[发明专利]一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维重建方法

说明书

本发明公开一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维重建方法，该重建方法包括：1）叶片预处理及夹持；磨损叶片去除氧化层；然后夹持，使叶片待焊接截面与水平面平行；2）图像采集；建立三目立体视觉测量系统，获取叶片三维灰度图像，经边缘检测得到边缘图像；3）摄像机标定；完成视觉系统的立体标定，得到摄像机图像坐标与世界坐标系之间的转换关系；4）特征提取；利用边缘跟踪与特征点提取结合方式，从边缘图像中获取特征点信息；5）立体匹配；对标定后的视觉系统进行匹配，构建出叶片的三维立体坐标关系，得到叶片三维边缘结构；6）曲面求交和曲线延伸；7）缺损部位三维造型；拟合重构，即得到叶片缺损部位的结构数据。

技术领域

本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及一种航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维重建方法。

背景技术

叶片是航空发动机压气机的心脏，但由于其工作环境恶劣，工作一定时间以后会出现磨损或破裂的情况。为了节约更换成本，对符合适航要求的破损压气机叶片进行修复具有显著的经济效益和实用价值。叶片叶尖可修复与否具有严格的限制要求(参见董凯夫.面向航空发动机叶片的光栅投影测量系统中多频相位展开研究[D].天津:河北工业大学,2013)。据统计，需要焊接修复的叶片占叶片维修业务总量的一半以上。目前我国民用航空发动机压气机叶片均为国外送修，漫长的维修周期严重制约着我国民航维修产业的发展，因此研究具有我国自主知识产权的叶片自动焊接修复装备具有重大实际意义。在自动焊接过程中，为了准确定位待焊叶片轮廓同时快速恢复缺损部位形貌，需要建立快速精确的视觉定位及检测系统。

焊接装备视觉系统建立的首要目标是恢复出叶片缺损部位的三维轮廓，便于自动焊接过程中进行分层与轨迹规划。叶片在工作过程由于离心力会出现变形，故受损后的叶片很难与原设计时的模型相匹配，按照原有模型修复必然会出现较大偏差。此外，生产厂家也不会提供叶片的原模型数据，因此叶片修复过程需要根据叶片现有的形状及轮廓趋势完成其三维重构。目前多采用三维测量技术得到叶片的整个三维结构，继而通过曲面结构拓扑延伸得到现有模型下完整的曲面模型，以及通过立体视觉重建三维模型；其中采用的恢复方式多为离线操作，通过三维测量系统进行测量，利用点云数据拟合得到三维模型，该方法虽然精度较高，但在焊接前需再次定位，步骤繁琐、耗时严重，效益不高。

天津工业大学赵娜等人(参见赵娜等.飞机叶片焊接修复中的三维测量重构技术[J].焊接学报,2014,35(6):73-76)对叶顶缺损的叶片重构进行了研究，以三次Coons的B-spline形式的曲面作为基面去逼近无约束曲面，利用优化理论进行迭代得到曲面控制点，然后由NUBRUS理论对曲面拼接修剪，得到复原的叶片三维模型，最终将叶片重构的误差控制在0.1mm范围内。但是此种方法存在的问题是，仅仅适用于叶顶缺损量介于0.5～2mm之间的涡轮叶片，适用范围受限，且消耗时间长。卢万琦等(参见卢万崎等.一种叶片在机测量数据重构建模技术研究[J].航空制造技术,2014,(7):84-87)针对叶片加工过程中的检测定位过程提出了一种在线测量方式，通过截面数据拼接拟合叶片的真实数字化模型。该方法适用于测量叶片加工过程中的精度，避免了叶片反复装卡与定位的繁琐步骤，但是测量数据环节采用的是三坐标测量机，导致测量过程复杂、消耗时间长。张亚明等(参见张亚明等.断层数据的三维重构技术研究[J].华北工学院学报.2003,24(4)：294-296)提出了一种利用断层数据进行三维重构方式，利用断层数据进行二维轮廓提取，B样条拟合并蒙皮重建后，恢复出物体三维模型，但是此方法应用范围小，仅适用于已知结构的三维反求工程。不过，该方法证明了利用二维轮廓进行三维恢复的可行性。因此可以考虑通过利用叶片的已知结构信息进行缺损部位三维信息的快速恢复。

在申请人检索的范围内，未见有利用边界延伸方法进行航空发动机压气机叶片叶尖缺损部位三维模型快速重建方法的相关文献报道。

发明内容