[发明专利]基于测距传感器的四轴测量系统坐标系与被测叶片模型坐标系的配准方法

说明书

基于测距传感器的四轴测量系统坐标系与被测叶片模型坐标系的配准方法，实现测量坐标系与被测叶片模型坐标系的精确统一，为实现截面线测量的数据分析和测量路径规划提供条件。采用的方法是，通过测距传感器进行测量获得截面线数据，采用三次B样条插值拟合曲线和放样曲面。求取重建曲面和被测叶片模型上对应曲面的主方向，进行初步配准，然后建立基于传感器信噪比的优化模型，优化得到最终结果。本发明的有益效果是：解决了四轴测量系统配准过程繁琐、自动化程度低和测量不稳定的问题。充分利用了点激光测距传感器能够直接测量强反光表面的特性，实现了复杂曲面叶片的高精度、快速测量。

基于测距传感器的四轴测量系统坐标系与被测叶片模型坐标系的配准方法

技术领域 本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于激光测距的四轴测量系统坐标系与被测复杂曲面叶片模型坐标系的配准方法。特别是用于航空发动机、燃气轮机叶片等复杂型面零件的精密测量与检测过程中的坐标系的配准方法。

技术背景

叶片是航空发动机、燃气轮机和汽轮机等透平机械的核心零件，叶片的加工制造质量直接决定着这些高端装备的能量转换效率、运行安全和使用寿命。为了确保其安全可靠地工作，必须严格控制叶片的几何尺寸和公差。叶片一般具有以下四个特点：（1）形状结构复杂，叶片通常有变截面、变弦长和变扭角的特点，而且前后缘半径尺寸微小，对发动机性能影响大，主要影响发动机的机动性；（2）制造精度要求高，叶片最小的进排气边直径达到了0.1mm，一些航空叶片的制造精度要求达到0.01mm；（3）特征尺寸多，一个普通的叶片，其叶型涉及上百个尺寸，尺寸与尺寸之间又相互关联和影响；（4）数量庞大，一台涡扇发动机叶片有1000-2000片，一台中型燃气轮机中多达4000个叶片。叶片的加工制造难度极大，据统计，发动机的工作量30%来自叶片的加工制造。因此为保证叶片质量，叶片的型面参数的测量与检测，必须同时满足精度高、速度快和数据完整三个重要条件。

现有技术中，叶片的测量方法主要有样板法、三坐标法和光学测量法。

样板法唯一具有的优势就是简单易用，但是缺点是十分明显的：如测量精度差、劳动强度很大、需定期检修和维护成本高等缺点。

三坐标法在测量非复杂曲面零件时精度很高，但是在复杂曲面测量过程中无法避免测头半径补偿产生的余弦误差；无法准确测量叶型前后缘；只能进行特定截面、特定点的检测。

光学测量法是唯一可以满足精度高、速度快和数据完整三个条件的有效方法。

基于激光测距传感器的四轴叶片测量系统可以实现叶片快速精密扫描测量与截面线检测。该方法基于点激光干涉原理，具有精度高、速度快、可以直接扫描测量强反光表面，但是这种方法唯一不足是：测量距离和景深都有一定的限制，要想获得高精度数据测量距离和景深必须在有效的范围内。所以在测量复杂曲面时必须进行坐标系配准（精确的对叶片模型坐标系和测量系统坐标系进行统一）。现有技术中，应用的配准方法主要有基于高精度夹具的方法、传统的3-2-1六点法和基于零件几何特征的方法。

目前叶片制造厂最常用的方法是制造高精度夹具来辅助坐标系配准，该方法制造夹具困难、生产维护成本高和受工人水平影响大。

3-2-1六点法是采用三坐标检测叶片中常用的配准方法，该方法对于操作者要求很高、速度慢和不能实现自动化等缺点。

基于几何特征的配准方法是实现自动化配准的最有前景的方法，但是要求被测量零件具有边、角等有效特征。叶片多为无明显特征的自由曲面，该方法经常出现失效的可能。

综上，针对基于激光测距传感器的四轴叶片测量系统发明一种稳定高精度的自动配准方法对于快速精密实现复杂曲面叶片的测量与检测，为后续叶片的逆向设计、全尺寸点云数据获取和截面线快速检测将是十分有意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光测距传感器的四轴测量系统的坐标系与被测叶片模型坐标系的配准方法，实现被测叶片型面完整点云数据的准确获取和截面线的精密检测。