一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片加工定位领域，具体涉及一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法。

背景技术

航空发动机叶片作为工业皇冠上的明珠,是典型的高精度自由曲面零件,需要承受高温高压等极其苛刻的工作环境,其表面轮廓的精度直接影响着发动机的性能。因此,叶片在经过数控加工后,需要进行磨抛加工形成高质量的型面,对于叶片加工的精度提出了严格的要求。叶片具有多种复杂曲面，加工难度大、精度要求高，在精密磨抛加工过程中最突出的问题之一是由于装夹定位产生的定位误差影响叶片的轮廓精度。在精密磨抛加工前，对叶片进行位置找正可有效降低位置误差，从而保证轮廓精度。

叶片作为具有多种复杂曲面的零件无法保证每一个的轮廓外形均保持一致，因此单一的叶片理论模型与实物之间存在形状误差同样影响叶片的加工精度。现有技术没有成熟的位置找正调整方法。针对上述技术缺陷，提出本申请的航空发动机叶片位置找正系统及方法。

发明内容

本发明提供的找正方法是基于航空发动机叶片找正系统来实现相应的找正功能。

所述航空发动机叶片找正系统由激光扫描仪、配准系统、处理器与夹持工装组成。

所述激光扫描仪为叶片位置找正方法负责数据采集。扫描仪可实现三种模式的切换：面激光扫描、点激光扫描以及线激光扫描。面激光扫描模式用于识别叶片整体轮廓与表面特征，构建单个叶片的精确地理论模型。点激光扫描模式用于叶片的初配准模块，在叶片正反两面的四角区域分别采集点坐标与理论点坐标结合完成叶片位置的初步配准。线激光扫描模式用于采集多条叶片截面轮廓线的坐标点集，结合理论坐标点集实现精配准确定叶片位置。

所述配准系统基于激光扫描仪采集数据，计算得出叶片位姿调整矩阵，配准系统分为构建模型、初配准与精配准三个模块。

具体的，模型构建模块主要进行待加工叶片的理论模型建构。基于面激光扫描得到的叶片轮廓数据，由CAD技术构建待加工叶片的精确理论模型。

具体的，初配准模块基于罗德里格矩阵运算，承担叶片初步配准功能。由激光扫描仪传输点激光测量得到的叶片正反型面8组点坐标给处理器，在机器人坐标系下，使用下方公式计算点激光采集的测量点(p)与理论点(q)两个点集各点距离的标准差作为评估点集配准效果的标准误差，如果误差过大则跳出配准，指挥机器人重新夹持叶片；如果误差在允许范围内，使用罗德里格矩阵计算理论点(q)到测量点(p)的位姿变换矩阵，作为后续精确配准的初始值，包括旋转矩阵R和平移矩阵T，完成初配准。

具体的，精配准模块在罗德里格矩阵的基础上加入最小二乘法，通过数次迭代计算得到精确的叶片位姿变换矩阵，承担叶片精配准功能。具体的，精配准过程为：

(1)在机器人坐标系下，使用粗配准得到的位姿变换矩阵R和T，对线激光采集的多条叶片轮廓线的坐标点集进行变换，得到新测量点

(2)设计迭代程序，输入为粗配准得到的新测量点(p

(3)首先，计算测量点

其中，t与t

(4)计算测量点

(5)随后，根据得到的新理论点

计算此时两个点集

使用位姿变换矩阵对测量点

(6)如果标准偏差小于设定值则输出最终的位姿找正矩阵R

(7)如果标准偏差大于设定值，则回到步骤(3)，更新测量点为(p

所述的叶片工装为简易工装。本发明提供的叶片找正方法的使用对工装自身的定位能力没有要求，因此使用本发明提供方法的磨抛加工机器人末端可配置简易工装，只具备夹持功能，无需携带定位传感器，减轻工装的重量并且降低成本。进一步，工装夹持部位使用柔性材料。使用柔性材料可降低工装夹持叶片时对叶片尾部的损伤，提高叶片的整体完整性，在增大夹紧力的前提下，工件相对机器人的刚性与刚性材料夹具相差较小，不会对叶片磨抛加工产生明显影响。

除此之外，本申请还提供了一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法的计算设备以及计算机可读存储介质，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行以实现上述机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正功能的程序。所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现上述机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正方法。

本发明的有益效果是：提供了一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法，通过点、线、面三种激光扫描结合简易工装与配准系统形成位置找正系统并提供完整的找正方法，能够精确地完成对指定叶片磨抛加工定位的配准与找正，降低位置误差，保证叶片磨抛加工后的轮廓精度。本发明采用的末端夹持工装设计，使用柔性材料可降低工装夹持叶片时对叶片尾部的损伤，提高叶片的整体完整性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法配准计算迭代流程示意图；

图2是一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法工装结构夹持叶片示意图；

图3是一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法面激光扫描模式示意图；

图4是一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法点激光扫描模式示意图；

图5是一种机器人抛磨航空发动机叶片的位置找正系统及方法线激光扫描模式示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本发明提供的找正方法是基于配准找正算法的航空发动机叶片找正系统来实现找正功能。

在本实例中，首先工业机器人根据预先设置好的控制程序，通过如附图2所示的简易工装夹住叶片，将零件从安放架上取出，等待磨抛加工。具体的，所述工装夹持部位使用柔性材料，降低工装夹持叶片时对叶片尾部的损伤，因此可以安全设置较大夹紧力，保证机器人夹持叶片稳定运动，完成加工。

随后，机器人夹持叶片进入激光扫描仪工作区域，先使用如附图3所示的面激光扫描模式，对叶片正反型面进行激光扫描，采集足够的点位数据，用于后续建立单个叶片的精确理论模型。然后使用如附图4所示的点激光扫描模式，在叶片正反两型面的四角区域分别采集点坐标共8个，用于后续的粗配准运算。最后，使用如附图5所示的线激光扫描模式，采集多条叶片截面轮廓线的坐标点集，用于后续的精配准运算。以上激光扫描仪采集的所有数据全部传入处理器，在此完成相应理论模型的建立与配准计算过程。需要强调，本发明所提出的叶片位置找正方法无需搭配复杂叶片工装，工装只需完成夹紧功能不要求配有定位传感器，简化工装、降低成本的同时避免多次测量出现的累计定位误差。

然后，在处理器中，通过面激光扫描得到的型面点位数据，基于叶片已有标准数据模型进行针对性调整，建立单个叶片的精确理论模型；将点激光采集的8个定位点与对应理论模型的定位点基于罗德里格矩阵计算位姿变换矩阵R和T，作为配准计算的初始值，完成粗配准。以线激光扫描的截面轮廓线点集，对应理论模型的点位数据，以及粗配准得到的初始位姿变换矩阵R和T作为输入量，使用如附图5所示的配准算法，得到精确的叶片位姿找正矩阵，完成精配准。

最后，处理器根据配准计算得到的精确叶片位姿找正矩阵，对加工程序和机器人运动参数进行自适应调整，从而改变机器人末端加工路径，在加工过程中对叶片位姿进行调整配合砂轮磨抛机完成对待加工叶片的精密磨抛。

提高叶片的整体完整性，在增大夹紧力的前提下，工件相对机器视觉的刚性与刚性夹具相差较小，不会对叶片磨抛加工产生影响。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。