航空发动机叶片划线方法、叶片划线系统及存储介质

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片制造检测技术领域，具体涉及一种航空发动机叶片划线方法、航空发动机叶片划线系统及计算机可读存储介质。

背景技术

在对航空发动机叶片进行振动检测前，需要在叶片特定部位黏贴用于收集数据的应变片。应变片黏贴位置的准确性会影响到检测数据的准确性，因此测试系统对应变片黏贴的位置精度有很高的要求。

因为航空发动机叶片外形复杂、种类繁多，制作专用工装、检具确定应变片黏贴位置的周期长、成本高，无法满足实际检测需求。目前的方式是采用人工借助直尺和记号笔，测量黏贴部位到基准的距离后在叶片上画线的方式确定应变片黏贴位置。因为叶片外形多为复杂曲面、测量基准很难定位，导致人工画线的准确度差、效率低，且绘制的尺寸参差不齐，影响叶片的力学性能测试精度。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种航空发动机叶片划线方法、航空发动机叶片划线系统及计算机可读存储介质。

为了实现上述目的，本发明提供一种航空发动机叶片划线方法，包括：驱动扫描测头沿测量方向对固定在工作台预设位置的当前叶片零件进行扫描，获取当前叶片零件的测量点云；将当前叶片零件的数模模型网格化，获得当前叶片零件的数模点云；将所述测量点云与所述数模点云进行匹配，得到转换所述测量点云与所述数模点云的旋转矩阵以及平移向量；提取所述数模模型中待划线特征的点集；结合所述旋转矩阵以及所述平移向量，将所述待划线特征映射为所述当前叶片零件的测量点云所在的点云空间中的真实划线特征；基于所述真实划线特征对所述当前叶片零件进行划线操作。

在其中一个实施例中，所述提取所述数模模型中待划线特征的点集，包括：获取当前叶片零件的数模模型，并在所述数模模型中绘制出待划线的特征线；将所述数模模型中的特征线离散为间隔的特征线点集；采用宏程序将所述特征线点集存储为点集文件。

在其中一个实施例中，所述将所述测量点云与所述数模点云进行匹配，得到转换所述测量点云与所述数模点云的旋转矩阵以及平移向量，包括：获取所述扫描测头对应的扫描测头坐标系、被采集的零件坐标系以及划线执行器坐标系；对所述扫描测头坐标系、所述零件坐标系以及所述划线执行器坐标系进行原点标定，并统一映射为工作空间的全局坐标系；在所述全局坐标系中将所述测量点云与所述数模点云进行匹配，得到转换所述测量点云与所述数模点云的旋转矩阵以及平移向量。

在其中一个实施例中，所述基于所述真实划线特征对所述当前叶片零件进行划线操作，包括：将数模中的划线特征点集转换至当前叶片零件的测量点云所在的点云空间中，并结合点云空间与工作空间的全局坐标系之间的映射关系，将数模中的划线特征转换至工作空间的全局坐标系中表达的真实划线特征；基于所述真实划线特征和所述当前坐标生成划线执行器在所述划线执行器坐标系中的执行路径以及与所述当前叶片零件接触时的位姿；控制所述划线执行器基于所述执行路径和所述位姿对所述当前叶片零件进行划线操作。

在其中一个实施例中，所述将测量点云与数模点云进行匹配，得到转换测量点云与数模点云的旋转矩阵以及平移向量，还包括以下步骤：对所述测量点云与所述数模点云分别进行预处理，获得测量点云模型以及数模点云模型；对所述测量点云模型以及所述数模点云模型进行点云配准，得到所述测量点云模型与所述数模点云模型的位姿变换矩阵；利用所述位姿变换矩阵将所述测量点云模型与所述数模点云模型对齐，即完成工件位置找正。

本发明还提供了一种航空发动机叶片划线系统，用于执行上述的方法，系统包括：六自由度机器人，包括机器人基座以及设置在机器人末端的扫描测头和划线执行器；工作台，用于固定航空发动机的叶片，具有夹持所述叶片的夹持器；点云扫描控制部，用于控制所述扫描测头对所述叶片进行扫描，获取当前叶片零件的测量点云；划线虚拟部，用于在数模模型中对作为当前叶片零件的所述叶片进行数模网格化，得到所述当前叶片零件对应的数模点云以及位于所述当前叶片零件数模上的待划线特征；运算控制部，用于根据所述数模点云、所述扫描测头传递的测量点云、待划线特征，得到所述当前叶片零件的测量点云所在的点云空间中的真实划线特征；机器人控制部，根据所述真实划线特征控制所述划线执行器对所述当前叶片零件进行划线操作。

在其中一个实施例中，所述系统还包括原点标定装置，所述原点标定装置用于对扫描测头坐标系、零件坐标系以及划线执行器坐标系进行标定，并统一映射为工作空间的全局坐标系。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：基于叶片扫描测量的结果，实现多品种零件的位置自动匹配找正，测试点位的精确定位以及原位自动标识功能，解决了在不规则叶片上高精度划线的技术难题，并且划线方法灵活，操作简单，容易实现，也为相似结构零件的制造起到指导和借鉴作用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的一些实施例，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是本发明的实施例中航空发动机叶片划线方法的流程示意图；

图2为本发明的实施例中航空发动机叶片划线系统的结构示意图；

图3为一个实施例中点云匹配步骤的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，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申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请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，在没有背离本申请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。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

如图1所示，本申请实施例提供一种航空发动机叶片划线方法，可以应用在如图2所示的航空发动机叶片划线系统上。

如图2所示，航空发动机叶片划线系统包括六自由度机器人2、工作台6、划线虚拟部、运算控制部以及机器人控制部。划线虚拟部以及运算控制部可以设置在终端上，终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式智能设备或是设置工作台上具有点云运算功能的单片机等。机器人控制部可以根据需要设置在六自由度机器人2上，也可以和划线虚拟部以及运算控制部一起设置在终端上。

六自由度机器人2包括机器人基座1以及设置在机器人末端的扫描测头4和划线执行器5。扫描测头4和划线执行器5可以通过组合夹头3固定在机器人基座1，扫描测头4和划线执行器5通过组合夹头3与机器人2相连，并可以绕机器人2末端旋转。且机器人基座1可以与机器人控制部连接，从而在机器人控制部的控制下控制扫描测头4和划线执行器5的六自由度活动。扫描测头4可以是激光扫描测头等可采集当前叶片零件外形的测头。

工作台6用于固定航空发动机的叶片，具有夹持叶片的夹持器7。夹持器7用于对零件的夹持固定与粗定位。

划线虚拟部，用于在数模模型中对作为当前叶片零件的叶片进行数模网格化，得到当前叶片零件对应的数模点云以及位于当前叶片零件数模上的待划线特征。划线虚拟部可以具有显示屏以及输入器件。显示屏显示数模网格化当前叶片零件的数模点云，输入器件根据设计需求在数模模型中输入待划线特征。

运算控制部，用于根据数模点云、扫描测头传递的测量点云、待划线特征，得到当前叶片零件的测量点云所在的点云空间中的真实划线特征。运算控制部可以是具有运算功能的CPU、GPU或FPGA芯片等。

机器人控制部，根据真实划线特征控制划线执行器5对当前叶片零件进行划线操作。机器人控制部可以是具有控制功能的CPU、GPU或FPGA芯片等。

如图1所示，航空发动机叶片划线方法包括以下步骤：

步骤101，驱动扫描测头沿测量方向对固定在工作台预设位置的当前叶片零件进行扫描，获取与当前叶片零件的测量点云。

当前叶片零件被工作台上的零件夹夹持固定。终端可以驱动扫描测头沿测量方向对固定在工作台预设位置的当前叶片零件进行叶片扫描。在一个实施例中，终端可以是固定在工作台上的中控终端，该中控终端与扫描测头、控制扫描测头移动的机器人连接。终端接收扫描测头发送来的当前叶片零件的测量点云。

步骤102，将当前叶片零件的数模模型网格化，获得当前叶片零件的数模点云。

终端获取当前叶片零件数模模型网格化后的数模点云。在一个实施例中数模模型可以是CAD数模模型，或是其他3D数模模型等。数模点云可以用P_CAD表示，测量点云可以用Q_MPC表示。

步骤103，将测量点云与数模点云进行匹配，得到转换测量点云与数模点云的旋转矩阵以及平移向量。

终端可以通过点云变换算法将测量点云与数模点云进行匹配，得到转换测量点云与数模点云的旋转矩阵R以及平移向量T。终端可以基于最小匹配距离min{||Q_MPC-(R*P_CAD+T)||}得到旋转矩阵R以及平移向量T。最小匹配距离的数值根据需要设置。

步骤104，提取数模模型中待划线特征的点集。

终端提取数模模型中待划线特征的点集，在CAD数模模型中的点集可以表示为d_CAD。

步骤105，结合旋转矩阵以及平移向量，将待划线特征映射为当前叶片零件的测量点云所在的点云空间中的真实划线特征。

终端结合旋转矩阵以及平移向量，将待划线特征映射为当前叶片零件的测量点云所在的点云空间中的真实划线特征d_MPC，其中，d_MPC＝R*d_CAD+T。终端可以将映射后的位于扫描测头坐标系中的点云真实划线特征d_MPC存储为新点集文件，以便后续调取。

步骤106，基于真实划线特征对当前叶片零件进行划线操作。

终端基于真实划线特征控制划线执行器对当前叶片零件进行划线操作。

整个航空发动机叶片划线系统工作流程是：

通过夹持器7将叶片零件固定在工作台6上，点云扫描控制部通过位姿调节单元控制机器人2移动至零件测量起始位置，测头控制单元控制激光扫描测头4启动；点云扫描控制部通过位姿调节单元控制机器人2带动激光扫描测头4沿测量方向移动，直至测量位置终点；测头控制单元控制激光扫描测头4停止，并将扫描获得的零件表面测量点云传递给运算控制部；从而完成对零件划线表面的测量。

划线零件表面位姿找正，运算控制部对扫描获得的零件表面测量点云进行处理，通过与零件数模的匹配获得当前实际零件摆放位置相对数模中的变换矩阵，实现当前叶片零件摆放姿态的标定；运算控制部提取数模中的划线特征，将数模中的划线特征转换为特征线点位，结合获得的变换矩阵，计算数模中的划线特征点位在实际零件坐标系中的位置，将划线特征转换为实际零件表面点云上的真实划线特征；从而实现基于扫描测量点云的零件实际位姿找正，并获得划线特征在零件坐标系中的表达。

零件表面划线特征的标识，运算控制部根据获得的真实划线特征点位信息生成机器人2的执行路径，并将划线执行路径传递给位姿调节单元和划线执行器5；运算控制部通过位姿调节单元控制机器人2移动到当前划线特征起始位置，划线执行器5启动；运算控制部通过位姿调节单元控制机器人2带动划线执行器5沿划线特征路径移动，完成划线特征的标识；实现基于扫描测量的划线特征路径生成与标识。

上述航空发动机叶片划线方法和航空发动机叶片划线系统，基于叶片扫描测量的结果，实现多品种零件的位置自动匹配找正，测试点位的精确定位以及原位自动标识功能，解决了在不规则叶片上高精度划线的技术难题，并且划线方法灵活，操作简单，容易实现，也为相似结构零件的制造起到指导和借鉴作用。

在其中一个实施例中，提取数模模型中待划线特征的点集，包括以下步骤：获取当前叶片零件的数模模型，并在所述数模模型中绘制出待划线的特征线；将所述数模模型中的特征线离散为间隔的特征线点集；采用宏程序将所述特征线点集存储为点集文件。

运算控制部可以获取通过划线虚拟部输入的当前叶片零件在数模模型中的模型线图，并在数模模型中绘制特征线。运算控制部将数模模型中的特征线离散为间隔的特征线点集d_CAD；采用宏程序将特征线点集存储为点集文件。

在其中一个实施例中，系统还包括原点标定装置，原点标定装置8用于对扫描测头坐标系、零件坐标系以及划线执行器坐标系进行标定，并统一映射为工作空间的全局坐标系。

在其中一个实施例中，将测量点云与数模点云进行匹配，得到转换测量点云与数模点云的旋转矩阵以及平移向量，包括：获取扫描测头对应的扫描测头坐标系、被采集的零件坐标系以及划线执行器坐标系；对扫描测头坐标系、零件坐标系以及划线执行器坐标系进行原点标定，并统一映射为工作空间的全局坐标系；在全局坐标系中将测量点云与数模点云进行匹配，得到转换测量点云与数模点云的旋转矩阵以及平移向量。

点云扫描控制部获取扫描测头对应的扫描测头坐标系、被采集的零件坐标系以及划线执行器坐标系。点云扫描控制部可以采用原点标定装置对扫描测头坐标系、零件坐标系以及划线执行器坐标系进行标定，也可以设定全局坐标系原点对扫描测头坐标系、零件坐标系以及划线执行器坐标系进行标定。运算控制部将扫描测头坐标系、零件坐标系以及划线执行器坐标系统一映射为工作空间的全局坐标系。运算控制部在全局坐标系中将测量点云与数模点云进行匹配，得到转换测量点云与数模点云的旋转矩阵以及平移向量。

在其中一个实施例中，基于真实划线特征对当前叶片零件进行划线操作，包括：

将数模中的划线特征点集转换至当前叶片零件的测量点云所在的点云空间中，并结合点云空间与工作空间的全局坐标系之间的映射关系，将数模中的划线特征转换至工作空间的全局坐标系中表达的真实划线特征；基于真实划线特征和当前坐标生成划线执行器在划线执行器坐标系中的执行路径以及与当前叶片零件接触时的位姿；控制划线执行器基于执行路径和位姿对当前叶片零件进行划线操作。

运算控制部根据六点定位原理确定当前叶片零件在全局坐标系中的当前坐标。运算控制部基于真实划线特征和当前坐标生成划线执行器在划线执行器坐标系中的执行路径以及与当前叶片零件接触时的位姿。运算控制部通过机器人控制部控制划线执行器基于执行路径和位姿对当前叶片零件进行划线操作。机器人控制部可以包括控制机器人2位姿的位姿调节单元、控制扫描测头的测头控制单元以及控制划线执行器的划线控制单元。

如图3所示，在其中一个实施例中，将测量点云与数模点云进行匹配，得到转换测量点云与数模点云的旋转矩阵以及平移向量，还包括以下步骤：

步骤301，对测量点云与数模点云分别进行预处理，获得测量点云模型以及数模点云模型。

点云扫描控制部对测量点云与数模点云分别进行预处理，获得测量点云模型以及数模点云模型。预处理可以包括降噪算法和滤波算法中至少一个。点云去噪可以通过加权模糊均值聚类算法对点云中的数据点进行筛选。

步骤302，对测量点云模型以及数模点云模型进行点云配准，得到测量点云模型与数模点云模型的位姿变换矩阵。

运算控制部对测量点云模型以及与数模点云模型进行点云配准，得到测量点云模型与数模点云模型的位姿变换矩阵。运算控制部可以根据坐标数值对测量点云模型以及数模点云模型进行点云初步配准，而后利用ICP算法在场景点云中寻找数模点云最近的点，从而完成点云精确配准。运算控制部可以根据不同点云对应点间的距离，建立场景点云和数模点云对应点集，并求满足对应点集平均距离最小的刚性变换参数，运算控制部应用得到的刚性变换参数对场景点云进行坐标变换，得到变换后的场景点云。运算控制部求数模点云和变换后的点云之间的平均距离，若小于设置的距离阈值，则迭代结束，否则以变换后的点云作为新的场景点云继续进行迭代计算，直到目标函数满足收敛精度要求。

步骤303，利用位姿变换矩阵将测量点云模型与数模点云模型对齐，即完成工件位置找正。

运算控制部根据两组点云之间的匹配关系，对两组点云之间的位姿转换关系进行估计，将测量点云的中心移动至场景点云中心处，即可计算出两组点云之间的平移向量T，进而根据平移向量T得到旋转矩阵R，并计算出平移矩阵。运算控制部利用位姿变换矩阵将测量点云模型以及数模点云模型对齐，即完成工件位置找正。

一个或多个存储有程序的计算机可读存储介质，计算机程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现本申请任意一个实施例中提供的航空发动机叶片划线方法的步骤。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。