[發明專利]基于測距傳感器的四軸測量系統坐標系與被測葉片模型坐標系的配準方法

有效

• 申請號: 201710830286.X
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107702651B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 何萬濤;郭延艷;孟祥林;車向前;邊莉;李景賀;季旭
• 申請（專利權）人: 黑龍江科技大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 深圳市智科友專利商標事務所 44241
• 代理人: 曲家彬

基于測距傳感器的四軸測量系統坐標系與被測葉片模型坐標系的配準方法，實現測量坐標系與被測葉片模型坐標系的精確統一，為實現截面線測量的數據分析和測量路徑規劃提供條件。采用的方法是，通過測距傳感器進行測量獲得截面線數據，采用三次B樣條插值擬合曲線和放樣曲面。求取重建曲面和被測葉片模型上對應曲面的主方向，進行初步配準，然后建立基于傳感器信噪比的優化模型，優化得到最終結果。本發明的有益效果是：解決了四軸測量系統配準過程繁瑣、自動化程度低和測量不穩定的問題。充分利用了點激光測距傳感器能夠直接測量強反光表面的特性，實現了復雜曲面葉片的高精度、快速測量。

基于測距傳感器的四軸測量系統坐標系與被測葉片模型坐標系的配準方法

技術領域 本發明屬于精密測量領域，具體涉及一種基于激光測距的四軸測量系統坐標系與被測復雜曲面葉片模型坐標系的配準方法。特別是用于航空發動機、燃氣輪機葉片等復雜型面零件的精密測量與檢測過程中的坐標系的配準方法。

技術背景

葉片是航空發動機、燃氣輪機和汽輪機等透平機械的核心零件，葉片的加工制造質量直接決定著這些高端裝備的能量轉換效率、運行安全和使用壽命。為了確保其安全可靠地工作，必須嚴格控制葉片的幾何尺寸和公差。葉片一般具有以下四個特點：（1）形狀結構復雜，葉片通常有變截面、變弦長和變扭角的特點，而且前后緣半徑尺寸微小，對發動機性能影響大，主要影響發動機的機動性；（2）制造精度要求高，葉片最小的進排氣邊直徑達到了0.1mm，一些航空葉片的制造精度要求達到0.01mm；（3）特征尺寸多，一個普通的葉片，其葉型涉及上百個尺寸，尺寸與尺寸之間又相互關聯和影響；（4）數量龐大，一臺渦扇發動機葉片有1000-2000片，一臺中型燃氣輪機中多達4000個葉片。葉片的加工制造難度極大，據統計，發動機的工作量30%來自葉片的加工制造。因此為保證葉片質量，葉片的型面參數的測量與檢測，必須同時滿足精度高、速度快和數據完整三個重要條件。

現有技術中，葉片的測量方法主要有樣板法、三坐標法和光學測量法。

樣板法唯一具有的優勢就是簡單易用，但是缺點是十分明顯的：如測量精度差、勞動強度很大、需定期檢修和維護成本高等缺點。

三坐標法在測量非復雜曲面零件時精度很高，但是在復雜曲面測量過程中無法避免測頭半徑補償產生的余弦誤差；無法準確測量葉型前后緣；只能進行特定截面、特定點的檢測。

光學測量法是唯一可以滿足精度高、速度快和數據完整三個條件的有效方法。

基于激光測距傳感器的四軸葉片測量系統可以實現葉片快速精密掃描測量與截面線檢測。該方法基于點激光干涉原理，具有精度高、速度快、可以直接掃描測量強反光表面，但是這種方法唯一不足是：測量距離和景深都有一定的限制，要想獲得高精度數據測量距離和景深必須在有效的范圍內。所以在測量復雜曲面時必須進行坐標系配準（精確的對葉片模型坐標系和測量系統坐標系進行統一）。現有技術中，應用的配準方法主要有基于高精度夾具的方法、傳統的3-2-1六點法和基于零件幾何特征的方法。

目前葉片制造廠最常用的方法是制造高精度夾具來輔助坐標系配準，該方法制造夾具困難、生產維護成本高和受工人水平影響大。

3-2-1六點法是采用三坐標檢測葉片中常用的配準方法，該方法對于操作者要求很高、速度慢和不能實現自動化等缺點。

基于幾何特征的配準方法是實現自動化配準的最有前景的方法，但是要求被測量零件具有邊、角等有效特征。葉片多為無明顯特征的自由曲面，該方法經常出現失效的可能。

綜上，針對基于激光測距傳感器的四軸葉片測量系統發明一種穩定高精度的自動配準方法對于快速精密實現復雜曲面葉片的測量與檢測，為后續葉片的逆向設計、全尺寸點云數據獲取和截面線快速檢測將是十分有意義的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于激光測距傳感器的四軸測量系統的坐標系與被測葉片模型坐標系的配準方法，實現被測葉片型面完整點云數據的準確獲取和截面線的精密檢測。