CN112013788A - 基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法，该方法通过获取转动前后两次叶片局部前缘曲线特征，并根据两次叶片局部前缘曲线特征中的极大值求解出形心坐标，再根据形心坐标求解出转动中心，实现转动中心坐标标定，与现有技术的点标定方法，曲线标定的结果更加准确，更符合真实的转动中心，并将该方法应用于叶片截面曲线特征检测中，叶片的检测结果也更加精确。

Description

基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法
技术领域
本发明属于叶片检测领域，具体涉及一种基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法。
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。
中国发明专利201911267259.1公开了一种基于线结构光叶片检测方法，该方法公开了利用叶片前缘轮廓在截面上存在极大值的特征实现对转台中心的标定，该方法虽然解决现有技术需要标定球传递产生的误差，但是其利用两点之间可近似为切线来标定转台中心，本身就存在一定的误差，并且该方法存在一定的局限性，仅适用于前缘轮廓的曲率半径较小的叶片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法，该方法利用叶片前缘曲线特征对转台中心进行标定，不仅适用范围更广，且对叶片检测的精度更高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术特征：
基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法，包括如下步骤：
（1）将叶片放置于转台面上，并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前缘曲线特征相交，线结构光传感器采集当前叶片前缘曲线特征的轮廓数据
Figure 862026DEST_PATH_IMAGE001
，选取轮廓数据V 1 中的极大值V 1m ，沿V 1m 左、右两侧各取n个数据点构成叶片局部前缘曲线特征数据集
Figure 779167DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）保持线结构光传感器的位姿不变，转动转台后线结构光传感器的激光面依然与叶片的前缘曲线特征相交，且转动角度θ为1°~3°，采集此时前缘曲线特征的轮廓数据
Figure 621221DEST_PATH_IMAGE003
，先选取轮廓数据V 2 中的极大值V 2m ，并在极大值V 2m 附近查找步骤（1）中的极大值V 1m 对应点V 2m-r ，沿V 2m 左、右两侧各取c个参考点
Figure 16430DEST_PATH_IMAGE004
，并以V 2m-r左、右两侧n个点数据点构成叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集
Figure 830802DEST_PATH_IMAGE005
；
（3）计算出叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集v 1 和v 2m-r 的协方差矩阵，并根据所述协方差矩阵求解特征向量和特征值，再根据特征向量和特征值建立极大值V 1m 和V 2m-r 的匹配函数M；
Figure 718511DEST_PATH_IMAGE006
式中，
Figure 985545DEST_PATH_IMAGE007
为数据集v 1 协方差矩阵的特征值；
Figure 246762DEST_PATH_IMAGE008
为数据集v 1 协方差矩阵的特征向量；
Figure 181220DEST_PATH_IMAGE009
为数据集v 2m-r 协方差矩阵的特征值；
Figure 33638DEST_PATH_IMAGE010
为数据集v 2m-r 协方差矩阵的特征向量；
Figure 787968DEST_PATH_IMAGE011
为转动矩阵；
（4）选取不同参考点V 2m-r 所构成的数据集v 2m-r ，搜寻匹配函数M中的最小值所对应的参考点V 2m-k ，沿参考点V 2m-k 左、右两侧取n个数据点构成叶片局部前缘曲线特征的数据集
Figure 587296DEST_PATH_IMAGE012
；
（5）根据叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集v 1 和v 2 求解出形心坐标
Figure 110681DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 602843DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 906785DEST_PATH_IMAGE015
，t=1,2，
Figure 181909DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 90959DEST_PATH_IMAGE014
分别为叶片局部前缘曲线特征数据集v 1 和v 2 的形心坐标；根据两个形心坐标
Figure 350426DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 344927DEST_PATH_IMAGE014
求解转动中心O b 。
进一步地，步骤（1）中所述叶片局部前缘曲线特征数据集v 1 通过如下步骤构建：
选取轮廓数据V 1 中的极大值V 1m 作为参考点，沿V 1m 左右两侧取的第n个数据点V 1m+n 和V 1m-n ；计算极大值V 1m 到V 1m+n 和V 1m-n 连线之间的距离d Ln ，选取d Ln 大于等于线结构光传感器最佳测量区间d z 时的V 1m+n 和V 1m-n 作为叶片局部前缘数据集的起始点和终止点，即叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集
Figure 282796DEST_PATH_IMAGE002
；
所述
Figure 46353DEST_PATH_IMAGE016
；式中，d Ln 为极大值V 1m 到V 1m+n 和V 1m-n 连线的距离；K为V 1m+n 和V 1m-n 连线的斜率。
进一步地，所述转动中心坐标O b 采用如下模型求解：
Figure 818000DEST_PATH_IMAGE017
式中，(x，y)为转动中心O b 在数据坐标系内的坐标数据；
Figure 627693DEST_PATH_IMAGE011
为转动矩阵；
Figure 510198DEST_PATH_IMAGE018
为二阶单位矩阵；
Figure 924999DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 867547DEST_PATH_IMAGE014
分别为叶片局部前缘曲线特征数据集v 1 和v 2 的形心坐标。
将上述的基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法应用于叶片截面轮廓检测，所述叶片截面轮廓
Figure 571061DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 991678DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 326232DEST_PATH_IMAGE021
为第i次转台转动矩阵；
Figure 705261DEST_PATH_IMAGE022
为第i次线结构传感器采集的数据；
Figure 692808DEST_PATH_IMAGE023
为数据坐标系原点到转动中心的向量。
本发明通过匹配叶片局部前缘曲线特征完成对转动中心的标定，与现有技术单点匹配的标定转动中心方式相比，由于引入了更多的特征点，其结果更为准确，鲁棒性更好。其次，转动中心标定精度的提高，也减少了后续叶片轮廓的重构误差，从而提高叶片的检测精度。
附图说明
图1为本发明检测装置的原理图。
图2为本发明检测利用局部前缘曲线特征标定转动中心原理图。
图3为本发明检测到的局部前缘曲线特征的示意图。
图4为本发明两次前缘曲线特征转换至转动中心下重叠示意图。
图中标记：100、线结构光传感器；200、叶片。
具体实施方式
本实施例以叶片截面轮廓检测为例，对本发明提供的基于叶片前缘曲线特征标定转动中心以及叶片截面轮廓检测进行详细的解释。
本实施例提供了一种基于叶片前缘曲线特征的叶片截面轮廓高精度检测方法包括如下步骤：
（1）叶片安装前的检测装置标定
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安装前需要对检测装置进行标定，保证后续的采集的精确度，所述标定包括对线结构光传感器100位姿标定和转台面标定；所述标定方法与现有技术相同，本实施例不再赘述。
（2）对转台转动中心标定
（a）将叶片200放置于转台面上，并调整线结构光传感器100的位姿，使线结构光传感器100的激光面与叶片200的前缘曲线特征相交，如图2所示的叶片200实线为当前状态下的叶片截面轮廓，与线结构光传感器100相交的曲线为前缘曲线特征，线结构光传感器100采集当前叶片200前缘曲线特征的轮廓数据
Figure 917116DEST_PATH_IMAGE024
。
（b）选取轮廓数据V 1 中的极大值V 1m ，沿V 1m 左右两侧依次选取第n个数据点V 1m+n 和V 1m-n ；计算极大值V 1m 到V 1m+n 和V 1m-n 连线之间的距离d Ln ，
Figure 837668DEST_PATH_IMAGE025
，d Ln 为极大值V 1m 到V 1m+n 和V 1m-n 连线的距离，
Figure 122018DEST_PATH_IMAGE026
为V 1m+n 和V 1m-n 连线的斜率，x1m,y1m为V1m的数据值，x 1m+n ,y 1m+n 为V1m+n的数据值，x 1m-n ,y 1m-n 为V1m-n的数据值；
选取d Ln 刚好大于线结构光传感器100最佳测量值d z 时的V 1m+n 和V 1m-n 作为叶片局部前缘数据集的起始点和终止点，本实施选取的线结构光传感器的最佳测量值d z =0.25mm，精度较高，本实施例选取的d Ln 刚好大于0.25mm的V 1m+n 和V 1m-n 作为叶片局部前缘数据集的起始点和终止点，即叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集
Figure 800124DEST_PATH_IMAGE027
。
（c）保持线结构光传感器100的位姿不变，转动转台后线结构光传感器100的激光面与叶片200的前缘曲线特征依然相交，且转动角度为θ，本实施例θ为1°、2°或3°，如图2所示，图中虚线为转动的叶片截面轮廓，采集此时前缘曲线特征的轮廓数据
Figure 828123DEST_PATH_IMAGE003
，V 2 中的极大值为V 2m ，由于θ较小，V 2 中与V 1 中的极大值V 1m 对应点必然位于V 2m 附近，因此，在V 2 中搜寻出V 1m 的最佳对应参考点V 2m-r 。依次取V 2m 左、右侧的c个点作为
Figure 868761DEST_PATH_IMAGE004
，在每次选取的V 2m-r 的左、右两侧再取n个数据点构成叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集
Figure 58433DEST_PATH_IMAGE005
；
（d）计算出叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集v 1 和v 2m-r 的协方差矩阵
Figure 223836DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 852263DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 153931DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 514506DEST_PATH_IMAGE031
分别为叶片局部前缘曲线特征数据集v 1 和v 2m-r 的形心坐标；并根据所述协方差矩阵
Figure 587828DEST_PATH_IMAGE032
求解特征向量
Figure 957629DEST_PATH_IMAGE008
和特征值
Figure 848225DEST_PATH_IMAGE007
，以及根据协方差矩阵
Figure 910859DEST_PATH_IMAGE033
求解特征向量
Figure 519694DEST_PATH_IMAGE010
和特征值
Figure 755504DEST_PATH_IMAGE034
再根据特征向量
Figure 766185DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 734141DEST_PATH_IMAGE010
以及特征值
Figure 892590DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 604194DEST_PATH_IMAGE009
建立极大值V 1m 和V 2m-r 的匹配函数，
Figure 531699DEST_PATH_IMAGE006
式中，
Figure 670556DEST_PATH_IMAGE007
为数据集v 1 的特征值；
Figure 253984DEST_PATH_IMAGE008
为数据集v 1 的特征向量；
Figure 362754DEST_PATH_IMAGE009
为数据集v 2m-r 的特征值；
Figure 348028DEST_PATH_IMAGE010
为数据集v 2m-r 的特征向量；
Figure 923366DEST_PATH_IMAGE011
为转动矩阵。
（e）选取不同参考点V 2m-r 构建局部前缘曲线特征的数据集v 2m-r ，并搜寻目标函数M中最小值所对应的参考点V 2m-k ，参考点V 2m-k 左、右两侧的n个数据点构成局部前缘曲线特征的数据集
Figure 994090DEST_PATH_IMAGE012
。
（f）根据叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集v 1 和v 2 求解出形心坐标
Figure 47497DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 949593DEST_PATH_IMAGE035
，根据两个形心坐标求解转动中心O b 。设O b 到数据坐标系o s -x s y s 原点O S 的向量为
Figure 430253DEST_PATH_IMAGE036
；(x，y)为转动中心O b 在数据坐标系内的坐标数据；
Figure 722694DEST_PATH_IMAGE011
为转动矩阵；
Figure 645039DEST_PATH_IMAGE018
为二阶单位矩阵；
Figure 339325DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 53203DEST_PATH_IMAGE014
分别为叶片局部前缘曲线特征数据集v 1 和v 2 的形心坐标。
将线结构光传感器100采集当前叶片200前缘曲线特征的轮廓数据V 1 和V 2 放在数据坐标系o s -x s y s 中
Figure 98520DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 493729DEST_PATH_IMAGE038
，叶片局部前缘特征曲线如图4所示。
（3）叶片截面轮廓检测
设该截面采用n视场完成整周轮廓数据的采集，视场i所对应的转角为
Figure 104839DEST_PATH_IMAGE039
、平移参数为
Figure 192881DEST_PATH_IMAGE040
，截面曲线轮廓为
Figure 459914DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 721131DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 124430DEST_PATH_IMAGE042
为第i次转台转动矩阵；
Figure 445690DEST_PATH_IMAGE022
为第i次线结构传感器采集的数据；
Figure 200020DEST_PATH_IMAGE023
为数据坐标系原点到转动中心的向量。
调整线结构光传感器使其激光面与于下一个待测截面相交，并重复以上步骤，即可完成叶片的所有检测工作。
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.基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将叶片放置于转台面上，并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前缘曲线特征相交，线结构光传感器采集当前叶片前缘曲线特征的轮廓数据
Figure 532017DEST_PATH_IMAGE001
，选取轮廓数据V 1 中的极大值V 1m ，沿V 1m 左、右两侧各取n个数据点构成叶片局部前缘曲线特征数据集
Figure 55403DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）保持线结构光传感器的位姿不变，转动转台后线结构光传感器的激光面依然与叶片的前缘曲线特征相交，且转动角度θ为1°~3°，采集此时前缘曲线特征的轮廓数据
Figure 422930DEST_PATH_IMAGE003
，先选取轮廓数据V 2 中的极大值V 2m ，并在极大值V 2m 附近查找步骤（1）中的极大值V 1m 对应点V 2m-r ，沿V 2m 左、右两侧各取c个参考点
Figure 398976DEST_PATH_IMAGE004
，并以V 2m-r左、右两侧n个点数据点构成叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集
Figure 939679DEST_PATH_IMAGE005
；
（3）计算出叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集v 1 和v 2m-r 的协方差矩阵，并根据所述协方差矩阵求解特征向量和特征值，再根据特征向量和特征值建立极大值V 1m 和V 2m-r 的匹配函数M；
Figure 520833DEST_PATH_IMAGE006
式中，
Figure 856000DEST_PATH_IMAGE007
为数据集v 1 协方差矩阵的特征值；
Figure 584921DEST_PATH_IMAGE008
为数据集v 1 协方差矩阵的特征向量；
Figure 601419DEST_PATH_IMAGE009
为数据集v 2m-r 协方差矩阵的特征值；
Figure 99396DEST_PATH_IMAGE010
为数据集v 2m-r 协方差矩阵的特征向量；
Figure 605464DEST_PATH_IMAGE011
为转动矩阵；
（4）选取不同参考点V 2m-r 所构成的数据集v 2m-r ，搜寻匹配函数M中的最小值所对应的参考点V 2m-k ，沿参考点V 2m-k 左、右两侧取n个数据点构成叶片局部前缘曲线特征的数据集
Figure 759365DEST_PATH_IMAGE012
；
（5）根据叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集v 1 和v 2 分别求解出形心坐标
Figure 641870DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 932037DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 874585DEST_PATH_IMAGE015
，t=1,2，
Figure 312520DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 662031DEST_PATH_IMAGE014
分别为叶片局部前缘曲线特征数据集v 1 和v 2 的形心坐标；根据两个形心坐标
Figure 134601DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 982471DEST_PATH_IMAGE014
求解转动中心O b 。
2.根据权利要求1所述的基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法，其特征在于：步骤（1）中所述叶片局部前缘曲线特征数据集v 1 通过如下步骤构建：
选取轮廓数据V 1 中的极大值V 1m ，沿V 1m 左、右两侧取的第n个数据点V 1m+n 和V 1m-n ；计算极大值V 1m 到V 1m+n 和V 1m-n 连线之间的距离d Ln ，选取d Ln 大于等于线结构光传感器最佳测量值d z 时的V 1m+n 和V 1m-n 作为叶片局部前缘数据集的起始点和终止点，即叶片局部前缘曲线特征的轮廓数据集
Figure 845385DEST_PATH_IMAGE002
；
所述
Figure 69693DEST_PATH_IMAGE016
；式中，d Ln 为极大值V 1m 到V 1m+n 和V 1m-n 连线的距离；K为V 1m+n 和V 1m-n 连线的斜率。
3.根据权利要求1所述的基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法，其特征在于：所述转动中心坐标O b 采用如下模型求解：
Figure 396769DEST_PATH_IMAGE017
式中，(x，y)为转动中心O b 在数据坐标系内的坐标数据；
Figure 618803DEST_PATH_IMAGE011
为转动矩阵；
Figure 31329DEST_PATH_IMAGE018
为二阶单位矩阵；
Figure 793749DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 913015DEST_PATH_IMAGE014
分别为叶片局部前缘曲线特征数据集v 1 和v 2 的形心坐标。
4.根据权利要求1、2或3任一权利要求所述的基于叶片局部前缘曲线特征标定转动中心的方法在叶片检测领域的应用。
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