一種基于激光測距的葉片稠密點云獲取的掃描路徑規(guī)劃方法
【專利說明】
[0001]技術領域本發(fā)明屬于精密測量領域，具體涉及一種基于激光測距的復雜曲面葉片稠密點云獲取過程中的掃描測量路徑規(guī)劃方法。
技術背景
[0002]葉片是航空發(fā)動機、燃氣輪機等透平機械的最核心部件，其加工制造質量直接決定著發(fā)動機的能量轉換效率、運行安全和使用壽命，而且具有變截面、變弦長、變扭角、數(shù)量龐大、測量參數(shù)多等特點。因此如何實現(xiàn)高效、精確的葉片型面測量，保證其加工制造質量，已成為葉片加工制造業(yè)亟需解決的問題。同時高效、精確的葉片型面測量適用于航空發(fā)動機、燃氣輪機葉片等復雜型面零件的稠密點的測量規(guī)劃，為后續(xù)葉片逆向設計、參數(shù)擬合檢測提供基礎數(shù)據(jù)。
[0003]由于葉片的空間尺寸精度要求高、定位復雜，所以葉片快速、高精度測量一直是困擾制造企的難題。三坐標測量是接觸式測量儀器的典型代表，具有精度高、通用性強、測量穩(wěn)定的優(yōu)點，是目前制造企業(yè)對葉片進行終檢的最主要手段。然而三坐標測量只能有限測量葉片截面型線，獲得的信息有限(兩個型線之間可能超差)，在對葉片測量時，由于三軸聯(lián)動，很難完全實現(xiàn)法向測量，而法向誤差補償算法復雜、精度差；在曲率變化劇烈處(如葉片前后緣)，實現(xiàn)精確測量難度大，甚至無法實現(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分鐘的時間，獲得全部數(shù)據(jù)需要花費幾個小時甚至更長時間，而且更無法滿足全測全檢的需求。因此，光學測量方法開始應用于復雜曲面葉片的測量，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。)，所以點光源具有直接可以測量的優(yōu)勢。一種基于激光測距原理的傳感器可以實現(xiàn)葉片快速精密掃描測量，獲取型面的稠密點云，但是這種方法具有以下不足:I)激光測距原理由于景深和測量距離的限制更適合測量比較平坦的表面;2)測量復雜曲面需要加入旋轉軸，受測量原理限制轉軸標定精度不好保證;3)對高曲率小半徑的區(qū)域測量時噪聲大。
[0004]綜上，基于激光測距原理發(fā)明一種測量規(guī)劃方法對于快速精密實現(xiàn)復雜曲面葉片的稠密點云獲取，為后續(xù)葉片的逆向設計和參數(shù)擬合檢測將是十分有意義的。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明為解決激光測距原理測量復雜曲面葉片存在問題，本發(fā)明公開一種基于激光測距原理實現(xiàn)復雜曲面葉片稠密點云快速精密獲取的路徑規(guī)劃方法，完成葉片型面和細節(jié)，如葉片進排氣邊緣、葉根和榫頭的準確點云數(shù)據(jù)獲取，該方法具有速度快、精度高、噪聲小等特點。
[0006]本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的方法是；
步驟1.以葉片CAD模型的基準平面為起點，沿著基準面垂直的Z軸方向按照設計的固定步距截取一組待測量葉片型面的截面輪廓曲線，并將一組待測量葉片型面的截面輪廓曲線進行按序排列并分別做出標記；
步驟2.對步驟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PdPP2,交點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，計算得到葉片截面最大厚度處的兩個點P3和P4，點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點的延伸是P1和P2點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對步驟I獲得的一組待測量葉片型面的截面輪廓曲線按標記順序全部進行處理；
步驟7.將步驟6全部進行處理的一組待測量葉片型面的截面輪廓曲線，將全部Lk線段設定為第一組、1^-2線段設定為第二組、Lh線段設定為第三組和L2-2線段設定為第四組，應用每組Ll-l、Ll-2、L2-l和L2-2曲線生成測量運動控制系統(tǒng)兩軸聯(lián)動的測量路徑；
步驟8.按照設計的采樣距離分別對步驟7中的四組曲線上的點分別進行采樣，計算每個采樣點的曲率方向，分別求取四組曲線的法線角度均值，應用每組曲線組的法線角度均值分別作為激光測距傳感器與四組曲線對應被測量葉片曲面的測量角度；
步驟9.按照步驟7生成的掃描測量路徑和步驟8的確定的測量角度，分別對葉片每組曲線對應被測量葉片曲面進行分區(qū)域掃描測量，獲得稠密的四片點云數(shù)據(jù)，對四片點云繞著標定出來的設備轉軸進行坐標旋，將四片點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系下，獲得完整的葉片點云數(shù)據(jù)；
步驟10.通過步驟5的曲線延伸處理和步驟7的測量路徑，使得測量得到的點云數(shù)據(jù)具有重疊部分，依據(jù)重疊部分采用迭代最近點算法ICP(Iterative Closest Point)對點云數(shù)據(jù)進行整體優(yōu)化，獲得最終的高精度稠密點云數(shù)據(jù)。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，可有效解決復雜曲面測量過程中由于超出景深帶來的測量精度低的問題。通過數(shù)據(jù)優(yōu)化獲得精確完整的點云，降低對轉軸標定精度的依賴。充分利用了激光測距原理測頭在與被測物體成一定角度時不影響測量精度這一優(yōu)點，很好的實現(xiàn)了前后緣數(shù)據(jù)的測量。
[0008]下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
[0009]附圖1為本發(fā)明流程圖。
[0010]附圖2為待測量葉片型面的截面及中弧線示意圖。
[0011]附圖3為待測量葉片型面的截面輪廓線分割示意圖。
[0012]附圖4為待測量葉片型面的截面輪廓線分割延長示意圖。
【具體實施方式】
[0013]參見附圖，一種基于激光測距的葉片稠密點云獲取的掃描路徑規(guī)劃方法，該方法有以下步驟實現(xiàn): 步驟1.以葉片CAD模型的基準平面為起點，沿著基準面垂直的Z軸方向按照設計的固定步距截取一組待測量葉片型面的截面輪廓曲線，并將一組待測量葉片型面的截面輪廓曲線進行按序排列并分別做出標記；
步驟2.對步驟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PdPP2,交點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，計算得到葉片截面最大厚度處的兩個點P3和P4，點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點的延伸是PjPP2點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對步驟I獲得的一組待測量葉片型面的截面輪廓曲線按標記順序全部進行處理；
步驟7.將步驟6全部進行處理的一組待測量葉片型面的截面輪廓曲線，將全部Lk線段設定為第一組、1^-2線段設定為第二組、Lh線段設定為第三組和L2-2線段設定為第四組，應用每組Ll-l、Ll-2、L2-l和L2-2曲線生成測量運動控制系統(tǒng)兩軸聯(lián)動的測量路徑；
步驟8.按照設計的采樣距離分別對步驟7中的四組曲線上的點分別進行采樣，計算每個采樣點的曲率方向，分別求取四組曲線的法線角度均值，應用每組曲線組的法線角度均值分別作為激光測距傳