工业引风机大直径叶轮修补三维扫描加工定位方法及装备

本发明涉及工业引风机叶轮修复与数控加工定位，尤其涉及一种工业引风机大直径叶轮修补三维扫描加工定位方法及装备。

背景技术：

1、工业引风机广泛应用于电力、冶金、水泥等行业，其大直径叶轮长期处于含尘、高温及脉动载荷等工况环境中，叶片、轮盘或轮毂等部位易产生磨损、裂纹或局部缺损。工程上通常采用补焊、堆焊或补材等方式对受损部位进行修补。修补完成后，为恢复叶轮的几何外形精度及相关装配尺寸，通常需要对修补区域进行再加工。由于工业引风机大直径叶轮具有体积大、质量大、薄壁与加强筋组合结构等特点，修补后的再加工过程中，修补区域的定位与加工坐标建立直接影响加工精度与加工一致性。

2、现有技术中，针对复杂曲面零件的加工定位，已提出将三维扫描与在机测量相结合的自适应定位方案。例如，公开号为 cn114669775a（授权公告号cn114669775b） 的技术方案公开了一种叶片气膜孔加工的自适应定位方法，其通过对装夹状态下的零件进行扫描获得扫描模型，并基于模型配准建立坐标变换关系，结合在机测量获取装夹状态信息，从而实现加工对象在机床坐标系下的定位与加工。

3、然而，在工业引风机大直径叶轮修补再加工的典型应用场景中，定位过程通常涉及扫描工位与机床加工工位之间的搬运与重复装夹；同时，大直径叶轮受自重影响显著，且不同支撑点布置、夹紧方式及支撑载荷分配会导致叶轮挠度状态发生变化。由此容易出现：扫描获得的点云模型所对应的几何状态与机床加工时的实际几何状态不一致，进而使扫描坐标与机床加工坐标之间的对应关系不稳定，导致修补区域定位误差与加工偏差增大。

4、因此，本领域亟需解决的主要技术问题在于：如何在工业引风机大直径叶轮修补后，实现扫描工位与机床加工工位之间具有高重复性的加工定位，并降低因装夹与支撑载荷差异引起的叶轮挠度变化对修补区域定位的影响。

技术实现思路

1、为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种工业引风机大直径叶轮修补三维扫描加工定位方法及装备，本发明通过在工业引风机大直径叶轮上可拆卸安装同时具备标记结构与运动学耦合定位结构的基准环组件，在扫描基座与加工定位夹具之间实现可重复的基准转移，并结合机床测头在机探测确定坐标变换及基于支撑载荷数据的挠度修正对点云与刀路进行闭环更新，从而实现跨工位高重复定位并抑制装夹挠度影响。

2、本发明公开了一种工业引风机大直径叶轮修补三维扫描加工定位方法，包括：

3、s1，对待加工的工业引风机大直径叶轮完成修补，形成待加工的修补区域；

4、s2，在工业引风机大直径叶轮上可拆卸安装基准环组件，基准环组件包括标记结构与运动学耦合定位结构；

5、s3，将安装有基准环组件的工业引风机大直径叶轮通过运动学耦合定位结构定位于扫描基座，利用三维扫描单元获取包含修补区域与基准环组件的点云数据，并基于标记结构确定点云数据相对于基准环坐标系的第一位姿参数，其中基准环坐标系为相对于基准环组件的预设基准特征建立的坐标系；

6、s4，将安装有基准环组件的工业引风机大直径叶轮通过运动学耦合定位结构定位于加工定位夹具并安装到数控机床，使数控机床建立用于加工的机床加工坐标系；

7、s5，利用数控机床的测头对运动学耦合定位结构进行在机探测，以确定基准环坐标系相对于机床加工坐标系的第二位姿参数；

8、s6，在加工定位夹具上对工业引风机大直径叶轮设置至少三个支撑点，采集各支撑点的支撑载荷数据，并调用支撑载荷数据与修补区域空间挠度之间的对应关系对点云数据进行挠度修正，得到修正点云数据；

9、s7，获取目标加工几何信息，基于修正点云数据与目标加工几何信息生成修补区域的加工路径，并依据第二位姿参数将加工路径转换到机床加工坐标系下；

10、s8，驱动数控机床按加工路径对修补区域进行加工，并在加工前和/或加工过程中重复执行步骤s5以更新第二位姿参数，从而更新加工路径。

11、优选地，基准环组件通过工业引风机大直径叶轮的螺栓孔圆、检修孔或配重安装孔中的至少一种与工业引风机大直径叶轮可拆卸连接，并且基准环组件的角向安装方向由螺栓孔圆、检修孔或配重安装孔构成的孔系的角向特征限定，以确定基准环坐标系的角向零位。

12、优选地，运动学耦合定位结构包括三组定位副，三组定位副共同对基准环组件形成六自由度约束，且三组定位副沿基准环组件的周向间隔分布。

13、优选地，三组定位副包括：球—锥面定位副、球—v形槽定位副以及球—平面定位副。

14、优选地，标记结构与运动学耦合定位结构设置在同一基准环组件的刚性本体上，并且标记结构包括至少三个不共线的可识别标记点，以使第一位姿参数以基准环坐标系为基准确定。

15、优选地，步骤s5的在机探测包括：利用数控机床的测头分别对运动学耦合定位结构的至少六个接触几何点进行测量，并基于测量结果拟合得到第二位姿参数。

16、优选地，支撑点包括可调支撑机构与载荷传感器，载荷传感器用于输出支撑载荷数据，可调支撑机构用于在装夹时调整工业引风机大直径叶轮的支撑分布。

17、优选地，支撑载荷数据与修补区域空间挠度之间的对应关系通过标定获得，标定包括：在加工定位夹具上对工业引风机大直径叶轮施加多组支撑载荷组合，并在各支撑载荷组合下测量修补区域的空间位移数据，以建立对应关系。

18、优选地，对应关系以柔度模型参数、查表数据或两者的组合形式预先存储，并以支撑载荷数据作为输入确定修补区域的空间位移修正量。

19、优选地，挠度修正包括：在修补区域选取多个特征采样点，分别对各特征采样点计算空间位移修正量，并基于特征采样点的修正量对点云数据进行插值修正，以得到修正点云数据。

20、优选地，目标加工几何信息由以下至少一种确定：工业引风机大直径叶轮的设计模型、工业引风机大直径叶轮未损伤区域的扫描模型、与工业引风机大直径叶轮同型号标准件的扫描模型；并基于修正点云数据与目标加工几何信息确定修补区域的目标加工表面。

21、优选地，确定目标加工表面包括：沿工业引风机大直径叶轮的半径方向选取多条截面，在各截面上将修正点云数据与目标加工几何信息在同一半径位置进行截面配准，并由多条截面的配准结果重建修补区域的目标加工表面。

22、优选地，步骤s8中对第二位姿参数的更新在每一加工分层开始前执行一次，或在每一刀路段开始前执行一次。

23、优选地，步骤s3的三维扫描采用多站位扫描获取多个子点云，并基于基准环组件的标记结构对多个子点云进行统一配准，以得到点云数据。

24、有鉴于此，本发明的目的之二在于提供一种工业引风机大直径叶轮修补三维扫描加工定位装备，包括：

25、三维扫描单元；

26、基准环组件，基准环组件包括标记结构与运动学耦合定位结构；

27、扫描基座，扫描基座具有与运动学耦合定位结构相配合的耦合配合结构；

28、加工定位夹具，加工定位夹具具有与运动学耦合定位结构相配合的耦合配合结构，并包括至少三个支撑点以及与各支撑点对应的载荷传感器；

29、测头数据获取接口，用于获取数控机床测头的在机探测数据；

30、计算处理单元，分别与三维扫描单元、载荷传感器以及测头数据获取接口连接，计算处理单元被配置为：基于标记结构确定点云数据相对于基准环坐标系的第一位姿参数，基于在机探测数据确定基准环坐标系相对于机床加工坐标系的第二位姿参数，调用支撑载荷数据与修补区域空间挠度之间的对应关系对点云数据进行挠度修正，生成修补区域的加工路径并输出至数控机床。

31、采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

32、1.通过基准环组件与运动学耦合定位结构在扫描基座与加工定位夹具之间实现同一定位基准的可重复转移，并结合机床测头在机探测解算第二位姿参数，使工业引风机大直径叶轮跨工位搬运与重复装夹后的加工定位一致性显著提高，降低综合定位误差。

33、2.通过采集支撑载荷数据并调用支撑载荷数据与修补区域空间挠度之间的对应关系，对点云数据进行挠度修正，再生成并转换加工路径，从而降低装夹与支撑载荷差异引起的叶轮挠度变化对修补区域定位与加工精度的影响。

34、3.通过在加工前和/或加工过程中重复执行在机探测更新第二位姿参数并同步更新加工路径，实现加工过程中的位姿漂移抑制，提高分层加工与分段刀路加工的稳定性与一致性。

35、4.通过基于标记结构的多站位扫描统一配准获取点云数据，并在点云预处理后建立第一位姿参数，提高修补区域点云数据的可用性与坐标关联稳定性，降低扫描遮挡与噪声对定位结果的影响。

36、5.通过在半径方向截面配准并由多截面配准结果重建目标加工表面，使目标加工表面确定过程更适配大直径叶轮的结构特点，提高目标型面重建的可靠性与可控性。

37、6.通过对支撑点采用可调支撑机构与载荷传感器的组合配置，使装夹支撑分布可调且可量化，为挠度修正与装夹状态复现提供数据基础，便于不同工位与不同批次的工件复现加工条件。

38、7.在实现定位精度提升的同时，通过减少跨工位反复找正与配准调整的次数，降低定位与准备环节的人为依赖性，提高修补再加工的作业效率与标准化程度。