CN116061438A - 一种面向叶片3d打印修复的检测系统与方法 - Google Patents

一种面向叶片3d打印修复的检测系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向叶片3D打印修复的检测系统与方法，涉及零件修复技术领域，采集待修复压气机叶片的图像数据，然后对采集的图像数据与运动模块形成的偏角进行标定，对标定后的图像数据进行预处理并拼接生成叶片截面轮廓点云数据，将叶片截面轮廓点云数据与相对应理论点云轮廓数据相匹配并生成检测叶片轮廓点云数据，对检测叶片轮廓点云数据进行打印系统原点标定生成检测叶片轮廓打印路径，将检测叶片轮廓打印路径与理论叶片轮廓打印路径相匹配生成待打印叶片轮廓数据，本发明可通过叶片图像采集、对采集的图像数据与运动模块形成的偏角进行标定等形成精准地待打印叶片轮廓数据，为3D打印修复叶片提供有效地数字化测量和加工数据支持。

Description

一种面向叶片3D打印修复的检测系统与方法
技术领域
本发明涉及零件修复技术领域，特别涉及一种面向叶片3D打印修复的检测系统与方法。
背景技术
叶片是压气机的重要组成部分,由于其长期在高温、高压的严苛环境中工作,并有可能和外来异物发生碰撞,部分叶片会在到达服役寿命前产生磨损、变形、裂纹等缺陷而提前失效，影响整机性能。由于叶片制造工艺复杂且制造周期长,直接使用新的叶片替换破损叶片会产生高额的成本。目前使用3D打印来实现对叶片的修复，即将叶片损伤的部分切去，然后通过3D打印机重新构建被切去的部分从而实现对损伤叶片的修复。
若直接向3D打印机中导入已有叶片理论轮廓路径，会导致构建出来的叶片部分与原叶片的形状、尺寸等不匹配等情况，因此，在对叶片进行3D打印修复前需采集到叶片精准的图像轮廓数据信息，这样便可在后期对叶片进行3D打印等工艺环节提供必要的数字化测量、加工数据。
综上所述，目前亟需一种面向叶片3D打印修复的检测系统与方法，解决目前直接将已有的理论叶片轮廓数据导入3D打印机中会导致构建出来的叶片部分与原叶片的形状、尺寸等不匹配等情况的问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种面向叶片3D打印修复的检测系统与方法，解决目前直接将已有的理论叶片轮廓数据导入3D打印机中会导致构建出来的叶片部分与原叶片的形状、尺寸等不匹配等情况的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明一方面提供了一种面向叶片3D打印修复的检测系统，包括：
运动模块，该运动模块包括支撑座、X轴、Y轴和Z轴，所述X轴、Y轴滑动连接在支撑座上，所述Z轴滑动设置在Y轴上，所述X轴和Y轴上安装有位移检测装置，所述X 轴上设置有工件台；
控制处理模块，该控制处理模块与所述运动模块和图像采集模块电性连接，该控制处理模块用于控制所述运动模块通过图像采集模块获得叶片的图像数据并生成检测叶片轮廓打印路径。
优选的，所述图像采集模块包括相机、双远心镜头和平面无影光源，所述相机和所述双远心镜头设置在Z轴上，所述双远心镜头处于所述相机下方，所述平面无影光源设置在所述双远心镜头下方。
优选的，所述位移检测装置为光栅尺。
优选的，所述工件台上安装有工件夹具。
优选的，所述X轴有效行程为0-300mm，Y轴有效行程为0-300mm，Z轴有效行程为0-30mm，X轴和Y轴的负载分别为0-25Kg和0-5Kg，所述X轴和Y轴的速度为0-0.16m/s，所述光栅尺的读数分辨率为0-0.5μm。
本发明另一方面提供了一种面向叶片3D打印修复的检测方法，应用于上述一方面提供的一种面向叶片3D打印修复的检测系统中，包括如下步骤：
S1、图像采集模块采集待修复压气机叶片的图像数据，然后控制处理模块对采集的图像数据与运动模块形成的偏角进行标定；
S2、控制处理模块对标定后的图像数据进行预处理并拼接生成叶片截面轮廓点云数据；
S3、控制处理模块将所述叶片截面轮廓点云数据与相对应理论点云轮廓数据相匹配并生成检测叶片轮廓点云数据；
S4、控制处理模块对所述检测叶片轮廓点云数据进行打印系统原点标定生成检测叶片轮廓打印路径；
S5、控制处理模块将检测叶片轮廓打印路径与理论叶片轮廓打印路径相匹配生成待打印叶片轮廓数据。
优选的，在步骤S1中对采集的图像数据与运动模块形成的偏角进行标定包括：
S101、获取叶片图像数据与运动模块的偏角；
S102、对所有工位采集的叶片图像数据与运动模块形成的偏角依次进行R旋转变换校准。
优选的，在步骤S2中控制处理模块对标定后的图像数据进行预处理包括：
S201、根据不同叶片的尺寸计算ROI区域的大小，并基于ROI区域确定叶片图像数据；
S202、进行图像高斯滤波去噪声，然后通过最大类间方差法算法对图像进行阈值分割；
S203、用形态学处理的开闭算法去除图像中的渣滓，并从叶片图像数据中提取叶片轮廓的初始点云数据为后面的数据拼接做准备。
优选的，在步骤S2中控制处理模块中拼接生成叶片截面轮廓点云数据包括：
S204、基于运动模块通过相机的移动距离获得每幅图之间的距离数据；
S205、根据距离数据和图像拼接算法将采集的叶片图像数据进行拼接。
优选的，在步骤S4中对所述检测叶片轮廓数据进行打印系统原点标定并生成检测叶片轮廓打印路径包括：
S401、在工件夹具上按打印坐标系原点的位置打印一个标志物，然后将相机采集的所有工位的数据统一到标志物为原点的坐标系下；
S402、将标志物坐标系与打印坐标系的xy轴重合；
S403、对标志物坐标系与打印坐标系之间形成的偏角进行校准。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
首先，通过控制处理模块控制运动模块运动，从而控制图像处理模块和位移检测装置实时地检测工作台上待检测叶片的图像数据与多个叶片之间的相对位置关系，然后将控制处理模块将图像数据和相对的位置经过处理便可生成待打印轮廓数据，将该待打印轮廓路径导入3D打印机中，便可构建出与原叶片高匹配度的部分，相比于直接用已有的叶片理论轮廓相比，本发明提高了3D打印机修复叶片的精度，同时对叶片进行批量检测后并进行叶片批量3D打印修复，从而提高了工作效率，节省了时间成本。
其次，通过对所有工位采集的叶片图像数据与运动模块形成的偏角依次进行R旋转变换校准，这样可保证后期拼接出来的叶片图像数据与待测对象不存在偏差，从而真实地反映待测对象；
另外，通过将检测叶片轮廓打印路径与理论叶片轮廓打印路径相匹配从而生成待打印叶片轮廓数据，可避免工件夹具存在制造偏差以及叶片存在加工误差等，从而提高3D打印对叶片的修复精度。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明的夹具与叶片的结构示意图；
图3为本发明对叶片进行检测的结构示意图；
图4为本发明运动控制界面的结构示意图；
图5为本发明中叶片的原始图像截面结构示意图；
图6为本发明叶片的轮廓提取及方向偏转结构示意图；
图7为本发明中相机的尺寸标定的示意图；
图8为本发明中相机与运动模块的偏角对检测对象的影响示意图；
图8-a为相机坐标系x与运动坐标系X轴未产偏角的状态示意图；
图8-b为相机坐标系x与运动坐标系X轴未产偏角的状态下，工件在相机中的状态示意图；
图8-c为相机坐标系x与运动坐标系X轴产偏角的一种状态示意图；
图8-d为相机坐标系x与运动坐标系X轴产偏角的一种状态下，工件在相机中的状态示意图；
图8-e为相机坐标系x与运动坐标系X轴产偏角的另一种状态示意图；
图8-f为相机坐标系x与运动坐标系X轴产偏角的另一种状态下，工件在相机中的状态示意图；
图9为本发明中相机与运动系统的偏角校准示意图；
图9-g为相机对工位1与工位2进行拍摄的一种状态示意图；
图9-h为相机对工位1与工位2进行拍摄的一种状态中，相机坐标系x与运动坐标系X轴产偏角γ的示意图；
图9-i为相机对工位1与工位2进行拍摄的另一种状态示意图；
图9-j为相机对工位1与工位2进行拍摄的另一种状态中，相机坐标系x与运动坐标系X轴产偏角γ的示意图；
图10为本发明中所有工位数据统一到标志物坐标系示意图；
图11为本发明中标志物坐标系与打印坐标系的xy轴重合示意图；
图12为本发明中UG理论数据位置校准示意图。
图中标记及部件名称：
101-X轴，201-Y轴，3-Z轴，4-相机，5-双远心镜头，6-支撑座，7-平面无影光源，8-工件台，9-工件夹具，10-叶片，11-圆形待检测对象。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明一方面提供了一种面向叶片3D打印修复的检测系统，如图1-图7所示，包括：
运动模块，该运动模块包括支撑座6、X轴101、Y轴201和Z轴3，X轴101、Y轴201滑动连接在支撑座6上，Z轴3滑动设置在Y轴201上，X轴101和Y轴201上安装有位移检测装置，位移检测装置为光栅尺，X 轴101上设置有工件台8，工件台8上安装有工件夹具。
其中，支撑座6的主体框架使用定梁式龙门结构，并采用大理石作为基底，因此具备良好的刚性和抗振性，检测范围为300mm × 300mm × 30mm，即X轴101有效行程为0-300mm，Y轴201有效行程为0-300mm，Z轴3有效行程为0-30mm。此外，X轴101和Y轴201的负载分别为0-25Kg和0-5Kg，两轴的最大速度为0-0.16m/s，光栅读数分辨率为0-0.5μm，X/Y重复精度为±3μm。
图像采集模块，图像采集模块设置在Z轴3上，用于采集工件的图像数据。其中，图像采集模块包括相机4、双远心镜头5和平面无影光源7，相机4和双远心镜头5设置在Z轴3上，双远心镜头5处于相机4下方，平面无影光源7设置在双远心镜头5下方。其中，相机4为高分辨率相机，双远心镜头5为高精度双远心镜头。
控制处理模块，该控制处理模块与运动模块和图像采集模块电性连接，该控制处理模块用于控制运动模块通过图像采集模块获得叶片的图像数据并生成检测叶片轮廓打印路径。
其中，控制处理模块为PC上位机，该PC上位机具备良好的人机交互界面，使用C#Winform进行窗体和可视控件的编写，并用Modbus TCP协议实现软件系统与基于PLC的运动系统的通讯和数据传输，以达到全自动化操作的目的。具体而言，该系统能对多个工位的叶片检测过程和多个工位的标定过程实现全自动路径规划，并从运动系统的光栅尺中实时读取到实际运动参数，用于提供多个由相机拍摄的视场间叶片截面的相对位置关系，为多个视场整合奠定数据基础。
如图4所示，在软件界面上，会对操作状态信息和运动系统XYZ轴的当前位置信息进行显示。我们可以通过“手动”和“自动”两种操作模式对运动系统进行控制，能够对两种模式进行自由切换，且当一者在使用时，另一者不能启用。此外，无论是手动模式还是自动模式，都能对XYZ三个轴的运行速度进行调整。
 在“手动”操作模式下，按下“X+”或“X-”按键， X轴将往正向或负向连续移动；松开 “+X” 或 “-X” 按键， X轴即减速停止。用同样的操作方法，使用“Y+”按键与“Y-”按键、“Z+”按键与“Z-”按键可使轴产生正向或负向连续移动。
在“自动”操作模式下，我们能够进行标定操作和自动检测操作。首先将Z轴移动到适合的位置，然后标定操作能够将XY轴移动到指定标定位置，通过相机获取数据并进行相关参数的标定，如缩放系数等，并进行保存。其中，“夹角标定”用于标定相机和运动系统间的误差，“原点标定”用于标定多个视场拼接后的坐标系和理论坐标系之间的差距。在自动检测模式下，可以对25个检测位进行勾选，即将需要检测的位置进行勾选（默认为全选），按下“检测开始”按键就能对勾选的位置进行自动检测，已检测的叶片个数也会显示在界面之中，而未选择的检测位将不会进行检测。这个过程控制三轴运动系统对多个工位的叶片进行逐一自动检测，然后将相机采集的数据通过图像处理算法进行自适应处理，提取叶片截面轮廓成点云数据，并进行保存用于下一步多个实测点云轮廓数据与相对应理论点云轮廓数据的配准。
对上述实施例地进一步优化，X轴101有效行程为300mm，Y轴201有效行程为300mm，Z轴3有效行程为30mm，X轴101和Y轴201的负载分别为25Kg和5Kg，X轴101和Y轴201的最大速度为0.16m/s，光栅尺的读数分辨率为0.5μm。
本发明另一方面提供了一种面向叶片3D打印修复的检测方法，应用于上述一方面提供的一种面向叶片3D打印修复的检测系统，包括如下步骤：
S1、图像采集模块采集待修复压气机叶片的图像数据，控制处理模块然后对采集的图像数据与运动模块形成的偏角进行标定；
S2、控制处理模块对标定后的图像数据进行预处理并拼接生成叶片截面轮廓点云数据；
S3、控制处理模块将所述叶片截面轮廓点云数据与相对应理论点云轮廓数据相匹配并生成检测叶片轮廓点云数据；
S4、控制处理模块对所述检测叶片轮廓点云数据进行打印系统原点标定生成检测叶片轮廓打印路径；
对上述实施例地进一步优化，
在步骤S1中对采集的图像数据与运动模块形成的偏角进行标定包括：
S101、获取叶片图像数据与运动模块的偏角；
S102、对所有工位采集的叶片图像数据与运动模块形成的偏角依次进行R旋转变换校准。
具体的，在图8中xy为相机坐标系，X为运动系统的运动方向，点画线为待测对象，方形区域为相机的数据采集工位，虚线朝向为数据后处理时多个工位数据的拼接方向。
如图8-a和8-b所示，当相机与运动系统无偏角时，最终的拼接数据与待测对象不存在偏差；如图8-c、8-d、8-e和8-f所示，当相机与运动系统存在偏角时，最终的拼接数据不能真实反映待测对象。因此相机和运动系统的偏角应该消除。
在图9中xy为相机坐标系，X为运动系统的运动方向，方形区域为相机的数据采集工位，γ为相机坐标系x与运动系统运动方向X的偏角。
如图9-g、9-h、9-i和9-j所示，相机在工位1拍摄圆形待测对象11时，其圆心在相机坐标系xy的坐标值为C1(x1,y1)；相机在工位2拍摄同一圆形待测对象11时，其圆心在相机坐标系xy的坐标值为C2(x2,y2)；可以发现，与运动系统运动方向一致，其与相机坐标系x的夹角即为偏角γ。因此，
。                        （1）
两者的旋转关系为
。                      （2）
通过将相机在所有工位采集的数据，依次进行旋转变换即可对相机与运动系统间的偏角进行校准。
对上述实施例地进一步优化，在步骤S2中对标定后的图像数据进行预处理包括：
201、根据不同叶片的尺寸计算ROI区域的大小，并基于ROI区域确定叶片图像数据；
S202、进行图像高斯滤波去噪声，然后通过最大类间方差法算法对图像进行阈值分割；
S203、用形态学处理的开闭算法去除图像中的渣滓，并从叶片图像数据中提取叶片轮廓的初始点云数据为后面的数据拼接做准备。
对上述实施例地进一步优化，在步骤S2中拼接生成叶片截面轮廓点云数据包括：
S204、基于运动模块通过相机的移动距离获得每幅图之间的距离数据；
S205、根据距离数据和图像拼接算法将采集的叶片图像数据进行拼接。
对上述实施例地进一步优化，
在步骤S4中对所述检测叶片轮廓数据进行打印系统原点标定并生成检测叶片轮廓打印路径包括：
S401、在工件夹具上按打印坐标系原点的位置打印一个标志物，然后将相机采集的所有工位的数据统一到标志物为原点的坐标系下；
S402、将标志物坐标系与打印坐标系的XY轴重合；
S403、对标志物坐标系与打印坐标系之间形成的偏角进行校准。
具体的，打印系统原点标定的目的是将相机采集的所有工位数据统一到打印坐标系。
（a）在工件夹具上按打印坐标系原点的位置打印一个标志物，首先将相机采集的所有工位的数据统一到标志物为原点的坐标系下。
如图10所示，Oplc-xy为运动系统坐标系，O1-xy为相机坐标系，Oc-uv为标志物坐标系。运动系统首先在工位1对圆柱标志物进行拍摄，此时相机在运动系统中的坐标为O1（x1,y1），圆柱标定物圆心在相机坐标系下的坐标为Oc（u，v）；运动系统依次在工位i对待测叶片进行拍摄，此时相机在运动系统中的坐标为Oi（xi,yi）,叶片轮廓在相机坐标系下的坐标为data（x,y）。将所有工位数据统一到标志物坐标系。因此，叶片轮廓在标志物坐标系下的坐标即为
。                   （3）
（b）将标志物坐标系与打印坐标系的XY轴重合。
如图11所示，通过步骤（a）已经使得测量数据的原点OC和打印坐标系OP的原点重合，然而两个坐标系仍存在夹角β。
通过取标志物坐标系x上一点，其在打印坐标系下的坐标为（x,y），则偏角为
。                        （4）
两者的旋转关系为
。                      （5）
通过将已经统一到标志物为原点的测量数据进行旋转变换即可对标志物坐标系和打印坐标系间的偏角进行校准。
S5、将检测叶片轮廓打印路径与理论叶片轮廓打印路径相匹配生成待打印叶片轮廓数据。
具体的，进行打印时，打印坐标系保持和UG坐标系一致，即可认为UG坐标系即为打印坐标系，打印机根据UG提供的理论轮廓坐标值进行轮廓打印。经过步骤（2）处理，此时测量坐标系与打印坐标系一致。由于夹具存在制造偏差以及叶片存在加工误差等，实际叶片位置和UG中理论模型位置不一致，如果此时按照UG原始理论轮廓数据进行打印，会导致打印偏差。因此，此处我们首先将原始理论轮廓数据配准到实际测量位置上，然后打印机根据配准后的理论数据坐标值进行打印。
如图12所示，原始理论轮廓坐标值为datat(x0,y0)，测量实际叶片位置为datam(xi,yi)。由于存在多个工位的叶片测量数据，原始理论轮廓可能与某工位位置较远影响后续配准。因此首先我们通过质心变换
                   （6）
将datat(x0,y0)与datam(xi,yi)的质心重合。其中Q为理论轮廓datat的点数，P为测量轮廓datam的点数。然后利用配准算法将配准到测量轮廓数据datam(xi,yi)上，得到配准后的理论轮廓数据即为待打印轮廓数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向叶片3D打印修复的检测系统，其特征在于，包括：
运动模块，该运动模块包括支撑座（6）、X轴（101）、Y轴（201）和Z轴（3），所述X轴（101）、Y轴（201）滑动连接在支撑座（6）上，所述Z轴（3）滑动设置在Y轴（201）上，所述X轴（101）和Y轴（201）上安装有位移检测装置，所述X 轴（101）上设置有工件台（8）；
图像采集模块，所述图像采集模块设置在Z轴（3）上，用于采集工件的图像数据；
控制处理模块，该控制处理模块与所述运动模块和图像采集模块电性连接，该控制处理模块用于控制所述运动模块通过图像采集模块获得叶片的图像数据并生成检测叶片轮廓打印路径。
2.根据权利要求1所述的一种面向叶片3D打印修复的检测系统，其特征在于，所述图像采集模块包括相机（4）、双远心镜头（5）和平面无影光源（7），所述相机（4）和所述双远心镜头（5）设置在Z轴（3）上，所述双远心镜头（5）处于所述相机（4）下方，所述平面无影光源（7）设置在所述双远心镜头（5）下方。
3.根据权利要求2所述的一种面向叶片3D打印修复的检测系统，其特征在于，所述位移检测装置为光栅尺。
4.根据权利要求1所述的一种面向叶片3D打印修复的检测系统，其特征在于，所述工件台（8）上安装有工件夹具（9）。
5.根据权利要求3所述的一种面向叶片3D打印修复的检测系统，其特征在于，所述X轴（101）有效行程为0-300mm，Y轴（201）有效行程为0-300mm，Z轴（3）有效行程为0-30mm，X轴（101）和Y轴（201）的负载分别为0-25Kg和0-5Kg，所述X轴（101）和Y轴（201）的速度为0-0.16m/s，所述光栅尺的读数分辨率为0-0.5μm。
6.一种面向叶片3D打印修复的检测方法，应用于上述权利要求1-5任意所述的一种面向叶片3D打印修复的检测系统，其特征在于，包括如下步骤：
S1、图像采集模块采集待修复压气机叶片的图像数据，然后控制处理模块对采集的图像数据与运动模块形成的偏角进行标定；
S2、控制处理模块对标定后的图像数据进行预处理并拼接生成叶片截面轮廓点云数据；
S3、控制处理模块将所述叶片截面轮廓点云数据与相对应理论点云轮廓数据相匹配并生成检测叶片轮廓点云数据；
S4、控制处理模块对所述检测叶片轮廓点云数据进行打印系统原点标定生成检测叶片轮廓打印路径；
S5、控制处理模块将检测叶片轮廓打印路径与理论叶片轮廓打印路径相匹配生成待打印叶片轮廓数据。
7.根据权利要求6所述的一种面向叶片3D打印修复的检测方法，其特征在于，在步骤S1中控制处理模块对采集的图像数据与运动模块形成的偏角进行标定包括：
S101、获取叶片图像数据与运动模块的偏角；
S102、对所有工位采集的叶片图像数据与运动模块形成的偏角依次进行R旋转变换校准。
8.根据权利要求6所述的一种面向叶片3D打印修复的检测方法，其特征在于，在步骤S2中控制处理模块对标定后的图像数据进行预处理包括：
S201、根据不同叶片的尺寸计算ROI区域的大小，并基于ROI区域确定叶片图像数据；
S202、进行图像高斯滤波去噪声，然后通过最大类间方差法算法对图像进行阈值分割；
S203、用形态学处理的开闭算法去除图像中的渣滓，并从叶片图像数据中提取叶片轮廓的初始点云数据为后面的数据拼接做准备。
9.根据权利要求8所述的一种面向叶片3D打印修复的检测方法，其特征在于，在步骤S2中拼接生成叶片截面轮廓点云数据包括：
S204、基于运动模块通过相机的移动距离获得每幅图之间的距离数据；
S205、根据距离数据和图像拼接算法将采集的叶片图像数据进行拼接。
10.根据权利要求6所述的一种面向叶片3D打印修复的检测方法，其特征在于，在步骤S4中对所述检测叶片轮廓点云数据进行打印系统原点标定生成检测叶片轮廓打印路径包括：
S401、在工件夹具上按打印坐标系原点的位置打印一个标志物，然后将相机采集的所有工位的数据统一到标志物为原点的坐标系下；
S402、将标志物坐标系与打印坐标系的XY轴重合；
S403、对标志物坐标系与打印坐标系之间形成的偏角进行校准。
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