一种复杂叶轮外形自适应测量方法及系统与流程

本发明属于复杂曲面零件三维测量，具体涉及一种复杂叶轮外形自适应测量方法及系统。

背景技术：

1、叶轮是航空发动机、离心压缩机、水泵等高端装备的核心动力部件，其型面加工精度直接决定装备的气动性能与运行可靠性。其中，三元流闭式叶轮、大扭角叶轮等复杂叶轮，具有叶片空间扭曲程度大、相邻叶片重叠度高、流道狭窄逼仄的结构特点，其外形高精度测量一直是行业内的技术难点。现有技术中，针对复杂叶轮的外形测量，主要采用人工三坐标测量、固定机位扫描测量两种方式。人工三坐标测量需人工规划测针路径，效率极低，且无法对叶片重叠遮挡区域的流道型面进行完整测量；固定机位扫描测量需多次调整扫描仪位姿，依赖操作人员的经验，极易出现漏扫、缺扫问题，且多次拼接会引入累计误差，测量精度难以保证。

2、近年来，工业机器人搭载扫描装置的柔性测量方案得到应用，但现有方案多采用离线编程的固定扫描轨迹，无法根据叶轮的实际型面自适应调整扫描轨迹与机器人位姿，对于扭曲程度大、重叠度高的叶轮，极易出现叶片遮挡视场的问题，无法获取流道内部的完整型面数据；同时，现有方案多采用全域固定的扫描参数，为保证狭窄逼仄区域的测量精度，全域均采用高采样率、高分辨率扫描，导致扫描文件体积过大，后续点云数据处理效率极低，而若采用低参数扫描，则无法保证遮挡区域的测量精度，无法兼顾测量精度与扫描效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种复杂叶轮外形自适应测量方法及系统，解决复杂叶轮相邻叶片重叠严重、遮挡区域难以测量、扫描轨迹与参数无法自适应调整、测量精度与效率无法兼顾的问题。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种复杂叶轮外形自适应测量方法，包括以下步骤：

4、步骤1)、将待测叶轮零件固定于带定位基准的工装，完成工业机器人基坐标系、工装坐标系、双目视觉扫描装置的手眼标定，统一全系统的测量坐标系；

5、步骤2)、控制工业机器人携带双目视觉扫描装置，自设备零点出发，绕待测叶轮的回转面进行多层低分辨率粗扫描，获取叶轮整体点云数据并重构叶轮粗模；基于叶轮粗模提取叶轮的回转中轴线与叶尖轮廓，以回转中轴线为基准，确定距离扫描起始位最近的叶片叶尖底部为回转零点，建立叶轮工件极坐标系；

6、步骤3)、针对待测叶轮的目标流道，提取该流道相邻两叶片的内侧边缘空间曲线；沿叶轮径向的各截面，求取两叶片内侧边缘空间曲线在对应截面内的匹配点的中点，拟合所有中点形成该流道的空间中位特征曲线1；

7、步骤4)、以叶轮流道底面为基准，将中位特征曲线1沿叶轮径向向外偏置，生成扫描轨迹中位曲线2；其中，偏置距离通过该流道内相邻叶片的最小间距乘以预设的偏置修正系数计算得到，同时约束中位曲线2上所有点到叶轮流道底面的距离均处于双目视觉扫描装置的额定测量物距区间内，且中位曲线2到两侧叶片的最短距离大于扫描装置的最小避障距离；

8、步骤5)、将中位曲线1向叶轮的径向正视平面投影，得到投影曲线1；以投影曲线1为位姿修正基准，规划工业机器人的末端位姿，使得扫描装置沿中位曲线2移动时，其光轴始终垂直于投影曲线1在对应点的切线方向，且光轴始终处于叶轮的径向截面内，确保扫描视场完整覆盖当前流道的两侧叶片型面与流道底面，完成机器人扫描轨迹的自适应编程；

9、步骤6)、基于叶轮粗模，针对目标流道，构建沿投影曲线1方向的相邻叶片间距函数；对相邻叶片间距函数进行平滑滤波与分段线性重构，生成扫描参数修正函数；其中，相邻叶片间距与扫描装置的采样率、分辨率呈负相关，同时设置采样率与分辨率的上下限，以匹配扫描装置的硬件额定范围；

10、步骤7)、工业机器人按照步骤5)规划的自适应轨迹与位姿运动，同时双目视觉扫描装置根据步骤6)生成的参数修正函数实时调整采样率与分辨率，完成待测叶轮所有流道与叶片的全域精扫，拼接所有扫描点云数据，重构叶轮高精度三维模型。

11、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

12、步骤2）中，多层低分辨率粗扫描的具体方法为：以叶轮回转中轴线为中心，沿轴向设置3-5个扫描层，每层沿周向360度均匀设置不少于10个扫描站位，采用低于额定最高分辨率的1/4分辨率进行快速扫描，在保证叶轮整体轮廓提取精度的前提下，大幅提升粗扫效率。

13、步骤3)中，匹配点的求取的具体方法为：针对叶轮径向的同一截面，以叶轮回转中轴线为原点，在极坐标系下取相同极角的位置，分别获取两叶片内侧边缘空间曲线上的对应点，作为匹配点，针对等叶片夹角的叶轮，所述匹配点的中点连线，与单叶片边缘曲线沿叶轮中轴线旋转半夹角所形成的空间曲线重合，保证了中位特征曲线的通用性与准确性。

14、步骤4)中，偏置修正系数的取值范围为0.2~0.4，且偏置修正系数与双目视觉扫描装置的视场角呈负相关，确保扫描装置的视场可完整覆盖流道两侧的叶片型面，避免出现视场盲区。

15、步骤4)中，当通过最小间距与偏置修正系数计算得到的偏置距离，无法满足中位曲线2上所有点均处于额定测量物距区间时，以物距区间的中值为基准，动态调整偏置距离，同时保证中位曲线2到两侧叶片的最短距离不小于最小避障距离。

16、步骤6)中，扫描参数修正函数具体为：将相邻叶片间距的取值范围划分为多个连续区间，每个区间对应一组采样率与分辨率参数；其中，间距小于第一阈值的逼仄区间，采用扫描装置额定最高的采样率与分辨率；间距大于第二阈值的宽畅区间，采用满足测量精度要求的最低采样率与分辨率；第一阈值小于第二阈值，实现扫描资源的最优配置。

17、步骤7)中，在全域精扫过程中，实时获取扫描点云的重叠率，当相邻扫描帧的点云重叠率低于预设阈值时，动态提高当前位置的采样率，并补充扫描对应区域，进一步保证点云拼接的精度与模型的完整性。

18、预设阈值为30%。

19、一种用于实现复杂叶轮外形自适应测量方法的测量系统，包括：

20、工业机器人，用于携带扫描装置按照自适应轨迹运动；

21、双目视觉扫描装置，搭载于工业机器人末端，用于获取叶轮表面点云数据；

22、带定位基准的工装，用于固定待测叶轮零件；

23、工控机，用于执行以下处理：基于粗扫点云重构叶轮粗模并建立极坐标系；生成流道空间中位特征曲线及自适应扫描轨迹；规划机器人末端位姿使得扫描光轴垂直于投影曲线切线且处于叶轮径向截面内；构建相邻叶片间距驱动的扫描参数修正函数；控制工业机器人与扫描装置完成全域精扫并重构高精度三维模型。

24、本发明具有以下有益效果：

25、1、本发明通过粗扫建立叶轮基准坐标系，基于流道相邻叶片的空间边缘曲线生成中位特征曲线，自适应规划扫描轨迹，确保扫描装置始终处于流道的最优扫描位置，从根源上避免了相邻叶片对扫描视场的遮挡，解决了复杂叶轮重叠区域、狭窄流道难以完整测量的问题，无需人工规划扫描仪位姿，大幅提升了测量自动化程度。

26、2、本发明通过投影曲线修正机器人位姿，约束扫描光轴始终处于叶轮径向截面内且垂直于投影曲线切线方向，确保扫描视场可完整覆盖流道两侧的叶片型面与底面，避免了扫描盲区，提升了测量数据的完整性与精度。

27、3、本发明基于流道内相邻叶片的间距，构建自适应的扫描参数修正函数，在狭窄逼仄的遮挡区域采用高采样率、高分辨率扫描，避免漏扫缺扫，在宽畅区域采用低参数扫描，大幅减小了扫描文件的体积，提升了后续数据处理效率，实现了扫描精度与扫描效率的兼顾，扫描资源的合理利用。

28、4、本发明的方法通用性强，可适配不同结构、不同规格的复杂叶轮测量，包括三元流闭式叶轮、开式叶轮、混流叶轮等，无需针对不同叶轮重新离线编程，大幅降低了测量的准备周期与技术门槛。