一種基于激光測(cè)距的葉片稠密點(diǎn)云獲取的掃描路徑規(guī)劃方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于精密測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光測(cè)距的復(fù)雜曲面葉片稠密點(diǎn)云獲取過程中的掃描測(cè)量路徑規(guī)劃方法。
技術(shù)背景
[0002]葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等透平機(jī)械的最核心部件，其加工制造質(zhì)量直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率、運(yùn)行安全和使用壽命，而且具有變截面、變弦長、變扭角、數(shù)量龐大、測(cè)量參數(shù)多等特點(diǎn)。因此如何實(shí)現(xiàn)高效、精確的葉片型面測(cè)量，保證其加工制造質(zhì)量，已成為葉片加工制造業(yè)亟需解決的問題。同時(shí)高效、精確的葉片型面測(cè)量適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等復(fù)雜型面零件的稠密點(diǎn)的測(cè)量規(guī)劃，為后續(xù)葉片逆向設(shè)計(jì)、參數(shù)擬合檢測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0003]由于葉片的空間尺寸精度要求高、定位復(fù)雜，所以葉片快速、高精度測(cè)量一直是困擾制造企的難題。三坐標(biāo)測(cè)量是接觸式測(cè)量儀器的典型代表，具有精度高、通用性強(qiáng)、測(cè)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，是目前制造企業(yè)對(duì)葉片進(jìn)行終檢的最主要手段。然而三坐標(biāo)測(cè)量只能有限測(cè)量葉片截面型線，獲得的信息有限(兩個(gè)型線之間可能超差)，在對(duì)葉片測(cè)量時(shí)，由于三軸聯(lián)動(dòng)，很難完全實(shí)現(xiàn)法向測(cè)量，而法向誤差補(bǔ)償算法復(fù)雜、精度差；在曲率變化劇烈處(如葉片前后緣)，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量難度大，甚至無法實(shí)現(xiàn)，成本高、周期長(特別是大尺寸葉片)，獲得基本數(shù)據(jù)需要大約30-40分鐘的時(shí)間，獲得全部數(shù)據(jù)需要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)甚至更長時(shí)間，而且更無法滿足全測(cè)全檢的需求。因此，光學(xué)測(cè)量方法開始應(yīng)用于復(fù)雜曲面葉片的測(cè)量，由于葉片表面要求高，不允許在表面噴涂任何東西(如顯影劑，為了減小反光而噴涂的。)，所以點(diǎn)光源具有直接可以測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。一種基于激光測(cè)距原理的傳感器可以實(shí)現(xiàn)葉片快速精密掃描測(cè)量，獲取型面的稠密點(diǎn)云，但是這種方法具有以下不足:I)激光測(cè)距原理由于景深和測(cè)量距離的限制更適合測(cè)量比較平坦的表面;2)測(cè)量復(fù)雜曲面需要加入旋轉(zhuǎn)軸，受測(cè)量原理限制轉(zhuǎn)軸標(biāo)定精度不好保證;3)對(duì)高曲率小半徑的區(qū)域測(cè)量時(shí)噪聲大。
[0004]綜上，基于激光測(cè)距原理發(fā)明一種測(cè)量規(guī)劃方法對(duì)于快速精密實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面葉片的稠密點(diǎn)云獲取，為后續(xù)葉片的逆向設(shè)計(jì)和參數(shù)擬合檢測(cè)將是十分有意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決激光測(cè)距原理測(cè)量復(fù)雜曲面葉片存在問題，本發(fā)明公開一種基于激光測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面葉片稠密點(diǎn)云快速精密獲取的路徑規(guī)劃方法，完成葉片型面和細(xì)節(jié)，如葉片進(jìn)排氣邊緣、葉根和榫頭的準(zhǔn)確點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，該方法具有速度快、精度高、噪聲小等特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的方法是；
步驟1.以葉片CAD模型的基準(zhǔn)平面為起點(diǎn)，沿著基準(zhǔn)面垂直的Z軸方向按照設(shè)計(jì)的固定步距截取一組待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線，并將一組待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線進(jìn)行按序排列并分別做出標(biāo)記；
步驟2.對(duì)步驟I獲得截取的由葉片前緣、后緣、葉盆、葉背四部分曲線組成待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線，提取一組葉盆曲線和葉背曲線公切圓圓心軌跡，形成葉盆曲線和葉背曲線的中弧線L;
步驟3.對(duì)步驟2獲得的葉盆曲線和葉背曲線的中弧線兩端延伸至與葉片前緣曲線和后緣曲線相交，得交點(diǎn)PdPP2,交點(diǎn)PdPP2將葉片型面的截面輪廓曲線分割成兩段曲線L1和L2;
步驟4.在步驟3得到的截面輪廓曲線分割成的兩段曲線LdPL2I，計(jì)算得到葉片截面最大厚度處的兩個(gè)點(diǎn)P3和P4，點(diǎn)P3和P4將兩段曲線!^和“分割成四段曲線，得線段LhU-2、L2-1 和 L2-2 ；
步驟5.對(duì)步驟4獲得的線段兩端作延伸處理，兩端延伸長度分別為該線段長度的1/8-1/4’P1和P2點(diǎn)的延伸是P1和P2點(diǎn)曲線弧的切線方向延伸，P3和P4的延伸為曲率延伸；
步驟6.按步驟2-步驟5對(duì)步驟I獲得的一組待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線按標(biāo)記順序全部進(jìn)行處理；
步驟7.將步驟6全部進(jìn)行處理的一組待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線，將全部Lk線段設(shè)定為第一組、1^-2線段設(shè)定為第二組、Lh線段設(shè)定為第三組和L2-2線段設(shè)定為第四組，應(yīng)用每組Ll-l、Ll-2、L2-l和L2-2曲線生成測(cè)量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩軸聯(lián)動(dòng)的測(cè)量路徑；
步驟8.按照設(shè)計(jì)的采樣距離分別對(duì)步驟7中的四組曲線上的點(diǎn)分別進(jìn)行采樣，計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的曲率方向，分別求取四組曲線的法線角度均值，應(yīng)用每組曲線組的法線角度均值分別作為激光測(cè)距傳感器與四組曲線對(duì)應(yīng)被測(cè)量葉片曲面的測(cè)量角度；
步驟9.按照步驟7生成的掃描測(cè)量路徑和步驟8的確定的測(cè)量角度，分別對(duì)葉片每組曲線對(duì)應(yīng)被測(cè)量葉片曲面進(jìn)行分區(qū)域掃描測(cè)量，獲得稠密的四片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)四片點(diǎn)云繞著標(biāo)定出來的設(shè)備轉(zhuǎn)軸進(jìn)行坐標(biāo)旋，將四片點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，獲得完整的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
步驟10.通過步驟5的曲線延伸處理和步驟7的測(cè)量路徑，使得測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有重疊部分，依據(jù)重疊部分采用迭代最近點(diǎn)算法ICP(Iterative Closest Point)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體優(yōu)化，獲得最終的高精度稠密點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，可有效解決復(fù)雜曲面測(cè)量過程中由于超出景深帶來的測(cè)量精度低的問題。通過數(shù)據(jù)優(yōu)化獲得精確完整的點(diǎn)云，降低對(duì)轉(zhuǎn)軸標(biāo)定精度的依賴。充分利用了激光測(cè)距原理測(cè)頭在與被測(cè)物體成一定角度時(shí)不影響測(cè)量精度這一優(yōu)點(diǎn)，很好的實(shí)現(xiàn)了前后緣數(shù)據(jù)的測(cè)量。
[0008]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0009]附圖1為本發(fā)明流程圖。
[0010]附圖2為待測(cè)量葉片型面的截面及中弧線示意圖。
[0011]附圖3為待測(cè)量葉片型面的截面輪廓線分割示意圖。
[0012]附圖4為待測(cè)量葉片型面的截面輪廓線分割延長示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]參見附圖，一種基于激光測(cè)距的葉片稠密點(diǎn)云獲取的掃描路徑規(guī)劃方法，該方法有以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟1.以葉片CAD模型的基準(zhǔn)平面為起點(diǎn)，沿著基準(zhǔn)面垂直的Z軸方向按照設(shè)計(jì)的固定步距截取一組待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線，并將一組待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線進(jìn)行按序排列并分別做出標(biāo)記；
步驟2.對(duì)步驟I獲得截取的由葉片前緣、后緣、葉盆、葉背四部分曲線組成待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線，提取一組葉盆曲線和葉背曲線公切圓圓心軌跡，形成葉盆曲線和葉背曲線的中弧線L;
步驟3.對(duì)步驟2獲得的葉盆曲線和葉背曲線的中弧線兩端延伸至與葉片前緣曲線和后緣曲線相交，得交點(diǎn)PdPP2,交點(diǎn)PdPP2將葉片型面的截面輪廓曲線分割成兩段曲線L1和L2;
步驟4.在步驟3得到的截面輪廓曲線分割成的兩段曲線LdPL2I，計(jì)算得到葉片截面最大厚度處的兩個(gè)點(diǎn)P3和P4，點(diǎn)P3和P4將兩段曲線!^和“分割成四段曲線，得線段LhU-2、L2-1 和 L2-2 ；
步驟5.對(duì)步驟4獲得的線段兩端作延伸處理，兩端延伸長度分別為該線段長度的l/8-l/4，PjPP2點(diǎn)的延伸是PjPP2點(diǎn)曲線弧的切線方向延伸，P3和P43的延伸為曲率延伸；
步驟6.按步驟2-步驟5對(duì)步驟I獲得的一組待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線按標(biāo)記順序全部進(jìn)行處理；
步驟7.將步驟6全部進(jìn)行處理的一組待測(cè)量葉片型面的截面輪廓曲線，將全部Lk線段設(shè)定為第一組、1^-2線段設(shè)定為第二組、Lh線段設(shè)定為第三組和L2-2線段設(shè)定為第四組，應(yīng)用每組Ll-l、Ll-2、L2-l和L2-2曲線生成測(cè)量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩軸聯(lián)動(dòng)的測(cè)量路徑；
步驟8.按照設(shè)計(jì)的采樣距離分別對(duì)步驟7中的四組曲線上的點(diǎn)分別進(jìn)行采樣，計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的曲率方向，分別求取四組曲線的法線角度均值，應(yīng)用每組曲線組的法線角度均值分別作為激光測(cè)距傳