CN113899280B - 整体叶盘叶片四轴联动扫描路径规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法及系统，通过干涉检查，将叶片截面线划分为上、下两段，并确定测针倾斜角，之后利用增量式计算方法快速获得所有路径点的旋转角可测矩阵，同时将测针、测座近似为圆锥模型对可测矩阵进行修正，最后利用二分法和三次样条曲线对测座旋转角进行拟合，最终获得平滑无干涉的转台旋转轨迹。本发明可行区域的计算中考虑了测座本身的体积，并将其与测针近似为圆锥对可测矩阵进行了进一步的修正，确保可测矩阵准确无干涉；充分利用四轴联动测量机的优势，测量过程中只需要调整测针方向两次，提高了测量效率，本发明极大的降低了干涉检查的计算量，本发明确保了轨迹无干涉情况下尽可能的光顺。
Description
技术领域
本发明涉及工业制造领域，具体地，涉及一种整体叶盘叶片四轴联动扫描路径规划方法及系统。
背景技术
复杂曲面零部件，如叶轮叶片、整体叶盘等，是数字化制造的重点研究对象，如何精确高效的测量是目前的研究重点。三坐标测量机具有测量精度高、范围广等优势，被广泛用于零部件的精度测量环节中。传统三坐标测量机主要通过逐点式测量和三轴扫描式测量进行测量。逐点式测量在测量过程有大量时间耗费在点与点之间的空运行上，不适合于大量数据点的测量。三轴扫描式测量在测量复杂的整体叶盘叶片时需要频繁的调整测针方向或工件装夹姿态，以避免发生干涉，极大的影响了测量效率。因此传统的三轴三坐标测量机在针对叶盘叶片的测量中效率较低。四轴联动测量机是在传统的三坐标测量机的基础上增加了一个绕Z轴旋转的气动转台，在测量叶盘叶片的截面线时，只需要调整两次测针方向即可完成扫描测量，具体过程如图1所示。
名称为"Computer-aided measurement plan for an impeller on acoordinate measurement machine with a rotating and tilting probe."的文献中公开的坐标测量机搭配PH10分度式测头测量过程中需要多次调整测针方向，导致测量效率较低。另外在考虑到叶片结构的复杂性，在测量过程很可能会发生干涉碰撞，因此在路径规划过程中需要进行干涉检查。而全局干涉检查情况下的四轴联动测量路径规划会非常耗时，难以直接用于实际应用，例如名称为"Automatic generation of efficient andinterference-free five-axis scanning path for free-form surface inspection."的文献。因此，目前尚未有一种高效的整体叶盘叶片四轴联动扫描路径规划方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法及系统。
根据本发明提供的一种整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法，包括如下步骤：
截面线划分步骤：将叶片截面线采样获得少量均匀分布的路径点P(t)，分析在每一路径点测针不同倾斜角的可测性；根据可测性和扫描的连续性将叶片截面线分为上下两段，并确定测针倾斜角；
旋转角可行区域确定步骤：在路径点建立局部极坐标系，将其旋转角离散化，获得各自旋转角的可测矩阵；利用增量式算法计算所有路径点的可行区域；对可测矩阵进行修正；
轨迹生成步骤：根据路径点的可测矩阵及相关测量约束，初步确定每一路径点的旋转角，利用三次样条曲线对旋转角进行拟合，通过二分法确定最优控制点数量，获得测座旋转轨迹。
优选地，当测针在某一倾斜角下，转台在任一旋转角下，测针尖端可以无干涉的测量Pi点时，则该倾斜角相对于Pi是可测的。
优选地，根据扫描测量的约束，测量叶片的上叶缘时，测针倾斜角小于90°；测量叶片的下叶缘时，测针倾斜角大于90°。
优选地，旋转角可行区域确定步骤中，利用增量式方法，迭代检查前一点或后一点的矩阵边缘像素能够获得每段路径所有点的可测矩阵。
优选地，旋转角可行区域确定步骤中，将测针与测座近似为圆锥模型，当圆锥顶角范围内存在障碍物时，旋转角对应区域则为不可行区域，将测座在空间的极坐标位置离散后，可行像素区域附近存在不可行区域时，则该像素不可行，通过腐蚀算法进行修正。
优选地，轨迹生成步骤中，利用二分法可以找到最优控制点数量，获得平滑光顺且无干涉的转台旋转轨迹。
优选地，用于测量叶盘的测头采用PH10分度式测头。
优选地，上下两段的叶片截面线对应的测针倾斜角为75°、105°。
根据本发明提供的一种整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划系统，包括如下模块：
截面线划分模块：将叶片截面线采样获得少量均匀分布的路径点P(t)，分析在每一路径点测针不同倾斜角的可测性；根据可测性和扫描的连续性将叶片截面线分为上下两段，并确定测针倾斜角；
旋转角可行区域确定模块：在路径点建立局部极坐标系，将其旋转角离散化，获得各自旋转角的可测矩阵；利用增量式算法计算所有路径点的可行区域；对可测矩阵进行修正；
轨迹生成模块：根据路径点的可测矩阵及相关测量约束，初步确定每一路径点的旋转角，利用三次样条曲线对旋转角进行拟合，通过二分法确定最优控制点数量，获得测座旋转轨迹。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用测针、测座体积对可测矩阵进行了修正，提高了可测矩阵准确无干涉。
2、本发明充分利用四轴联动的优势，测量过程中只需两次调整测针方向，减少了调整测针方向的次数，提高了测量效率。
3、本发明利用增量式计算方法快速所有点的可行矩阵，极大的降低了干涉检查的计算量。
4、本发明利用样条函数和二分法快速确定光顺的无干涉转台旋转轨迹，确保了轨迹无干涉情况下尽可能的光顺。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的整体叶盘叶片四轴联动扫描路径规划方法流程图；
图2为本发明实施例提供的四轴联动测量机、测针及叶盘的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的叶盘叶片某一截面线的路径划分示意图；
图4为本发明实施例提供的不同路径点的旋转角可行区域增量式计算方法示意图；
图5为本发明实施例提供的不同数量控制点拟合获得的样条曲线对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图5所示，本发明通过干涉检查，将叶片截面线划分为上、下两段，并确定测针倾斜角，之后利用增量式计算方法快速获得所有路径点的旋转角可测矩阵，同时将测针、测座近似为圆锥模型对可测矩阵进行修正，最后利用二分法和三次样条曲线对测座旋转角进行拟合，最终获得平滑无干涉的转台旋转轨迹。
请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的整体叶盘叶片四轴联动扫描路径规划方法流程图。
本实施例中无干涉四轴联动扫描路径高效规划算法包括如下步骤：
步骤S1：将叶片截面线采样获得少量均匀分布的路径点P(t)，分析在每一路径点测针不同倾斜角的可测性，当测针在某一倾斜角下，转台在任一旋转角下，测针尖端可以无干涉的测量Pi点时，该倾斜角相对于Pi是可测的。根据路径点P(t)的倾斜角可测性，考虑到扫描过程的连续性，即测量叶片的上叶缘时，测针倾斜角应小于90°，下叶缘时，测针倾斜角应大于90°，将叶片截面线划分为上、下两段进行测量，每段对应的测针倾斜角为75°、105°。
步骤S2：为方便计算分析，将转台相对于测针的旋转转换为测针相对于转台的旋转。在S1中路径点建立局部极坐标系，将其旋转角离散化，可以获得各自旋转角的可测矩阵，在特定测针倾斜角下，根据路径首末点的可测矩阵，利用增量式方法，迭代检查前一点或后一点的矩阵边缘像素，即可获得每段路径所有点的可测矩阵。同时将测针测座近似为圆锥模型，利用腐蚀算法对可测矩阵进行修正。
步骤S3：根据S2中路径点的可测矩阵及相关测量约束，初步确定每一路径点的旋转角，进而利用三次样条曲线对旋转角进行拟合，通过二分法确定最优控制点数量，最终获得平滑光顺且无干涉的测座旋转轨迹。
具体的，所述步骤S1包括：四轴联动测量机是在传统三坐标测量机的基础上增加了一个气动转台，同时搭配PH10分度式测头进行测量。首先在叶片截面线上均匀采样少量路径点P，在每一路径点可建立与零件坐标系平行的局部坐标系LCS，其中v为测针方向，可由可由角度ω和φ决定：
利用射线面片求交的方式可以确定在某一路径点Pi处不同测针角度的可测性。当测针在某一倾斜角下，转台在任一旋转角下，测针尖端可以无干涉的测量Pi点时，该倾斜角相对于Pi是可测的。
根据所有路径点的测针倾斜角可测性，可以将路径点划分为不同的部分。同时考虑到扫描过程的连续性，即测量叶片的上叶缘时，测针倾斜角应小于90°，下叶缘时，测针倾斜角应大于90°，将叶片截面线划分为上(A-B-C)、下(D-E-F)两段进行测量，如图3所示，每段对应的测针倾斜角为75°、105°。
所述步骤S2中考虑到测座的体积，将测针与测座简化为圆锥模型，当圆锥顶角范围内存在障碍物时，旋转角对应区域则为不可行区域，将测座在空间的极坐标位置离散后，即为可行像素区域附近存在不可行区域时，该像素便不可行，可通过腐蚀算法进行修正。
具体的，所述步骤S2包括：根据图2的结构示意图，测针相对于叶盘，即转台的旋转与转台相对于测针的旋转是相对等效的运动，为方便分析计算，在计算过程中，将转台相对于测针的旋转转换为测针相对于转台的旋转。将测针倾斜角和转台旋转角分别以其分度值7.5°和3°进行离散，即可获得在S1中每段路径首末点的测针可行矩阵，其中每一行代表在该路径点处测针某一倾斜角下转台不同旋转角的可测性。
利用增量式算法可根据前一(或后一)路径点的旋转角的可行矩阵可快速确定所有路径点的旋转角可行矩阵。具体算法原理如图4所示，图4中黑色像素代表该角度无干涉可测，第一列与最后一列实际是毗邻的。首先复制前一点(或后一点)的旋转角可测行向量，之后根据以下几种情况对可测行向量进行修正即可获得新一点的可测行向量：1.如果当前像素位置为可行区域，即为黑色(如图4中的像素a)，且在新的位置下仍是可行的，则需检查相邻的不可行区域，即白色像素(如图4中的像素c)；2.如果当前像素位置为可行区域，即为黑色(如图4中的像素a)，单在新的位置下变为不可行，则需检查相邻的可行区域，即黑色像素(如图4中的像素b)。通过以上算法即可快速获得所有路径点的的旋转角可行区域。
以上分析未考虑到测针测座的体积，为简化计算，将测针测座近似为圆锥模型，并根据圆锥的顶角θ大小，对最终的可行矩阵的左右边缘进行修正，即矩阵各位置在θ范围内是否有不可行区域，若存在干涉区域，显然该可行区域则为不可行，具体可以利用腐蚀算法进行实现，最终可以确定所有路径点对应的旋转角可行矩阵。
具体的，所述步骤S3包括：首先根据S2的路径点对应的旋转角可行矩阵，利用测量约束，直接获得转台旋转角的初始测量轨迹，之后利用三次样条曲线对各个旋转角进行拟合，并利用二分法确定最优控制点数量，并获得平滑光顺且无干涉的转台测量轨迹。
初始测量轨迹的确定原则是测针进行扫描测量过程中，测针与叶片测量点处的切平面保持锐角以确保扫描测量的测量精度，同时避免损坏测针。
根据前一步的初始轨迹，利用三次样条曲线进行拟合，不同控制点数量的拟合结果如图5所示，显然控制点的个数越多，扫描曲线越靠近初始轨迹，即越不易发生干涉，但扫描轨迹却不够光顺平滑。因此可以通过二分法确定最优的控制点数量，进而获得无干涉且尽可能光顺的转台测量轨迹。
本发明还提供了一种整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划系统，包括截面线划分模块：将叶片截面线采样获得少量均匀分布的路径点P(t)，分析在每一路径点测针不同倾斜角的可测性；根据可测性和扫描的连续性将叶片截面线分为上下两段，并确定测针倾斜角；旋转角可行区域确定模块：在路径点建立局部极坐标系，将其旋转角离散化，获得各自旋转角的可测矩阵；利用增量式算法计算所有路径点的可行区域；对可测矩阵进行修正；轨迹生成模块：根据路径点的可测矩阵及相关测量约束，初步确定每一路径点的旋转角，利用三次样条曲线对旋转角进行拟合，通过二分法确定最优控制点数量，获得测座旋转轨迹。
本发明提出的技术方案在可行区域的计算中考虑了测座本身的体积，并将其与测针近似为圆锥对可行区域进行了进一步的修正，确保可行区域准确无干涉；本发明充分利用四轴联动测量机的优势，测量过程中只需要调整测针方向两次，减少了调整测针方向的次数，提高了测量效率；本发明利用增量式计算方法，通过分析前一路径点或后一路径点的可行区域边缘位置的干涉情况，快速获得另一点的可行区域，极大的降低了干涉检查的计算量；本发明转台旋转轨迹生成部分，通过二分法确定最优控制点数量并利用三次样条曲线拟合确定最终的扫描轨迹，确保了轨迹无干涉情况下尽可能的光顺。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
截面线划分步骤：将叶片截面线采样获得少量均匀分布的路径点Pt，分析在每一路径点测针不同倾斜角的可测性；根据可测性和扫描的连续性将叶片截面线分为上下两段，并确定测针倾斜角；
旋转角可行区域确定步骤：在路径点建立局部极坐标系，将其旋转角离散化，获得各自旋转角的可测矩阵；利用增量式算法计算所有路径点的可行区域；对可测矩阵进行修正；
轨迹生成步骤：根据路径点的可测矩阵及相关测量约束，初步确定每一路径点的旋转角，利用三次样条曲线对旋转角进行拟合，通过二分法确定最优控制点数量，获得测座旋转轨迹；
旋转角可行区域确定步骤中，将测针与测座近似为圆锥模型，当圆锥顶角范围内存在障碍物时，旋转角对应区域则为不可行区域，将测座在空间的极坐标位置离散后，可行像素区域附近存在不可行区域时，则该像素不可行，通过腐蚀算法进行修正。
2.根据权利要求1所述的整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法，其特征在于，当测针在某一倾斜角下，转台在任一旋转角下，测针尖端可以无干涉的测量Pi点时，则该倾斜角相对于Pi是可测的。
3.根据权利要求1所述的整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法，其特征在于，根据扫描测量的约束，测量叶片的上叶缘时，测针倾斜角小于90°；测量叶片的下叶缘时，测针倾斜角大于90°。
4.根据权利要求1所述的整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法，其特征在于，旋转角可行区域确定步骤中，利用增量式方法，迭代检查前一点或后一点的矩阵边缘像素能够获得每段路径所有点的可测矩阵。
5.根据权利要求1所述的整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法，其特征在于，轨迹生成步骤中，利用二分法可以找到最优控制点数量，获得平滑光顺且无干涉的转台旋转轨迹。
6.根据权利要求1所述的整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法，其特征在于，用于测量叶盘的测头采用PH10分度式测头。
7.根据权利要求1所述的整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划方法，其特征在于，上下两段的叶片截面线对应的测针倾斜角为75°、105°。
8.一种整体叶盘叶片四轴联动测量路径规划系统，其特征在于，包括如下模块：
截面线划分模块：将叶片截面线采样获得少量均匀分布的路径点Pt，分析在每一路径点测针不同倾斜角的可测性；根据可测性和扫描的连续性将叶片截面线分为上下两段，并确定测针倾斜角；
旋转角可行区域确定模块：在路径点建立局部极坐标系，将其旋转角离散化，获得各自旋转角的可测矩阵；利用增量式算法计算所有路径点的可行区域；对可测矩阵进行修正；
轨迹生成模块：根据路径点的可测矩阵及相关测量约束，初步确定每一路径点的旋转角，利用三次样条曲线对旋转角进行拟合，通过二分法确定最优控制点数量，获得测座旋转轨迹。
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