一種航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法技術

本發明專利技術公開了一種航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法，其特征在于該方法采用包括以下步驟：1)利用光學三維測量法對可修復的磨損葉片進行測量，得到葉片的點云；2)用平滑濾波法去除三維測量時的誤差點云，用包圍盒法精簡點云；3)借鑒Otsu閾值法，計算邊界點云和曲面點云的類間方差的最大值，區分邊界點云和葉片點云；通過邊界點云兩個相互垂直方向上的主曲率的比值的大小比較來判斷邊界點云是在未缺損區域邊界上還是在缺損區域的邊界；用最小二乘法將得到的邊界點云擬合成邊界線；4)將缺損部位以外的點云擬合成B?Spline曲面；5)對缺損區域的邊界點云進行相似性延伸，得到完整的三維模型。經檢測，延伸的相似性度量值不超過0.2mm。

Three dimensional reconstruction method for blade tip defect of Aeroengine Compressor Blade

The invention discloses a method for 3D reconstruction of aero engine compressor blade tip defect, which is characterized in that the method comprises the following steps: 1) to measure the wear of blades can be repaired by optical 3D measurement method, get the blade point cloud; 2) to remove the error when measuring the 3D point cloud with smooth filtering method using the bounding box method, streamlining point cloud; 3) using Otsu threshold method, maximum value calculation of boundary point cloud and surface point cloud variance, distinguish the boundary point cloud and leaf point cloud; ratio through the main curved boundary point clouds of two mutually perpendicular directions on the magnitude of the rate of comparison to determine the boundary point cloud is in the defect area boundary or in the defect region boundary; using the least squares method will get the boundary point cloud fitting boundary line; 4) the defect site outside of the point cloud is fitted to B Spline surface; 5) of defect The boundary points of the region are extended by similarity, and a complete 3D model is obtained. After testing, the similarity measure of extension does not exceed 0.2mm.

【技術實現步驟摘要】
一種航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法
本專利技術涉及機器人視覺
，具體是一種航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法。
技術介紹
隨著我國經濟的快速發展，國內對航空出行的需求量也在不斷增加。據預測，我國民用航空器的數量在2025年將達到14000架左右。而由于飛機各部件的日益損耗，待維修的飛機數量也在日益增加，據美國TeamSAI公司分析，2025年我國僅航空發動機壓氣機葉片的維修市值就將高達13～14億美元。由于我國自身修復技術還不夠成熟，以及國外對關鍵維修技術進行技術封鎖，所以目前我國可修復的受損壓氣機葉片大部分送往國外維修，維修成本高，維修周期較國外正常維修周期平均增加十五天左右，在飛機維修期間，飛機運營公司在飛機非運營的狀態下，還將承擔高昂的停場費，進一步增加維修成本。為實現壓氣機葉片快速、高精度的自動焊接修復，葉片三維數據獲取后重建是至關重要的一步。葉片為滿足其復雜的空氣動力學要求，通常被設計成空間自由曲面，其每個截面的形狀都不相同，截面形狀一般呈中間厚兩邊薄的扭曲柳葉狀，使得葉片三維數據重構具有相當大的困難。由于壓氣機葉片一般工作在高溫高壓的內涵道中，其失效形式大多數是因為疲勞損傷、強度不足造成的腐蝕、劃道、斷裂等，大多數損傷出現在邊角處。由于拿不到原始葉片的CAD模型，無法用求差的方法獲得缺失部分；同時在葉片缺損極小(缺損部位占葉片長度不超過2％)不影響葉片的拓撲結構的前提下，可以應用三維重建方法的方法對葉片進行修復重建。廣東工業大學李志等人(參見李志,高健,吳海東.面向扭曲葉片修復的曲面重構技術研究[J].機械設計與制造,2012(10):147-149)將數據點分段處理，用B樣條高精度的分段擬合曲線，此方法雖然精度高，但是缺少對邊界點云的提取使得擬合結果在一定程度上精度變差。天津工業大學趙娜等人(參見趙娜,李亮玉,劉杰,等.飛機葉片焊接修復中的三維測量重構技術[J].焊接學報,2014,35(6):73-76.)對葉頂缺損的葉片重構進行了研究，以三次Coons曲面作為基面去逼近無約束曲面，利用優化理論進行迭代得到曲面控制點，然后由NUBRUS理論對曲面拼接修剪，得到復原的葉片三維模型。但此方法沒有考慮逼近時曲線曲面的相似性，可能會造成延伸光順性差。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術擬解決的技術問題是，提供一種航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法。該方法利用光學三維測量法對可修復的磨損葉片進行測量，得到葉片的點云；用平滑濾波法去除三維測量時的誤差點云，用包圍盒法精簡點云；借鑒Otsu閾值法，計算邊界點云和曲面點云的類間方差的最大值，區分邊界點云和葉片點云；通過邊界點云兩個相互垂直方向上的主曲率的比值的大小比較來判斷邊界點云是在未缺損區域邊界上還是在缺損區域的邊界；用最小二乘法將得到的邊界點云擬合成邊界線；將缺損部位以外的點云擬合成B-Spline曲面；對缺損區域的邊界點云進行相似性延伸，得到完整的三維模型。經檢測，延伸的相似性度量值不超過0.2mm。本專利技術解決所述技術問題的技術方案是，提供一種航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法，其特征在于該方法的具體步驟如下：(1)光學三維測量：利用光學三維測量法對可修復的磨損葉片進行測量，得到葉片的點云；所述可修復的磨損葉片是指葉片葉尖缺損部位的長度≤葉片總長度的2％；(2)點云預處理：用平滑濾波法去除誤差點云，用包圍盒法精簡點云；(3)邊界提取：將預處理后的點云按照曲率特征劃分為邊界點云和曲面點云兩部分；首先，分別計算邊界點云和曲面點云的類間方差；然后，確認劃分出來的邊界點云是在未缺損區域邊界上還是在缺損區域的邊界，用邊界點云兩個相互垂直方向上的主曲率的比值k2/k1的大小比較來判斷；最后，用最小二乘法將得到的邊界點云擬合成邊界線；(4)曲面重建；采用B-Spline的方法，將缺損部位以外的點云擬合成B-Spline曲面；(5)邊界延伸；對缺損區域的邊界點云進行相似性延伸；利用原葉片曲面中平行于缺損區域的上邊緣的各截面線的形狀，在計算機中生成與葉片葉尖缺失部分x向相近的并且平行于未缺損區域的直線的曲率的變化趨勢；在修補x向缺損區域時候，使得x向每層的曲線的曲率的變化趨勢與在計算機中生成的變化趨勢相同；在修補y向缺損區域時候，考慮x向各個截面線的相似性；當x、y兩個方向都修復完成時，即完成一個曲面的延伸；按照以上方法對葉盆、葉背以及缺損區域的上邊緣進行延伸，得到完整曲面。光學三維測量法是向可修復的磨損葉片投影正弦條紋，得到新的相位和高度的關系h’＝f(Δφ’)與之前標定的h進行比較，得到葉片的點云。邊界提取的具體步驟如下：(1)將點云按照靠近邊界的遠近劃分為M級別，第i級點云的數量為ni，總點云數量為N，第i級點云概率占Pi＝ni/N；通過劃分找到劃分邊界和非邊界的點云級別，即門限；(2)計算點云距離邊界的總體平均級數：(3)第a級點云為門限，a∈[1,M]，則μ＝μ(a)+μ(M-a)；其中表示前a級點云的平均級數；表示后M-a級點云的平均級數；(4)令表示前a級點云占總點云數量的比例，表示后M-a級點云占總點云數量的比例；(5)點云中的類間方差表示為δ2[a]＝ω0(μ-μ0)2+ω1(μ-μ1)2，得到類間方差的最大值；若在之后的劃分中，類間方差小于δ，則說明劃分出現了錯誤；并且將曲率大于δ的點作為候選的邊界點云；(6)在葉片各部位的邊界上，邊界點云一個方向的主曲率k1接近0，而另一個與之垂直方向上的主曲率k2較大，得到k2/k1的值較大；而在缺損區域的邊界上，k2/k1的值較小；根據k2/k1的值，初步判斷該邊界點云是葉片各部分的邊界還是缺損區域的邊界；(7)用最小二乘法將得到的邊界點云擬合成邊界線。B-Spline的方法是先用累積弦長的方式參數化型值點，再用UAVG技術進行節點配置，最后將B-Spline轉化成非線性最小二乘問題，求得曲面方程。邊界延伸的具體步驟如下：(1)延伸x向時，在與缺失部分等高的y向上等差的取n個點作為x向延伸的基點；(2)在每個基點高度層，沿y向等差的取n個點，此n個點可以區分出曲面的變化規律，用B-Spline的方法擬合曲線；(3)延伸y向時，在與缺失部分等高的x向上等差的取n個點作為y向延伸的基點；(4)在每個基點高度層，沿x向等差的取n個點，此n個點可以區分出曲面的變化規律，用B-Spline的方法擬合曲線；(5)解決兩方向曲線不相交現象：調整x、y兩個方向的曲線，使得兩向曲線在Z軸方向移動距離相同；n取正整數。與現有技術相比，本專利技術有益效果在于：(1)點云預處理使得將要重建的三維數據更加準確，也使得重建更加簡單；(2)利用Otsu閾值法和最小二乘法進行邊界提取，不僅可準確的提取邊界點云，而且能得到擬合曲面的邊界線。相比廣東工業大學李志等人的方法，該方法將葉片邊界提取出來，使得擬合時準確性提高，并且不會出現邊界模糊的現象，這使得延伸準確性至少提高了2倍；(3)采用了B-Spline的方法擬合曲面，B樣條曲面對大多數自由曲面也有準確的描述；表達式簡單，易于編程；并且與NURBS具有相同的凸包性與局部支撐性等優點。事實證明，B-Spline方法精度不比NURBS方法差本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法，其特征在于該方法的具體步驟如下：(1)光學三維測量：利用光學三維測量法對可修復的磨損葉片進行測量，得到葉片的點云；所述可修復的磨損葉片是指葉片葉尖缺損部位的長度≤葉片總長度的2％；(2)點云預處理：用平滑濾波法去除誤差點云，用包圍盒法精簡點云；(3)邊界提取：將預處理后的點云按照曲率特征劃分為邊界點云和曲面點云兩部分；首先，分別計算邊界點云和曲面點云的類間方差；然后，確認劃分出來的邊界點云是在未缺損區域邊界上還是在缺損區域的邊界，用邊界點云兩個相互垂直方向上的主曲率的比值k

【技術特征摘要】
1.一種航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法，其特征在于該方法的具體步驟如下：(1)光學三維測量：利用光學三維測量法對可修復的磨損葉片進行測量，得到葉片的點云；所述可修復的磨損葉片是指葉片葉尖缺損部位的長度≤葉片總長度的2％；(2)點云預處理：用平滑濾波法去除誤差點云，用包圍盒法精簡點云；(3)邊界提取：將預處理后的點云按照曲率特征劃分為邊界點云和曲面點云兩部分；首先，分別計算邊界點云和曲面點云的類間方差；然后，確認劃分出來的邊界點云是在未缺損區域邊界上還是在缺損區域的邊界，用邊界點云兩個相互垂直方向上的主曲率的比值k2/k1的大小比較來判斷；最后，用最小二乘法將得到的邊界點云擬合成邊界線；(4)曲面重建：采用B-Spline的方法，將缺損部位以外的點云擬合成B-Spline曲面；(5)邊界延伸：對缺損區域的邊界點云進行相似性延伸；利用原葉片曲面中平行于缺損區域的上邊緣的各截面線的形狀，在計算機中生成與葉片葉尖缺失部分x向相近的并且平行于未缺損區域的直線的曲率的變化趨勢；在修補x向缺損區域時候，使得x向每層的曲線的曲率的變化趨勢與在計算機中生成的變化趨勢相同；在修補y向缺損區域時候，考慮x向各個截面線的相似性；當x、y兩個方向都修復完成時，即完成一個曲面的延伸；按照以上方法對葉盆、葉背以及缺損區域的上邊緣進行延伸，得到完整曲面。2.根據權利要求1所述的航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法，其特征在于光學三維測量法是向可修復的磨損葉片投影正弦條紋，得到新的相位和高度的關系h’＝f(Δφ’)與之前標定的h進行比較，得到葉片的點云。3.根據權利要求1所述的航空發動機壓氣機葉片葉尖缺損的三維重建方法，其特征在于邊界提取的具體步驟如下：(1)將點云按照靠近邊界的遠近劃分為M級別，第i級點云的數量為ni，總點云數量為N，第i級點云概率占Pi＝ni/N；通過劃分找到...

【專利技術屬性】
技術研發人員：戴士杰，宋濤，周國霞，呂海東，
申請(專利權)人：河北工業大學，
類型：發明
國別省市：天津,12