CN117206989A - 一种基于3d视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,属于叶片打磨领域,包括:步骤S1、根据叶片型面的形状特征规划3D测量传感器的扫描路径L 1;步骤S2、基于叶片型面规划砂带磨机床进行叶片磨削的加工路径L 2;步骤S3、建立工件坐标系、工具坐标系和测量坐标系的关系;步骤S4、控制3D测量传感器按照扫描路径L 1扫描叶片获取叶片轮廓数据点云P s ,计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差M,根据加工路径L 2 和空间位姿偏差M,计算机床进行叶片磨削的实际加工路径L' 2 。本发明能够减小磨削误差,提高磨削精度和一致性,进而提升叶片表面质量,使叶片适用于更多高精度要求的使用场合。
Description
技术领域
本发明属于叶片打磨领域,具体涉及一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法。
背景技术
叶片是汽轮机、发动机的关键零件之一,叶片型面的设计和加工水平直接影响设备性能的优劣和效率高低。用于航空发动机的叶片采用精密铸造的方式制造毛坯,精铸毛坯叶片的加工通常采用高精度铣、人工反复磨抛与离线测量相结合的工艺,但高精度铣削工艺的成本高,人工磨抛加工效率低,且一致性差,良品率较低,无法满足叶片加工需求,且劳动环境恶劣,劳动强度大,随着数控技术的快速发展,现有技术中出现了叶片的机械加工方式,机械加工能够在一定程度上解决上述问题。但是精密铸造的航空发电机叶片因结构部队称且凝固成型时受力不均,叶型可能偏离设计要求,加工余量分布较不均匀,若继续采用现有技术中的恒参数磨抛加工方式,则加工过程中易出现无效或者过量磨抛,使得磨削误差大、精度低、磨削均一性差,从而影响叶片表面质量,导致难以满足航空发动机叶片的高精度要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,解决现有技术中易出现无效磨抛或者过量磨抛的问题,减小磨削误差,提高磨削精度和一致性,进而提升叶片表面质量,使叶片适用于更多高精度要求的使用场合。
本发明通过以下技术方案实现:
一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,包括如下步骤:
步骤S1、根据叶片数字模型的形状特征规划3D测量传感器的扫描路径L 1,叶片数字模型包括叶片型面,扫描路径L 1与叶片型面的等高截面线有关;
步骤S2、基于叶片数字模型规划砂带磨机床进行叶片磨削的加工路径L 2,加工路径L 2与叶片型面的等高轮廓线有关;
步骤S3、构建砂带磨机床坐标系、工件坐标系、工具坐标系和3D测量传感器对应的测量坐标系,建立工件坐标系、工具坐标系和测量坐标系的关系;
步骤S4、控制3D测量传感器按照扫描路径L 1扫描叶片获取叶片轮廓数据点云P s ,将叶片数字模型转换为叶片数字模型点云P m ,计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差M,根据加工路径L 2 和空间位姿偏差M,计算机床进行叶片磨削的实际加工路径L' 2 。
进一步的,所述步骤S1具体为:
步骤S11、根据3D测量传感器测量范围,定义若干等高平面,各等高平面相交于叶片型面,获取叶片型面的若干等高截面线;
步骤S12、根据叶片型面曲率特性,计算各等高截面线在叶片型面上的法向矢量;
步骤S13、将各等高截面线沿其法向矢量偏移,使各等高截面线偏移后位于3D测量传感器的最佳工作距离,将偏移后的各等高截面线按照叶片型面加工方向进行排序,并对排序后的各等高基面线离散化,得到扫描路径,其中,m为总的截面线数量,/>为第m条截面线的第k个离散点,n为砂带磨机床的运动轴数量,x mkn 为第m条截面线的第k个离散点对应于砂带磨机床第n个轴的坐标。
进一步的,所述步骤S2具体为:
步骤S21、根据砂带磨机床磨削刀具尺寸等比例定义多个平面,各平面相交于叶片型面获取多个等高轮廓线;
步骤S22、根据叶片型面曲率特性,计算等高轮廓线在叶片型面上的法向矢量;
步骤S23、将各等高轮廓线沿其法向矢量偏移,偏移距离满足叶片型面粗磨、精磨加工余量的最佳值,将偏移后的各等高轮廓线按照叶片型面加工方向进行排序,并对排序后的各等高轮廓线离散化,得到加工路径,其中,j为总的轮廓线数量,/>为第j条轮廓线的第p个离散点,n为砂带磨机床的运动轴数量,x jpn 为j条轮廓线的第p个离散点对应于砂带磨机床第n个轴的坐标。
进一步的,所述步骤S3具体为:
步骤S31、建立砂带磨机床坐标系O m 、砂带工具坐标系O t 、工件坐标系O w 和3D测量传感器坐标系O c ;
步骤S32、分别计算砂带工具坐标系与砂带磨机床坐标系的变换关系、工件坐标系与砂带工具坐标系的变换关系/>、工件坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系;
步骤S33、计算工件坐标系与砂带磨机床坐标系的变换关系;
步骤S34、计算机床坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系。
进一步的,所述步骤S4具体为:
步骤S41、根据所述扫描路径L 1、砂带工具坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系,生成扫描程序Prog 1;
步骤S42、利用扫描程序Prog 1扫描叶片获取其轮廓数据点云P s ,计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差M;
步骤S43、根据加工路径L 2 和空间位姿偏差M,计算机床进行叶片磨削的实际加工路径L' 2 =M*L 2 ;
步骤S44、根据实际加工路径L' 2 及工件坐标系与砂带工具坐标系的变换关系,生成叶片磨削程序。
进一步的,所述步骤S41中,所述扫描程序,其中/>为砂带工具坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系。
进一步的,所述步骤S42中,采用Fast-ICP算法计算计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差,其中,R为旋转矩阵,T为平移向量。
进一步的,所述3D测量传感器为激光3D扫描相机。
本发明具有如下有益效果:
1、本发明首先根据叶片型面规划3D测量传感器的扫描路径和砂带磨机床的加工路径,其次建立工件坐标系、工具坐标系和测量坐标系的关系,然后根据3D测量传感器扫描的叶片轮廓数据点云,与叶片数字模型点云之间的空间位姿偏差,对加工路径进行调整,得到实际的加工路径,从而解决现有技术中易出现无效磨抛或者过量磨抛的问题,减小磨削误差,提高磨削精度和一致性,进而提升叶片表面质量,使叶片适用于更多高精度要求的使用场合。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明3D测量传感器扫描叶片所得的叶片轮廓数据点云。
具体实施方式
如图1所示,基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,包括如下步骤:
步骤S1、根据叶片数字模型的形状特征规划3D测量传感器的扫描路径L 1,叶片数字模型为采用画图软件(如UG软件)根据叶片图片所绘制的模型图,该模型图包括叶片型面以及叶片的其他结构,扫描路径L 1与叶片型面的等高截面线有关;其中,本实施例的叶片为航空发动机叶片,本发方法也可对其他叶片进行砂带磨削处理;
具体地,包括如下步骤:
步骤S11、根据3D测量传感器测量范围,定义若干等高平面,使各等高平面相交于叶片型面,获取叶片型面的若干等高截面线;其中,3D测量传感器为激光3D扫描相机;
步骤S12、根据叶片型面曲率特性,计算各等高截面线在叶片型面上的法向矢量,其中,法向矢量的具体计算过程为现有技术;
步骤S13、将各等高截面线沿其法向矢量偏移,偏移距离满足3D测量传感器最佳工作距离,即使各等高截面线偏移后能够位于3D测量传感器的最佳工作距离,将偏移后的各等高截面线按照叶片型面加工方向进行排序,并对排序后的各等高基面线离散化,得到扫描路径,其中,m为总的截面线数量,/>为第m条截面线的第k个离散点,n为砂带磨机床的运动轴数量,x mkn 为第m条截面线的第k个离散点对应于砂带磨机床第n个轴的坐标,m、k、n均为整数。
步骤S2、基于叶片数字模型规划砂带磨机床进行叶片磨削的加工路径L 2,加工路径L 2与叶片型面的等高轮廓线有关;具体的,包括如下步骤:
步骤S21、根据砂带磨机床磨削刀具尺寸等比例定义多个平面,各平面相交于叶片型面获取多个等高轮廓线,相邻两平面之间的距离不大于磨削道具尺寸;
步骤S22、根据叶片型面曲率特性,计算等高轮廓线在叶片型面上的法向矢量;
步骤S23、将各等高轮廓线沿其法向矢量偏移,偏移距离满足叶片型面粗磨、精磨加工余量的最佳值,该加工余量的最佳值为已知值,由具体采用的磨削工艺决定,将偏移后的各等高轮廓线按照叶片型面加工方向进行排序,并对排序后的各等高轮廓线离散化,得到加工路径,其中,j为总的轮廓线数量,/>为第j条轮廓线的第p个离散点,n为砂带磨机床的运动轴数量,x jpn 为j条轮廓线的第p个离散点对应于砂带磨机床第n个轴的坐标,j、p均为整数。
步骤S3、构建砂带磨机床坐标系、工件坐标系、工具坐标系和3D测量传感器对应的测量坐标系,建立工件坐标系、工具坐标系和测量坐标系的关系;
具体地,由如下步骤实现:
步骤S31、建立砂带磨机床坐标系O m 、砂带工具坐标系O t 、工件坐标系O w 和3D测量传感器坐标系O c ;
步骤S32、分别计算砂带工具坐标系与砂带磨机床坐标系的变换关系、工件坐标系与砂带工具坐标系的变换关系/>、工件坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系;其中,两坐标系之间的具体转换过程为现有技术;
步骤S33、计算工件坐标系与砂带磨机床坐标系的变换关系;
步骤S34、计算机床坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系。
步骤S4、控制3D测量传感器按照扫描路径L 1扫描叶片获取如图2所示的叶片轮廓数据点云P s ,将叶片数字模型转换为叶片数字模型点云P m ,计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差M,根据加工路径L 2 和空间位姿偏差M,计算机床进行叶片磨削的实际加工路径L' 2 ;
具体的,由如下步骤实现:
步骤S41、根据所述扫描路径L 1、砂带工具坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系,生成扫描程序;其中,/>为砂带工具坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系;
步骤S42、利用扫描程序Prog 1扫描叶片获取其轮廓数据点云P s ,利用现有三维软件(如UG软件)可将叶片数字模型转换为叶片数字模型点云P m ,采用Fast-ICP算法计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差,其中,R为旋转矩阵,T为平移向量;
步骤S43、根据加工路径L 2 和空间位姿偏差M,计算机床进行叶片磨削的实际加工路径L' 2 =M*L 2 ;
步骤S44、根据实际加工路径L' 2 及工件坐标系与砂带工具坐标系的变换关系,生成叶片磨削程序。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,故不能以此限定本发明实施的范围,即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (8)
1.一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤S1、根据叶片数字模型的形状特征规划3D测量传感器的扫描路径L 1,叶片数字模型包括叶片型面,扫描路径L 1与叶片型面的等高截面线有关;
步骤S2、基于叶片数字模型规划砂带磨机床进行叶片磨削的加工路径L 2,加工路径L 2与叶片型面的等高轮廓线有关;
步骤S3、构建砂带磨机床坐标系、工件坐标系、工具坐标系和3D测量传感器对应的测量坐标系,建立工件坐标系、工具坐标系和测量坐标系的关系;
步骤S4、控制3D测量传感器按照扫描路径L 1扫描叶片获取叶片轮廓数据点云P s ,将叶片数字模型转换为叶片数字模型点云P m ,计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差M,根据加工路径L 2 和空间位姿偏差M,计算机床进行叶片磨削的实际加工路径L' 2 。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,其特征在于:所述步骤S1具体为:
步骤S11、根据3D测量传感器测量范围,定义若干等高平面,各等高平面相交于叶片型面,获取叶片型面的若干等高截面线;
步骤S12、根据叶片型面曲率特性,计算各等高截面线在叶片型面上的法向矢量;
步骤S13、将各等高截面线沿其法向矢量偏移,使各等高截面线偏移后位于3D测量传感器的最佳工作距离,将偏移后的各等高截面线按照叶片型面加工方向进行排序,并对排序后的各等高基面线离散化,得到扫描路径,其中,m为总的截面线数量,/>为第m条截面线的第k个离散点,n为砂带磨机床的运动轴数量,x mkn 为第m条截面线的第k个离散点对应于砂带磨机床第n个运动轴的坐标。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,其特征在于:所述步骤S2具体为:
步骤S21、根据砂带磨机床磨削刀具尺寸等比例定义多个平面,各平面相交于叶片型面获取多个等高轮廓线;
步骤S22、根据叶片型面曲率特性,计算等高轮廓线在叶片型面上的法向矢量;
步骤S23、将各等高轮廓线沿其法向矢量偏移,偏移距离满足叶片型面粗磨、精磨加工余量的最佳值,将偏移后的各等高轮廓线按照叶片型面加工方向进行排序,并对排序后的各等高轮廓线离散化,得到加工路径,其中,j为总的轮廓线数量,/>为第j条轮廓线的第p个离散点,n为砂带磨机床的运动轴数量,x jpn 为j条轮廓线的第p个离散点对应于砂带磨机床第n个运动轴的坐标。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,其特征在于:所述步骤S3具体为:
步骤S31、建立砂带磨机床坐标系O m 、砂带工具坐标系O t 、工件坐标系O w 和3D测量传感器坐标系O c ;
步骤S32、分别计算砂带工具坐标系与砂带磨机床坐标系的变换关系、工件坐标系与砂带工具坐标系的变换关系/>、工件坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系/>;
步骤S33、计算工件坐标系与砂带磨机床坐标系的变换关系;
步骤S34、计算机床坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,其特征在于:所述步骤S4具体为:
步骤S41、根据所述扫描路径L 1、砂带工具坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系,生成扫描程序Prog 1;
步骤S42、利用扫描程序Prog 1扫描叶片获取其轮廓数据点云P s ,计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差M;
步骤S43、根据加工路径L 2 和空间位姿偏差M,计算机床进行叶片磨削的实际加工路径L' 2 =M*L 2 ;
步骤S44、根据实际加工路径L' 2 及工件坐标系与砂带工具坐标系的变换关系,生成叶片磨削程序。
6.根据权利要求5所述的一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,其特征在于:所述步骤S41中,所述扫描程序,其中/>为砂带工具坐标系与3D测量传感器坐标系的变换关系。
7.根据权利要求5所述的一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,其特征在于:所述步骤S42中,采用Fast-ICP算法计算叶片数字模型点云P m 和叶片轮廓数据点云P s 的空间位姿偏差,其中,R为旋转矩阵,T为平移向量。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种基于3D视觉在线测量技术的叶片砂带磨削方法,其特征在于:所述3D测量传感器为激光3D扫描相机。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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