CN111982019A - 基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法 - Google Patents

基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法,包括:(10)线结构光传感器的位姿标定;(20)回转轴下面标定:利用叶片侧边基准面实现对回转轴线的标定;(30)待测叶片的截面轮廓检测:建立全局坐标系,将数据坐标系采集的叶片截面曲线特征数据转换至坐标系下拼接,实现对叶片截面轮廓的检测;本发明减少标定物传递产生误差,并且在对回转轴线和转动中心标定的时不带入转台转动角度,减少了旋转误差,两次转动线结构光的位置均没有改变,减少了线结构光传感器平移误差。本发明利用一个平整度精度高的基准面来标定回转轴线,不仅减少了叶片检测前的标定步骤,并且标定后的数据误差极小,对叶片截面曲线检测更精确。

Description

基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法
技术领域
本发明属于叶片轮廓检测领域,具体涉及一种基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法。
背景技术
叶片作为航空发动机、燃机、汽轮机等设备中的关键零部件,承担着将热能转化为机械能的重要任务,叶片的形状及质量直接影响整机的能量转换效率和使用寿命。叶片因其截面为不规则曲面且每个截面高度的型线轮廓不相同给叶片检测工作增加了难度。
专利号为201911267259.1的中国发明专利公开了一种基于线结构光传感器的叶片检测方法,该方法的检测方法包括(1)叶片安装前的检测装置标定:线结构光传感器移动轴X、Y的标定,利用矩形标定块对移动轴Z轴的标定,利用角度传感器对转台平面标定;(2)叶片安装后叶片轴线的标定,利用叶片的基准面A和B(两个侧边基准面)对叶片轴线的标定;(3)待测叶片的检测。该方法利用角度传感器和叶片的曲线特征回转轴线标定,克服传统的标准球传递误差,但是其操作步骤繁琐,且不适用于叶片截面曲线特征中曲率较大的检测,检测存在极大误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单且适用于各种叶片检测的基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法,包括如下步骤:
(10)线结构光传感器的位姿标定:用于标定移动坐标系X、Y、Z轴,使线结构光传感器的数据坐标系o-xyz与移动坐标系O-XYZ平行;
(20)回转轴线的标定:用于标定转台回转轴线,使叶片轴线与回转轴线平行;
(30)待测叶片的截面轮廓检测:建立全局坐标系,将数据坐标系采集的叶片截面曲线特征数据转换至坐标系下拼接,实现对叶片截面轮廓的检测;
步骤(20)回转轴线标定采用以下步骤:
(21)将待测叶片放置于转台上,调整线结构光传感器的位姿使线结构光传感器的激光面与叶片的侧边基准面相交,线结构光传感器采集基准面的轮廓线点数据M 1
(22)保持线结构光传感器的位姿不变,旋转转台后线结构光传感器采集侧边基准面的轮廓线点数据M 2 ;再次旋转转台且保持线结构光传感器的位姿不变,线结构光传感器采集侧边基准面的轮廓线点数据M 3 ;其中,步骤(21)和步骤(22)的侧边基准面同一基准面;
(23)对数据M 1 、M 2 、M 3 进行直线拟合获得三条直线L 1 、L 2 、L 3 ,根据旋转中心点O 1 到三条直线L 1 、L 2 、L 3 的距离相等,求解出旋转中心点O 1
(24)沿移动坐标系Z轴移动线结构光传感器,线结构光传感器的激光面与叶片的侧边基准面相交,重复步骤(21)~(23)获取旋转中心点O 2
(25)通过旋转中心点O 1 、O 2 求解出回转轴线的空间直线方程;根据空间直线方程可计算回转轴线偏转角,根据偏转角调节转台面,即同时实现转台面和回转轴线的标定。
进一步地,所述转台的底面安装有微调机构,所述微调机构包括上下叠加的X轴角位移器和Y轴角位移器,根据步骤(25)所述的回转轴线偏转角调节X轴角位移器和Y轴角位移器实现对转台面和回转轴线的标定。
进一步地,步骤(25)所述偏转角包括回转轴线在数据坐标系yoz面的偏转角 ,以及回转轴线在数据坐标系xoz面的偏转角 ,其中x 1 y 1 为旋转中心点O 1 坐标数据,x 2 、y 2 为旋转中心点O 2 坐标数据,L z 步骤(24)线结构光传感器在Z轴的上移动距离。
进一步地,步骤(20)回转轴线标定还包括以下步骤:
(26)沿移动坐标系Z轴移动线结构光传感器,使线结构光传感器的激光面与叶片的水平基准面重合且侧边基准面重合,重复步骤(21)~(24)获取旋转中心点O 3 O 4 ,旋转中心点O 3 O 4 的坐标数据x、y相等,实现对叶片回转轴线的检验。
与现有技术相比不引入外部标定物,本发明减少标定物传递产生误差,并且在对回转轴线和转动中心标定的时不带入转台转动角度,减少了旋转误差,两次转动线结构光的位置均没有改变,减少了线结构光平移误差。同时,本发明利用一个平整度精度高的基准面来标定回转轴线,不仅减少了叶片检测前的标定步骤,并且标定后的数据误差极小,对叶片截面曲线检测更精确。
附图说明
图1为四轴测量系统的简化结构示意图。
图2为线结构光传感器与待测叶片的位置关系示意图。
图3为本发明第一次采集基准面A的数据M 1 结构示意图。
图4为本发明第二次采集基准面A的数据M 2 结构示意图。
图5为本发明第三次采集基准面A的数据M 3 结构示意图。
图6为本发明控制平移量Z轴两次线结构光传感器的位置关系示意图。
图7为本发明回转轴线标定示意图。
图8为本发明的微调机构示意图。
图中标记:100、线结构光传感器;200、叶片;201、基准面A;202、基准面B;203、基准面C;300、回转轴线;400、转台;401、X轴角位移器;402、Y轴角位移器。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法,该方法公开了一种利用叶片自特征(侧基准面)标定回转轴线的方法,该标定方法与现有技术相比,使用范围更广,检测数据更加精确。所述叶片200自特征是指叶片200加工时加工的两个侧基准面A201、基准面B202和水平基准面C203,基准面A201和基准面B202相交,且与基准面C203垂直,该自特征是所有叶片200共有的特征,且具有较高的平面度,可被视为高精度平面特征,本实施例的方法就是利用两个基准面A201和基准面B202任意一个侧基准面的特性对转动中心和回转轴线300标定。
本实施例提供的基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法包括如下步骤:
(10)线结构光传感器的标定
如图1所示,所述检测装置包括线结构光传感器100、控制线结构光传感器在移动坐标系O-XYZ内移动的平移驱动(S X 、S Y 、S Z )、以及控制转台400的旋转的旋转驱动W;所述转台上必然存在转动中心;叶片200安装前需要对线结构光传感器100位姿标定,保证后续的采集的精确度,所述标定方法与现有技术相同,本实施例不再赘述。
(20)回转轴线的标定
(21)将待测叶片100放置于转台中心处,并通过控制平移驱动(S X 、S Y 、S Z )调整线结构光传感器100的位姿,使线结构光传感器100的激光面与基准面A201相交,如图2所示,所述叶片加工有两个侧边基准面A201、B202和水平基准面C203,本实施例选择叶片基准面A201,采用基准面B202其原理和步骤相同,控制平移驱动S X 移动ΔX1,平移驱动S Y 移动ΔY1,平移驱动S Z 移动ΔZ1,转台旋转θ,使得线结构光传感器100的激光线位于基准面A201上,线结构光传感器100采集基准面A201的轮廓线点数据M 1 ,如图3所示,将空点和未在基准面A201内的数据点取为无效点,去除无效点后的点云数据
(22)为减少累积误差,保持线结构光传感器100的位姿不变,旋转θ转台后,转动的角度不需要太大,要保证线结构光传感器100的激光面还与基准面A201相交,如图3所示,线结构光传感器100再次采集基准面A201的轮廓线点数据M 2 ;同理,在线结构光传感器100位姿不变的情况下再次旋转转台,并且保证线结构光传感器100激光面依然与基准面A201相交,如图4所示,线结构光传感器100再次采集基准面A201的轮廓线点数据M 3
(23)因叶片的基准面具有较高的直线度,因此对数据M 1 、M 2 、M 3 进行直线拟合获得三条直线L 1 、L 2 、L 3 ,因线结构光传感器的位姿没有变化,所以数据M 1 、M 2 、M 3 的数据坐标系属于同一个数据坐标系o-xy,那么旋转中心点O 1 到三条直线L 1 、L 2 、L 3 的距离的d 1 、d 2 、d 3 相等,可求解出旋转中心点O 1
利用函数 ,(x i ,y i )为数据M 1 、M 2 、M 3 中第i个数据坐标;拟合得出L 1 、L 2 、L 3 在数据坐标系o-xy中的线性方程:
L1:y=A1x+B1
L2:y=A2x+B2
L3:y=A3x+B3
设旋转中心点O 1 在数据坐标系o-xy中的坐标为(x 1 ,y 1 ),则三条拟合直线L 1 、L 2 、L 3 到点O 1 x 1 ,y 1 )的距离为:
联立二式即可解出O 1 点的坐标(x 1 ,y 1 )。
以线结构光传感器的激光面与叶片基准面C重合时的移动坐标系O-XYZ原点,O 1 点在拼接坐标系O-XYZ中的坐标为△X 1 、△Y 1 、△Z 1 为线结构光采集数据M 1 时在移动坐标系O-XYZ的坐标。
(24)沿移动坐标系Z轴移动线结构光传感器,移动距离为L Z ,如图5所示,重复步骤(21)~(23)获取旋转中心点O 2 O 2 点在移动坐标系O-XYZ中的坐标为
(25)如图6和图7所示,通过旋转中心点O 1 O 2 求解出回转轴线的空间直线方程;
叶片200回转轴线在拼接坐标系内的空间直线方程可以计算出叶片回转轴线在Y'O'Z'平面内的偏角为 ,叶片回转轴线在X'O'Z'平面内的偏角为 ,通过叶片200下方的微调X轴角位移器401或Y轴角位移器402,如图8所示,调整R X R Y 实现调整叶片角度,使得叶片200回转轴线300处于竖直方向。
(26)沿移动坐标系Z轴移动线结构光传感器100,使线结构光传感器100的激光面与叶片的水平基准面重合且侧边基准面重合,重复步骤(21)~(24)获取旋转中心点O 3 O 4 ,旋转中心点O 3 O 4 的坐标数据(x,y)相等,实现对叶片回转轴线的检验。
(30)待测叶片的检测
(31)建立全局坐标系O-XYZ,以待测面叶片基准面C与回转轴线的交点为原点O,并以基准面C上的两个相互垂直的法向量为X、Y轴,以回转轴线为Z轴;
(32)通过移动线结构光传感器100以及转动转台实现待测叶片200的不同位置的数据采集,将采集的数据转换到全局坐标系O-XYZ进行数据拼接实现对待测叶片的轮廓检测。
以上所述仅是本发明优选的实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法,包括如下步骤:
(10)线结构光传感器的位姿标定:用于标定移动坐标系X、Y、Z轴,使线结构光传感器的数据坐标系o-xyz与移动坐标系O-XYZ平行;
(20)回转轴线的标定:用于标定转台回转轴线,使叶片轴线与回转轴线平行;
(30)待测叶片的截面轮廓检测:建立全局坐标系,将数据坐标系采集的叶片截面曲线特征数据转换至坐标系下拼接,实现对叶片截面轮廓的检测;
其特征在于:步骤(20)回转轴线标定采用以下步骤:
(21)将待测叶片放置于转台上,调整线结构光传感器的位姿使线结构光传感器的激光面与叶片的侧边基准面相交,线结构光传感器采集基准面的轮廓线点数据M 1
(22)保持线结构光传感器的位姿不变,旋转转台后线结构光传感器采集侧边基准面的轮廓线点数据M 2 ;再次旋转转台且保持线结构光传感器的位姿不变,线结构光传感器采集侧边基准面的轮廓线点数据M 3 ;其中,步骤(21)和步骤(22)所述叶片的侧边基准面为同一基准面;
(23)对数据M 1 、M 2 、M 3 进行直线拟合获得三条直线L 1 、L 2 、L 3 ,根据旋转中心点O 1 到三条直线L 1 、L 2 、L 3 的距离相等,求解出旋转中心点O 1
(24)沿移动坐标系Z轴移动线结构光传感器,线结构光传感器的激光面与叶片的侧边基准面相交,重复步骤(21)~(23)获取旋转中心点O 2
(25)通过旋转中心点O 1 、O 2 求解出回转轴线的空间直线方程;根据空间直线方程可计算回转轴线偏转角,根据偏转角调节转台面,即同时实现转台面和回转轴线的标定。
2.根据权利要求1所述的基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法,其特征在于:所述转台的底面安装有微调机构,所述微调机构包括上下叠加的X轴角位移器和Y轴角位移器,根据步骤(25)所述的回转轴线偏转角调节X轴角位移器和Y轴角位移器实现对转台面和回转轴线的标定。
3.根据权利要求1或2所述的基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法,其特征在于:步骤(25)所述偏转角包括回转轴线在数据坐标系yoz面的偏转角,以及回转轴线在数据坐标系xoz面的偏转角,其中x 1 、y 1 为旋转中心点O 1 坐标数据,x 2 、y 2 为旋转中心点O 2 坐标数据,L z 步骤(24)线结构光传感器在Z轴的上移动距离。
4.根据权利要求1所述的基于线结构光传感器的叶片截面轮廓高精度检测方法,其特征在于:步骤(20)回转轴线标定还包括以下步骤:
(26)沿移动坐标系Z轴移动线结构光传感器,使线结构光传感器的激光面与叶片的水平基准面重合且侧边基准面重合,重复步骤(21)~(24)获取旋转中心点O 3 O 4 ,旋转中心点O 3 O 4 的坐标数据x、y相等,实现对叶片回转轴线的检验。
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