一种航空发动机叶片型面测量方法技术

本发明专利技术公开了一种航空发动机叶片型面测量方法，所述测量方法基于一个测量系统，所述测量系统包括计算机、双目工业相机、投影仪、转台和定位平面；所述测量方法是：先对整个系统进行标定，再以定位平面为基准对转台进行定位，然后将叶片固定在转台上，由投影仪投影蓝色结构光到被测叶片上，双目工业相机分别抓拍变形条纹，然后进行相位解算及匹配，得到单次测量的叶片点云数据，计算机上的程序自动控制转动转台，重复投影抓拍解算过程，得到叶片的360°多视角测量数据，利用定位的四元数及旋转中心对测量数据进行计算，自动完成叶片型面的拼接，获得叶片型面的完整融合数据。本发明专利技术具有测量精度高和测量效率高的双重优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及叶片型面的测量技术，具体是一种航空发动机叶片型面的测量方法。
技术介绍
叶片是航空发动机的核心部件，其型面轮廓的测量技术是逆向工程、质量检测、叶片设计以及维修指导等作业的重要步骤，因此，关于航空发动机叶片型面的测量技术一直以来都是研究的热点。目前，对于航空发动机叶片的测量技术通常分为两类。其一，基于单点的高精度测量方法，如三坐标法，一些研究采用改进辅助测具与测量路径设计的方法来进行测量，此类测量方法的测量精度高，但其存在的问题是：测量效率低、测量成本高、且无法获取全部的面型信息。其二，采用面结构光进行三维测量的方法，典型的是相位测量轮廓方法，此类测量方法单次测量可以获取视场内全部的面型信息，相较三坐标法而言，其测量精度较低，然而，它具有测量效率高、可获取整体面型信息等优点，是目前行业内的研究热点。相位测量方法要想获取全部结构的面型信息，必须要进行多次测量数据的融合。目前，行业内通常利用商业软件进行手工融合，基于人为因素的影响，存在极大的融合误差，进而影响融合精度。在数据的自动融合方面，可以采取标记点的方式进行一定量的高精度的数据。然而，叶片是有特殊要求的，标记点的融合虽然可以获得一定量的高精度的数据，由于需要在被测物体表面贴标记点，这势必对被测量表面的数据有一定的影响，因而，此技术不适合叶片的测量。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述航空发动机叶片的特殊性以及现有测量技术的r>不足，提供一种具有精度和效率双重优势的航空发动机叶片型面测量方法。本专利技术所采用的技术方案是，一种航空发动机叶片型面测量方法，所述测量方法基于一个测量系统，该测量系统包括计算机、双目工业相机、投影仪、转台和定位平面，其中，所述计算机用于控制转台、投影仪、双目工业相机和处理测量数据，所述投影仪用于投影结构光到被测物体上，所述双目工业相机用于抓拍被测物体的变形条纹图，所述定位平面用于转台的定位，作为参照对比的基准；所述测量方法是：先对整个系统进行标定，再以定位平面为基准对转台进行定位，然后将叶片固定在转台上，由投影仪投影蓝色结构光到被测叶片上，双目工业相机分别抓拍变形条纹，然后进行相位解算及匹配，得到单次测量的叶片点云数据，计算机上的处理程序自动控制转动转台，重复投影抓拍解算过程，得到叶片的360°多视角测量数据，利用定位的四元数及旋转中心对测量数据进行计算，自动完成叶片型面的拼接，获得叶片型面的完整融合数据。所述利用定位的四元数及旋转中心对测量数据进行计算的具体步骤是：1).平面拟合设转台转动两次，每次转动角度为α，共有三个测量平面，定义转台定位后的初始平面为P1，第一次转动后的平面为P2，第二次转动后的平面为P3，经过三次抓拍采集，得到三个平面的点云数据集Pt(xk，yk，zk)，其中t＝1，2，3；k＝1，2，3……n；对平面数据进行拟合，设平面模型为atxk+btyk+ctzk+dt＝0(1)式中，at，bt，ct，dt为待拟合平面Pt(t＝1，2，3)的平面参数；Pt(at，bt，ct)为平面法向量；按下式用最小二乘法拟合平面方程，使采集的点云数据坐标值Pt(xk，yk，zk)到平面模型的距离和最小；L＝∑D2t＝∑(at*xk+bt*yk+ct*zk+dt)2/(at2+bt2+ct2)(2)式中，D2t是点云数据坐标值Pt(xk，yk，zk)到平面模型的距离；L是点云数据坐标值Pt(xk，yk，zk)到平面模型的距离和；2).计算虚拟旋转角度按下式分别计算出平面P2和P1、P3的平面夹角θ21和θ23，θij=arccos(aiaj+bibj+cicj)/ai2+bi2+ci2/aj2+bj2+cj2---(3)]]>式中，θij为平面Pi和Pj的夹角，其中i＝2，j＝1，3；再按下式计算虚拟旋转角ww＝(θ21+θ23)/2(4)3).计算虚拟旋转轴设O21和O23分别为平面P1和P2、P2和P3的交线，平面P21为过O21的角θ21的平分面，平面P23为过O23的θ23的角平分面，平面P21和P23的交线即为转轴；通过计算平面向量叉积，分别得到交线O21和O23的法向量n21和n23，算式如下nij＝(bi*cj-ci*bj，ci*aj-ai*cj，ai*bj-bi*aj)(5)分别计算平面P2和P1、P3的法线夹角角平分线的向量m21和m23，算式如下mij＝((ai+aj)/2，(bi+bj)/2，(ci+cj)/2)(6)则m21和n21的叉积为平面P21的法向量r21，m23和n23的叉积则为平面P23的法向量r23，算式如下rij＝(mij[2]*nij[3]-mij[3]*nij[2]，mij[3]*nij[1]-mij[1]*nij[3]，mij[1]*nij[2]-mij[2]*nij[1])(7)设角平分面Pij的方程为aijx+bijy+cijz+dij＝0，则aij＝rij[1]，bij＝rij[2]，cij＝rij[3]，系统dij的计算公式为dij＝di*T1+dj*T2(8)式中，T1和T2的定义分别如公式(9)和公式(10)T1＝(aj*bij-aij*bj)/(aj*bi-ai*bj)(9)T2＝(aij*bi-ai*bij)/(aj*bi-ai*bj)(10)计算平面P21和P23的法线叉积，就可以得到转轴的方向矢量v，公式为v＝(b21*c23-c21*b23，c21*a23-a21*c23，a21*b23-b21*a23)(11)4).计算旋转中心点得到旋转轴的方向矢量后，再计算旋转轴中心点(Xo，Yo，Zo)，就可以得旋转轴，计算公式如下Xo=(-b23*d21+b21*d23)/(a21*b23-a23*b21)Yo=-(a21*d23-a23*d21)/(a21*b23-a23*b21)Zo=0---(12)]]>5).四元数计算利用上面计算得到的旋转轴矢量和角度，可以进一步转化为四元数quat，计算公式如下quat＝(cosw，v[1]*sinw，v[2]*sinw，v[3]*sinw)(13)6).测量数据定位融合计算得到四元数和旋转中心后，转台每次旋转角度β，则每次测量的数据G(xs，ys，zs)(s＝1，2，3…n)相对中心点按照公式(14)做平移运算后生成数据G、(xs、，ys、，zs、)，之后按照公式(15)运算，最终计算得到的点云数据G、、(xs、、，ys、、，zs、、)，直接完本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机叶片型面测量方法，所述测量方法基于一个测量系统，该测量系统包括计算机、双目工业相机、投影仪、转台和定位平面，其中，所述计算机用于控制转台、投影仪、双目工业相机和处理测量数据，所述投影仪用于投影结构光到被测物体上，所述双目工业相机用于抓拍被测物体的变形条纹图，所述定位平面用于转台的定位，作为参照对比的基准；其特征在于，所述测量方法是：先对整个系统进行标定，再以定位平面为基准对转台进行定位，然后将叶片固定在转台上，由投影仪投影蓝色结构光到被测叶片上，双目工业相机分别抓拍变形条纹，然后进行相位解算及匹配，得到单次测量的叶片点云数据，计算机上的处理程序自动控制转动转台，重复投影抓拍解算过程，得到叶片的360°多视角测量数据，利用定位的四元数及旋转中心对测量数据进行计算，自动完成叶片型面的拼接，获得叶片型面的完整融合数据。

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机叶片型面测量方法，所述测量方法基于一个测量系统，该测量系统
包括计算机、双目工业相机、投影仪、转台和定位平面，其中，所述计算机用于控制转台、投
影仪、双目工业相机和处理测量数据，所述投影仪用于投影结构光到被测物体上，所述双目
工业相机用于抓拍被测物体的变形条纹图，所述定位平面用于转台的定位，作为参照对比
的基准；其特征在于，所述测量方法是：先对整个系统进行标定，再以定位平面为基准对转
台进行定位，然后将叶片固定在转台上，由投影仪投影蓝色结构光到被测叶片上，双目工业
相机分别抓拍变形条纹，然后进行相位解算及匹配，得到单次测量的叶片点云数据，计算机
上的处理程序自动控制转动转台，重复投影抓拍解算过程，得到叶片的360°多视角测量数
据，利用定位的四元数及旋转中心对测量数据进行计算，自动完成叶片型面的拼接，获得叶
片型面的完整融合数据。
2.根据权利要求1所述航空发动机叶片型面测量方法，其特征在于，所述利用定位的四
元数及旋转中心对测量数据进行计算的具体步骤是：
1).平面拟合
设转台转动两次，每次转动角度为α，共有三个测量平面，定义转台定位后的初始平面
为P1，第一次转动后的平面为P2，第二次转动后的平面为P3，经过三次抓拍采集，得到三个平
面的点云数据集Pt(xk,yk,zk)，其中t＝1，2，3；k＝1,2,3……n；
对平面数据进行拟合，设平面模型为
atxk+btyk+ctzk+dt＝0(1)
式中，at,bt,ct,dt为待拟合平面Pt(t＝1，2，3)的平面参数；Pt(at,bt,ct)为平面法向量；
按下式用最小二乘法拟合平面方程，使采集的点云数据坐标值Pt(xk,yk,zk)到平面模型
的距离和最小；
L＝∑D2t＝∑(at*xk+bt*yk+ct*zk+dt)2/(at2+bt2+ct2)(2)
式中，D2t是点云数据坐标值Pt(xk,yk,zk)到平面模型的距离；L是点云数据坐标值Pt(xk,
yk,zk)到平面模型的距离和；
2).计算虚拟旋转角度
按下式分别计算出平面P2和P1、P3的平面夹角θ21和θ23，
θij=arccos(aiaj+bibj+cicj)/ai2+bi2+ci2/aj2+bj2+cj2---(3)]]>式中，θij为平面Pi和Pj的夹角,其中i＝2，j＝1,3；
再按下式计算虚拟旋转角w
w＝(θ21+θ23)/2(4)
3).计算虚拟旋转轴
设O21和O23分别为平面P1和P2、P2和P3的交线，平面P21为过O21的角θ21的平分面，平面P23为
过O23的θ23的角平分面，平面P21和P23的交线即为转轴；
通过计算平面向量叉积，分别得到交线O21和O23的法向量n21和n23，算式如下
nij＝(bi*cj-ci*bj,ci*aj-ai*cj,ai*bj-bi*aj)(5)
分别计算平面P2和P1、P3的法线夹角角平分线的向量m21和m23，算式如下
mij＝((ai+aj)/2,(bi+bj)/2,(ci+cj)/2)(6)
则m21和n21的叉积为平面P21的法向量r21，m23和n23的叉积则为平面P23的法向量r23，算式
如下
rij＝(mij[2]*nij[3]-mij[3]*nij[2],mij[3]*nij[1]-mij[1]*nij[3],mij[1]*nij[2]-mij[2]*nij[1])(7)
设角平分面Pij的方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏永超，黎新，傅强，赖安卿，敖良忠，王瀚艺，赵伟，
申请(专利权)人：中国民用航空飞行学院，
类型：发明
国别省市：四川;51