基于线结构光的截面曲线特征检测方法及其应用

摘要

本发明公开了一种基于线结构光的截面曲线特征检测方法及应用，该方法的检测步骤包括先沿支架X轴从圆柱体向待测物移动线结构光装置采集轮廓数据，对圆柱体轮廓数据进行圆拟合，并将轮廓数据转换至圆柱体轮廓数据的数据坐标系下；然后转动转台180°后沿支架X轴从圆柱体向待测物移动线结构光装置采集轮廓数据，对圆柱体轮廓数据进行圆拟合，并将轮廓数据转换至圆柱体轮廓数据的数据坐标系下；最后根据几何关系将轮廓数据转换至同一数据坐标系中。通过本发明进行数据采集及拼接，数据采集次数少，节省检测时间；运动控制简单，只涉及到平移轴的移动以及转台的一次转动；坐标转换处理方便；能测量大部分待测物的截面，实现截面曲线特征检测。

说明书

技术领域

本发明涉及截面曲线特征检测领域，具体涉及一种基于线结构光的截面曲线特征检测方法及其应用。

背景技术

叶片作为航空发动机、燃机、汽轮机等设备中的关键零部件，承担着将热能转化为机械能的重要任务，叶片的形状及质量直接影响整机的能量转换效率和使用寿命。叶片因其型面为不规则曲面且不同截面高度的型线轮廓不相同给叶片检测工作增加了难度。

目前，常用的检测方法为标准样板法和三坐标测量法，标准样板法用于叶片加工过程的质量控制，测量精度低，劳动强度大。三坐标测量法常用于产品终检，为接触式测量，通过采集被测叶片表面上点的坐标，经过软件将采集的点进行处理后得到所需要的参数。三坐标测量法具有很强的通用性、精度高、测量范围大等优点，且测量时不受物体表面质量的粗糙度、颜色等因素的影响；但是存在测量效率低、测量成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量效率高且可获取截面信息的基于线结构光的截面曲线特征检测方法，并将该方法具体应用到叶片截面信息检测中。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于线结构光的截面曲线特征检测方法，包括如下步骤：

(1)检测装置及标定

将线结构光装置安装在可沿空间坐标X、Y、Z轴平移的支架上，并对线结构光装置的位姿进行标定；沿线结构光装置发射出激光面的方向上安装有可绕自身Z轴转动的转台，对转台的转台面进行标定；

(2)待测物和圆柱体安装

将待测物和圆柱体安装在转台的转台面上，沿线结构光装置发射出激光面的方向上圆柱体和待测物互不遮挡，并对待测物的轴线进行标定；

(3)待测物截面曲线特征检测

a、沿支架Z轴移动线结构光装置使激光面位于待测物的截面高度上；

b、沿支架X轴从圆柱体向待测物移动线结构光装置采集多组轮廓数据，对采集的圆柱体轮廓数据进行圆拟合，得到圆心坐标C1，并将多组轮廓数据转换至圆柱体轮廓数据对应的数据坐标系M0-xy中得到数据集M；

c、转动转台180°后沿支架X轴从圆柱体向待测物移动线结构光装置采集多组轮廓数据，对采集的圆柱体轮廓数据进行圆拟合，得到圆心坐标C2，并将多组轮廓数据转换至圆柱体轮廓数据对应的数据坐标系N0-xy中得到数据集N；

d、根据圆心坐标C1和C2将数据集N的轮廓数据转换至数据坐标系M0-xy中，进而将两个数据集M和N拼接在一起，从而实现待测物截面曲线特征检测。

进一步地，步骤(3)b和c移动线结构光装置每次移动步长小于等于线结构光装置的宽度方向最小测量范围。

进一步地，所述圆柱体的高度大于等于待测物的高度。

本发明利用圆柱体同轴线(在数据坐标系下其圆心坐标不变)，将采集的其他的轮廓数据由圆心坐标拼接在同一个数据坐标系下，实现数据的转换，并对数据进行轮廓拟合，实现对截面曲线特征检测，利用本发明进行数据采集及拼接，数据采集次数少，大大节省了测量时间；运动控制简单，只涉及到平移轴的移动以及转台的一次转动；坐标转换处理方便，无需进行复杂的数据处理；适用范围广，能测量大部分叶片的截面。

附图说明

图1为本发明检测装置的结构示意图。

图2为本发明圆柱体和待测物放置位置关系示意图。

图3为本发明数据集M的轮廓数据。

图4为本发明数据集N的轮廓数据。

图5为本发明数据拼接的关系示意图。

图中标记：100、支架；101、支架X轴；102、支架Y轴；103、支架Z轴；110、安装板；200、转台；201、转台面；202、固定装置；300、线结构光装置；301、激光面；400、叶片；401、待测截面；500、光学平台；600、圆柱体。

具体实施方式

如图1所示，本实施例所需要装备的检测装置包括一个可沿空间坐标X、Y、Z轴平移的支架100和可绕自身Z轴转动的转台200，所述支架100的X、Y、Z轴的平移运动以及转台200的Z轴的转动为主运动，分别为三个平移分量(支架100带动线结构光装置300)和一个转动分量(转台200带动待测叶片400)，使线结构光装置300和待测叶片400之间产生四轴相对运动。具体地，所述支架100的Y轴102安装在光学平台500上，X轴101水平垂直且可平移安装在Y轴102上，Z轴103竖直垂直且可平移安装在X轴101上，Z轴103沿竖直方向移动安装有安装板110，安装板110上安装有线结构光装置300，所述转台200也安装在光学平台500上，且位于支架100的一侧，转台200采用高精密的转台，转台200的顶部设有可绕自身Z轴转动的转台面201，转台面201上安装有用于固定待测叶片400的固定装置202，固定装置202采用能保证待测叶片400安装后不发生相对位移的结构实现即可，本实施例具体采用电磁铁实现。

所述线结构光装置300采用基恩士LJ-V7060轮廓仪，光源为蓝色半导体激光，发射光束属于直射式，具有测量准确度高、扫描范围广、性能稳定的优点。

本实施例以叶片为例，具体提供基于四轴检测装置和线结构光相结合的截面曲线特征检测方法包括如下步骤：

(1)检测装置及标定

将线结构光装置300安装在可沿空间坐标X、Y、Z轴平移的支架100上，并对线结构光装置300的位姿进行标定；沿线结构光装置300发射出激光面301的方向上安装有可绕自身Z轴转动的转台200，对转台200的转台面201进行标定。

(2)待测叶片和圆柱体安装

将待测叶片400和圆柱体600安装在转台200的转台面201上并通过电磁铁固定，沿线结构光装置300发射出激光面301的方向上待测叶片400和圆柱体600互不遮挡，如图2所示，所述圆柱体600的高度大于等于待测叶片400，可检测出待测叶片400任一高度上的截面信息，并对待测叶片400的轴线进行标定。

步骤(1)和步骤(2)所述标定的具体方法已经申请了“一种基于线结构光检测物标定方法”，该专利详细记载了上述标定的具体步骤，本实施例不再做赘述。需要说明的是，本实施例提供的方法不需要对转台轴线进行标定。

(3)待测物截面曲线特征检测

a、沿支架Z轴103移动线结构光装置300使激光面301位于待测叶片400的待测截面401高度上；

b、沿支架X轴101从圆柱体600向待测叶片400移动线结构光装置300采集多组轮廓数据，每次移动步长l小于等于线结构光装置300的最小测量范围，本实施例的线结构光装置300的最小测量范围13.5mm，设置移动步长l略小于13.5mm即可，这样移动的次数少，可提高整体的检测效率；移动i次，采集i组轮廓数据(M0、M1、…、Mi)，采集中存在无效点，将无效点删除；对第一组轮廓数据(采集的圆柱体轮廓数据)M0进行圆拟合，得到圆心坐标C1(x_C1,y_C1)，并将多组轮廓数据转换至第一组轮廓数据对应的数据坐标系M0-xy中得到数据集M，数据坐标系M0-xy为第一组轮廓数据在线结构光装置300的数据坐标系。

如图3所示，具体地数据转换如下：

其中k＝1～i，ek为第k次测量中有效点个数，Δy为第k次测量过程中，叶片超出线结构光装置300测量范围时，线结构光装置相对数据坐标系M0-xy中y轴正方向移动距离。

将数据M1～Mi转换到坐标系M0-xy中，转换后

再将M0、M1、···、Mi拼接在M0-xy坐标系下，得到数据集M，

M＝(M0 M1 … Mi) (3)

M即在坐标系M0-xy下激光器照射面的全部轮廓数据。

c、转动转台180°，按照步骤(b)再次采集另一面的轮廓数据，沿支架X轴101从圆柱体600向待测叶片400移动线结构光装置300采集多组轮廓数据(N0、N1、…、Nj)，对第一组轮廓数据(采集的圆柱体轮廓数据)N0进行圆拟合，得到圆心坐标C2(x_C2,y_C2)，并将多组轮廓数据转换至第一组轮廓数据对应的数据坐标系N0-xy中得到数据集N，步骤(b)的数据转换相同，仅改变的是线结构光装置300移动方向相反，在数据转换(公式2)时，x轴数据减去移动步长l(-kl)，N在坐标系N0-xy下激光器照射面的全部轮廓数据如图4所示。

d、根据圆心坐标C1和C2将数据集N的轮廓数据转换至数据坐标系M0-xy中实现待测物截面曲线特征检测。

具体地，数据还原后，坐标系M0-xy的y轴与N0-xy的y轴间距为：

D₁＝x_c1+x_c2>

坐标系M0-xy的x轴与N0-xy的x轴间距为：

D₂＝y_c1+y_c2>

将坐标系N0-xy统一到坐标系M0-xy：

其中，(x_n,y_n)为数据坐标系N0-xy下任意一点，(x_m,y_m)为坐标点(x_n,y_n)转换完成后在M0-xy下坐标。由公式6可将数据集N转换到坐标系M0-xy下，实现了数据集M、N的轮廓拼接，得到当前截面完整轮廓，如图5所示。

使线结构光装置300沿着支架Z轴103上下移动，可以测量叶片其他待测截面。通过本实施例进行数据采集及拼接，数据采集次数少，当叶片型面最大宽度为40mm时，采集完整的单个截面只需10～12次，大大节省了测量时间；运动控制简单，只涉及到平移轴的移动以及转台的一次转动；坐标转换处理方便，无需进行复杂的数据处理；适用范围广，能测量大部分叶片的截面。

针对其他的待测物的截面曲线特征方法相同，如待测物无法稳定放置在转台面201上，像球型、椭球型等，可通过设计与该待测物相对应的夹持工装对其稳定，再进一步对其进行截面曲线特征检测。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。