专利名称：基于光学测量空心涡轮叶片蜡模壁厚检测方法
技术领域：
本发明涉及一种空心涡轮叶片蜡模壁厚的检测方法，适用于航空、航天、兵器等精密铸造蜡模的检测。
背景技术：
叶片的常用铸造方法是熔模精密铸造，受铸造工艺、精铸工装、材料等多种因素的影响，我国涡轮叶片精铸技术与国外有较大差距，国内研制的精铸叶片精度偏低、质量不稳、废品率很高，一直是制约我国新型航空发动机研制的瓶颈。涡轮叶片的壁厚主要通过精铸蜡型的壁厚进行保证，通过检测并剔除产生壁厚偏析漂移的精铸蜡型，可以有效提高精铸成品率。目前，应用于蜡模检测技术主要有以下几种超声波法，测量精度不高，且存在测量盲区，其测量下限受到限制，且只能获取某些指定点处的壁厚，不能做全面的壁厚检测。电涡流法，受探头直径和试件几何尺寸的影响，测量误差大。热探针法，每测量一个点，就会留下一个针孔，测量后必须立即填补，这样既费时， 又影响叶片表面质量。且由于叶片型面带有扭曲度，致使测量时不易掌握测点的法线方向， 这就会造成较大误差。CT图像壁厚检测法，测量精度较高，但测量时间长、成本高。以上现有检测方法有的测量不够准确，有的测量会破坏蜡模本身，有的测量成本太高，因此均不能作为成批检测的手段。
发明内容
基于现有检测方法不能兼顾全面检测和低成本的问题，本发明提供一种基于光学测量的空心涡轮叶片蜡模壁厚检测方法。它集光学测量、UG 二次开发于一体，实现了空心涡轮叶片蜡模的低成本、精确、全面的三维检测。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括下述步骤步骤1用光学扫描仪获取陶芯数据，再将陶芯压蜡，用光学扫描仪测量蜡模数据；步骤2通过光学扫描的陶芯和蜡模为两次测量结果，因此存在位置差异。首先，在陶芯和蜡模上选取对应的三点进行预配准(即陶芯与蜡模大致对齐，使得陶芯与蜡模的定位台和排气边部分基本贴合)，再选取陶芯和蜡模的特征公共面进行精细配准(即陶芯与腊模精确对齐)；步骤3将陶芯和蜡模的测量模型与跟它们相垂直的平面相交，所获得交线即为跟陶芯和蜡模模型相垂直的平面所在层面上的陶芯和蜡模的对应截面线。截面线的数量及位置可以根据需求任意获取，为了组合成的三维壁厚尽量全面准确，一般至少取5个截面线，比如在需要检测的壁厚高度位置上截取对应的截面线，也可以在叶身上根据高度均勻截取截面线，获得叶身的整体壁厚数据；步骤4根据陶芯和蜡模各层位置的截面线，运用最短距离法，计算得出蜡模在各层位置的壁厚。所谓最短距离法，是指计算出陶芯截面线上的相应点到同一层次蜡模截面线的最短距离，以此距离作为此处蜡模的壁厚；步骤5将各层面蜡模的壁厚分布沿层面高度的方向叠加，即可得到蜡模的三维壁厚分布。本发明的有益效果是运用光学测量，单个叶片蜡模的测量成本低，适用于成批测量检测；数据处理运用UG 二次开发程序，自动进行，具有友好的用户界面操作简单、方便； 最短距离法计算壁厚，保证壁厚计算的准确性和稳定性；从而实现了空心涡轮叶片蜡模壁厚的测量计算，成本低，测量全面准确，易于实现批量检测测量。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是空心涡轮叶片蜡模壁厚计算流程图。图2是预配准三个参考点的选择图。图3是精细配准的特征面选取图。图4是某型号复杂陶芯蜡模截面分区说明及壁厚曲线图。图5是某型号复杂陶芯蜡模壁厚分布曲线图。
具体实施例方式本发明的空心涡轮叶片蜡模壁厚计算过程，如图1。以某型号涡轮叶片陶芯及蜡模为例步骤一由ATOS光学扫描仪分别获取叶片陶芯及对应蜡模的外形点云模型。步骤二对叶片陶芯与蜡模的外形数据进行三维配准。由于本发明的精确配准算法为基于奇异值的最近点迭代法(SVD-ICP)，要求待配准模型之间的位置与方位很接近，才能保证配准算法的收敛。为此，使用三个控制点的模型配准方法实现叶片蜡模测量数据与叶片陶芯测量数据的预配准，使二者的位置与方位足够接近。如图2，在叶片蜡模测量模型上选择三个目标点，在叶片陶芯测量模型上选取三个方位对应的参考点1，2，3。通过把三个目标点变换到三个参考点的位置，来求解叶片测量点云数据与叶片CAD模型的预配准变换矩阵。由于陶芯和蜡模为不同测量物体表面，因此不能采用传统的测量模型与设计模型间的整体配准方法。因此本发明采用基于特征面的配准方法，以陶芯和蜡模测量模型的公共面为特征面，如图3中4、5、6所示，进行基于奇异值的最近点迭代(SVD-ICP)配准，特征公共面可以进行6个自由度方向的控制。图3中4为排气边材料面，用以控制两配准模型y、z方向的正反性；5为定位台侧面，用以控制两配准模型的三个旋转自由度以及y、z方向的自由度；6为定位台端面，用以控制两配准模型χ方向的自由度。由此，即可将两模型在不缩小其变形的情况下进行准确配。步骤三再获取配准后的二维截面线。精确配准完成以后，运用平面与曲面相交得出的交线，即为曲面在此平面上的截面线的原理，将陶芯和蜡模的测量模型与跟它们相垂直的平面相交，所获得交线即为跟陶芯和蜡模模型相垂直的平面所在层面上的陶芯和蜡模的对应截面线。步骤四而后根据最短距离法计算蜡模壁厚算法计算出壁厚。获得陶芯与蜡模在同一层面上的截面线后如图4(a)，其中，L1-L5分别为陶芯的五个纵向肋在叶背面依次从后缘到前缘的五个位置，Li’ -L5’分别为陶芯的五个纵向肋在叶盆面依次从后缘到前缘的五个位置。 运用最短距离法计算蜡模在此层面的各部位壁厚。目前工厂实际叶片蜡�：穸燃觳庵校褂贸ú夂褚茄匾镀Ｍ獗砻娌饬康愦Φ姆ㄏ叻较虻酱锬诒砻娴木嗬虢胁饬俊Ｓ捎诠庋Р饬考扑阒性擞梅ㄏ叻椒ǹ赡艹鱿衷谀车愦σ蚪孛嫦呦肝⒌淖鄱贾路ㄏ蚍⑸洗笃畹炔豢稍げ獾某绦蚣扑愦砦螅佣贾录扑悴蛔既罚⑸糯蟊诤裣窒�。因此为了叶片蜡模壁厚检测的自动进行，依据适合光学测量数据的壁厚检测工艺，本发明给出一种约束更强蜡模壁厚定义，定义陶芯截面线上一点到同一层面蜡模截面线的最短距离为该点处的壁厚，本文最短距离运用UG 二次开发里面的UF_MODL_ask_minimum_dist完成，通过对陶芯截面线上的所有点进行最近点迭代，可以求出此层面截面线上任一点处的壁厚，结果如图4(b)所示。步骤五如此，则空心涡轮叶片蜡模某一个层面的壁厚计算出来，再将每个层面的壁厚进行三维叠加显示，则整个叶片的三维壁厚已经求出。三维壁厚结果如图5所示。
权利要求
1.一种基于光学测量空心涡轮叶片蜡模壁厚检测方法，其特征在于包括下述步骤 步骤1用光学扫描仪获取陶芯数据，再将陶芯压蜡，用光学扫描仪测量蜡模数据； 步骤2在陶芯和蜡模上选取对应的三点进行预配准，再选取陶芯和蜡模的特征公共面进行精细配准； 步骤3将陶芯和蜡模的测量模型与跟它们相垂直的平面相交，所获得交线即为跟陶芯和蜡模模型相垂直的平面所在层面上的陶芯和蜡模的对应截面线；至少取5个截面线； 步骤4根据陶芯和蜡模各层位置的截面线，运用最短距离法计算得出蜡模在各层位置的壁厚；步骤5将各层面蜡模的壁厚分布沿层面高度的方向叠加，即可得到蜡模的三维壁厚分布。
2.根据权利要求1所述的基于光学测量空心涡轮叶片蜡模壁厚检测方法，其特征在于所述的最短距离法是指计算出陶芯截面线上的相应点到同一层次蜡模截面线的最短距离，以此距离作为此处蜡模的壁厚。
全文摘要
本发明公开了一种基于光学测量空心涡轮叶片蜡模壁厚检测方法，用光学扫描仪获取陶芯数据和蜡模数据；在陶芯和蜡模上依次进行预配准和精细配准；将陶芯和蜡模的测量模型与跟它们相垂直的平面相交，所获得交线即为跟陶芯和蜡模模型相垂直的平面所在层面上的陶芯和蜡模的对应截面线，至少取5个截面线；根据陶芯和蜡模各层位置的截面线，运用最短距离法计算得出蜡模在各层位置的壁厚；将各层面蜡模的壁厚分布沿层面高度的方向叠加，即可得到蜡模的三维壁厚分布。本发明测量成本低，简单、方便，保证壁厚计算的准确性和稳定性，易于实现批量检测测量。
文档编号G01B11/06GK102230786SQ20111008019
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者乔燕, 傅蒋威, 刘金钢, 卜昆, 周丽敏, 张亮, 张定华, 张现东, 徐岳琳, 杨小宁, 程云勇, 窦杨柳, 窦杨青, 董一巍, 袁帅, 黄胜利, 黄魁东 申请人:西北工业大学
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