[发明专利]一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法和系统。

背景技术

随着国内航空航天领域的大力发展，航空发动机叶片三维测量技术在航空航天、武器装备等领域有着越来越广泛的应用前景。

现代客机或军用喷气飞机的每个涡轮正常运作依赖于一千多个涡轮转子叶片和导向器叶片的无差错功能。在此类情况下，最高质量标准只能以微米为测量单位。因此，这些具有不规则表面形态的高度复杂组件具有非常严格的容差范围。

以航空航天叶片测量为例，目前在绝大多数国内企业中，仍然采用人工检测的方式进行叶片的测量，这种方法测量成本很高，且检测精度低。近年来，接触式三坐标法以及非接触式光学测量方法在航空叶片测量中得到了初步应用。接触式三坐标法是一种通用测量方法，通常用于规则物体形面的测量。当对诸如航空发动机叶片这种自由曲面形面进行质量检测时，接触式检查法无论是在时间还是在质量方面都无法达到所需标准：对单个涡轮叶片进行检测时，使用坐标测量机往往需要数个小时来完成检测，而且利用这种测量方法只能捕获目标几何结构中的独立点，无法实现叶片整体三维形貌的测量和叶片关键参数的分析。

非接触式光学测量方法则主要有飞行时间法和结构光法。飞行时间法(又称光切法)是采用线激光对自由曲面表面进行扫描，一次测量可以得到被测表面一条线的三维数据点，从而提高测量效率，但其测量精度低于航空叶片的精度检测要求。且航空发动机涡轮叶片表面可能已经经过锻造、 轧制或抛光，有些部分非常光亮，使用飞行时间法测量高反光物体表面时，物体表面的镜面反射会给测量结果造成很大影响。

结构光投影法在自由曲面测量过程当中也被运用到，采用结构光投影法测量速度比飞行时间法更快，一次测量可以得到投影区域内的三维数据点，但一方面结构光投影法测量精度比飞行时间法还要低，另一方面结构光投影法测量高反光性表面得到的测量数据精度也会受到影响。

综上所述：目前，接触式三坐标测量法、飞行时间法、结构光投影法各有优点，但均无法同时满足航空发动机叶片三维形貌测量高精度、高分辨率、高效率的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法和系统，该系统能够同时满足航空发动机叶片三维形貌测量高精度、高分辨率、高效率的要求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高精度的航空发动机叶片自动三维测量方法，包括以下步骤：

1)配准：将设计模型所处的设计坐标系与工件实体所处的测量坐标系进行配准；

2)路径规划：通过数据处理装置规划距离传感器在测量过程中的运动路径，使工件实体上的被测区域一直处于距离传感器的测量范围内；

3)自动测量：距离传感器先对工件实体的正面区域进行采样，再将工件实体绕旋转工作台的旋转轴旋转180°使距离传感器对工件实体的反面区域进行采样，然后在数据处理装置中对反面区域的测量数据绕旋转工作台的旋转轴进行旋转变换从而得到工件实体的完整表面轮廓。

优选地，还包括路径规划前对旋转工件台的旋转轴的标定，标定过程如下：

A)工件实体通过工装安装在旋转工作台上，工装包括圆柱段和圆柱段 上的夹具段，数据处理装置通过距离传感器首先测量得到圆柱段表面的采样点集R₁；

B)以固定角度旋转圆柱段，经过n次旋转之后圆柱段旋转360°回到初始位置；每旋转一次，进行一次采样；记圆柱段在第i次转动后距离传感器测量得到圆柱段表面的采样点集为R_i+1，其中i、n均为正整数，i≤n-1且n≥2；

C)在经过步骤A)和步骤B)的共n次测量后，应用最小二乘法，得到第i次测量时圆柱段的轴线方程为

其中i为正整数，i≤n且n≥2

令旋转工作台的旋转轴方程为