一种基于局部点云匹配的航发叶片陶瓷型芯在位去毛刺路径生成方法技术

一种基于局部点云匹配的航发叶片陶瓷型芯在位去毛刺路径生成方法，首先生成陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径，再标定从3D扫描仪坐标系到机床夹具坐标系的刚体变换矩阵，获得陶瓷型芯点云数据，陶瓷型芯CAD模型和陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径经矩阵变换与陶瓷型芯点云数据进行粗对齐，然后分割陶瓷型芯点云数据及粗对齐后的陶瓷型芯CAD模型，再进行局部刚体或者非刚体点云精匹配，获得点云精匹配矩阵；将粗对齐后的陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径分别经过点云精匹配矩阵进行变换，变换结果作为陶瓷型芯的去毛刺路径；本发明专利技术同时考虑了陶瓷型芯的复杂结构、不均匀变形以及在机床夹具中装夹位姿不一致对去毛刺路径精度的影响，能满足需求。足需求。足需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于局部点云匹配的航发叶片陶瓷型芯在位去毛刺路径生成方法


[0001]本专利技术属于工业零部件去毛刺
，特别涉及一种基于局部点云匹配的航发叶片陶瓷型芯在位去毛刺路径生成方法。

技术介绍

[0002]随着飞机设计指标的不断提升，相应地要求航空发动机朝着大推力、高推重比、低油耗等方向发展，而提高涡轮前进口温度是提高推重比最主要的途径之一。第五代航空发动机推重比达到15，涡轮前温度将达到1830～1930℃，因此必须增加涡轮叶片尤其是高压涡轮叶片的耐高温能力。采用近净形熔模精密铸造空心气冷叶片是解决发动机设计中涡轮前进口燃气温度与合金材料极限温度之间矛盾的重要技术之一，而铸造空心气冷叶片的关键是先制造出能形成叶片复杂内腔的陶瓷型芯。
[0003]目前陶瓷型芯通过铸造方式成型，但是经过压制、焙烧后的陶瓷型芯会存在飞边、毛刺以及孔堵塞等缺陷，严重影响了航发叶片的使用性能，需要对其进行修型以满足航空发动机的使用要求。国内航空航天单位目前多采用手工修理，导致陶瓷型芯型面精度差、微小结构不规则、成品率低(18％)、加工效率低等问题，这也制约了我国航空发动机的发展。由于超快激光加工技术在非接触式和材料通用性方面具有明显优势，拟通过超快激光结合多轴机床对陶瓷型芯进行自动化修型。由于陶瓷型芯结构复杂，铸造成型后存在不均匀收缩变形以及在夹具中装夹的位姿不一致等问题，导致陶瓷型芯去毛刺路径的生成是整个激光自动化去毛刺任务中最重要和最具挑战性的技术之一。
[0004]目前已提出的去毛刺路径生成方法主要包括示教的方法(C.Li,C.Park,J.Kyung,G.Chung,and C.Han,"Study on teaching path reconstruction algorithm based direct teaching and playback method")、2D机器视觉的方法(Z.Lai,R.Xiong,H.Wu,and Y.Guan,"Integration of Visual Information and Robot Offline Programming System for Improving Automatic Deburring Process")、以及基于CAD/CAM的方法(M.Rajaraman,M.Dawson-Haggerty,K.Shimada,and D.Bourne,"Automated workpiece localization for robotic welding")，但是这些方法只适用于零部件形状结构简单、不存在变形以及精度要求不高的场合，并不能满足需求，亟待提出一种新的方法。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提出了一种基于局部点云匹配的航发叶片陶瓷型芯在位去毛刺路径生成方法，同时考虑陶瓷型芯的复杂结构、不均匀变形以及在机床夹具中装夹位姿不一致对去毛刺路径精度的影响，能满足需求。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一种基于局部点云匹配的航发叶片陶瓷型芯在位去毛刺路径生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]1)生成陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径：通过计算机辅助制造软件的“刀具路径规划”功能，沿着陶瓷型芯模具的分型面进行模拟加工，并同时生成相应的刀位文件；从刀位文件中提取刀具移动过程中的刀位点，将所有的刀位点作为陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径，记为IE；根据陶瓷型芯待去除毛刺部位的不同，将IE分为n个独立的去毛刺路径，记为IE＝{Ie1，Ie2，
…
，Ie
n
}，其中n的取值为待去除毛刺部位总的个数；
[0009]2)标定3D扫描仪与机床夹具之间的关系：将3D扫描仪的坐标系记为O
s
X
s
Y
s
Z
s
，机床夹具坐标系记为O
f
X
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Y
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Z
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，标定从3D扫描仪坐标系O
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到机床夹具坐标系O
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的刚体变换矩阵T1；
[0010]3)获取陶瓷型芯点云数据：将陶瓷型芯夹紧在机床夹具中，通过3D扫描仪和机床转台配合获取陶瓷型芯的多片点云数据，通过点云匹配算法将多片点云数据合并为完整的陶瓷型芯点云数据；
[0011]4)粗对齐陶瓷型芯CAD模型与陶瓷型芯点云数据：利用步骤2)标定的刚体变换矩阵T1，将陶瓷型芯CAD模型以及步骤1)生成的陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径IE＝{Ie1，Ie2，
…
，Ie
n
}与步骤3)获得的陶瓷型芯点云数据进行粗对齐，并且将粗对齐后的IE＝{Ie1，Ie2，
…
，Ie
n
}记为CE＝{Ce1,Ce2,
…
,Ce
n
}；
[0012]5)分割陶瓷型芯点云数据与粗对齐后的陶瓷型芯CAD模型：利用步骤4)得到的CE＝{Ce1,Ce2,
…
,Ce
n
}，对陶瓷型芯点云数据进行分割，得到n个“点云块”，记为PB＝{Pb1,Pb2,
…
,Pb
n
}；对于经过步骤4)粗对齐后的陶瓷型芯CAD模型进行分割，得到n个“理想块”，并记为IB＝{Ib1,Ib2,
…
,Ib
n
}；
[0013]6)局部点云精匹配：在步骤5)中获得的n个“点云块”PB＝{Pb1,Pb2,
…
,Pb
n
}与n个“理想块”IB＝{Ib1,Ib2,
…
,Ib
n
}之间分别对应的执行局部点云精匹配，点云精匹配结果记为T2＝{T21,T22,
…
,T2
n
}；
[0014]7)陶瓷型芯去毛刺路径生成：结合步骤6)中得到的点云精匹配结果T2＝{T21,T22,
…
,T2
n
}与步骤4)中的CE＝{Ce1,Ce2,
…
,Ce
n
}生成陶瓷型芯的去毛刺路径，并将陶瓷型芯的去毛刺路径记为PE＝{Pe1,Pe2,
…
,Pe
n
}。
[0015]所述的步骤2)中3D扫描仪和机床夹具坐标系的具体定义方法为：3D扫描仪坐标系的定义如下：原点O
s
与3D扫描仪左相机的光心重合，X轴和Y轴分别平行于左相机像平面的x、y方向，并且Z轴与左相机光轴平行；
[0016]机床夹具坐标系的定义如下：定义表面A为夹具中面积最大的圆柱面，表面B为夹具上表面面积最大的平面，且垂直于圆柱面A的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于局部点云匹配的航发叶片陶瓷型芯在位去毛刺路径生成方法，其特征在于，包括以下步骤：1)生成陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径：通过计算机辅助制造软件的“刀具路径规划”功能，沿着陶瓷型芯模具的分型面进行模拟加工，并同时生成相应的刀位文件；从刀位文件中提取刀具移动过程中的刀位点，将所有的刀位点作为陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径，记为IE；根据陶瓷型芯待去除毛刺部位的不同，将IE分为n个独立的去毛刺路径，记为IE＝{Ie1，Ie2，
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，Ie
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}，其中n的取值为待去除毛刺部位总的个数；2)标定3D扫描仪与机床夹具之间的关系：将3D扫描仪的坐标系记为O
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，机床夹具坐标系记为O
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到机床夹具坐标系O
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的刚体变换矩阵T1；3)获取陶瓷型芯点云数据：将陶瓷型芯夹紧在机床夹具中，通过3D扫描仪和机床转台配合获取陶瓷型芯的多片点云数据，通过点云匹配算法将多片点云数据合并为完整的陶瓷型芯点云数据；4)粗对齐陶瓷型芯CAD模型与陶瓷型芯点云数据：利用步骤2)标定的刚体变换矩阵T1，将陶瓷型芯CAD模型以及步骤1)生成的陶瓷型芯CAD模型理想刀具路径IE＝{Ie1，Ie2，
…
，Ie
n
}与步骤3)获得的陶瓷型芯点云数据进行粗对齐，并且将粗对齐后的IE＝{Ie1，Ie2，
…
，Ie
n
}记为CE＝{Ce1,Ce2,
…
,Ce
n
}，此时CE与待生成的陶瓷型芯去毛刺路径基本重合；5)分割陶瓷型芯点云数据与粗对齐后的陶瓷型芯CAD模型：利用步骤4)得到的CE＝{Ce1,Ce2,
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,Ce
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}，对陶瓷型芯点云数据进行分割，得到n个“点云块”，记为PB＝{Pb1,Pb2,
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,Pb
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}；对于经过步骤4)粗对齐后的陶瓷型芯CAD模型进行分割，得到n个“理想块”，并记为IB＝{Ib1,Ib2,
…
,Ib
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}；6)局部点云精匹配：在步骤5)中获得的n个“点云块”PB＝{Pb1,Pb2,
…
,Pb
n
}与n个“理想块”IB＝{Ib1,Ib2,
…
,Ib
n
}之间分别对应的执行局部点云精匹配，点云精匹配结果记为T2＝{T21,T22,
…
,T2
n
}；7)陶瓷型芯去毛刺路径生成：结合步骤6)中得到的点云精匹配结果T2＝{T21,T22,
…
,T2
n
}与步骤4)中的CE＝{Ce1,Ce2,
…
,Ce
n
}生成陶瓷型芯的去毛刺路径，并将陶瓷型芯的去毛刺路径记为PE＝{Pe1,Pe2,
…
,Pe
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}。2.根据权利要求1所述的一种基于局部点云匹配的航发叶片陶瓷型芯在位去毛刺路径生成方法，其特征在于：所述的步骤2)中3D扫描仪和机床夹具坐标系的具体定义方...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅雪松，黄旺旺，姜歌东，凡正杰，孙涛，运侠伦，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：