_l最近的修型边缘Q_v中的点q_j，并且建立向量

定义Q_v与C_v的重合度为

计算初始位置时的重合度f；将修型边缘Q_v沿

方向移动

计算移动位置后的重合度f′，如果f′＜f，则更新Q_v的位置，否则继续选择下一个点c_l+1重复上述修型边缘Q_v移动以及重合度计算过程，直到点集C_v中所有的点执行完上述过程，得到最终位置的修型边缘Q_v；利用Kd-tree搜索点集

中各个点c_l距离Q_v中最近的点q_j，同时计算

计算所有

的均值μ及标准差σ；以修型边缘Q_v中各个点为圆心O，取R＝μ+2σ为半径建立邻域，只保留在邻域内的S_v′中的点作为去除噪点以及离群点后的结果；重复上述移动修型边缘Q_v位置以及对S_v′去除噪声及离群点过程，直到达到规定迭代次数T，得到长圆形孔修型边缘；对所有边缘特征点长圆形孔投影点S_m+1′…S_m+n′执行上述迭代移动修型边缘位置以及提取噪点及离群点过程，完成陶瓷型芯点云模型中所有长圆形孔修型边缘提取。

2.根据权利要求1所述的一种航发叶片陶瓷型芯点云模型的修型边缘提取方法，其特征在于，所述的步骤2)中陶瓷型芯设计模型的坐标系转换到基准坐标系处的具体方法为：

选择陶瓷型芯设计模型上三个面积较大且相互正交的平面，以三个平面的交点为原点O，面积最大平面A的法向量为Y轴，面积次之平面B的法向量为Z轴，面积最小平面C的法向量为X轴，且X、Y、Z轴方向符合右手定则，建立基准坐标系，通过CAD软件将陶瓷型芯设计模型的坐标系转换到基准坐标系处；

在步骤1)生成的陶瓷型芯点云模型中选择与陶瓷型芯设计模型中A、B、C三个平面相对应的平面A′、B′、C′，拟合平面A′、B′、C′三个平面上的点分别获取平面方程，从而建立基准坐标系，将陶瓷型芯点云模型通过坐标变换转换到基准坐标系。

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