本發(fā)明涉及精密加工，特別涉及一種用于渦輪葉片氣膜孔的激光加工高精度定位方法。

背景技術：

1、航空發(fā)動機是決定飛機性能的主要因素之一。近年來隨著飛行器技術的發(fā)展，對發(fā)動機性能提出的更高要求也在不斷地提高航空發(fā)動機的推重比、壓氣機增壓比和燃燒室溫度，對重要零部件的性能提出了苛刻的要求。其中渦輪葉片是航空發(fā)動機的核心部件，其工作環(huán)境最為惡劣，溫度最高，應力最復雜，因此葉片制造技術是航空發(fā)動機制造過程中最復雜的技術之一。為了滿足航空發(fā)動機高性能、高可靠性以及工作壽命的要求，目前國內(nèi)外高性能航空發(fā)動機渦輪葉片采用單晶空心結構，并通過熔模精密鑄造方法制造。

2、氣膜孔的定位精度與加工質(zhì)量對葉片的性能與可靠性具有重要影響。為了保證航空發(fā)動機渦輪葉片的冷卻效果和疲勞壽命，需要嚴格控制氣膜孔的孔徑尺寸和位置精度甚至孔的分布間距。在渦輪葉片表面往往分布了數(shù)百個氣膜孔，且氣膜孔大多數(shù)為與空間坐標系帶有一定角度的傾斜圓孔與異形孔，因此需要利用五軸裝備進行加工。渦輪葉片氣膜孔分布較為密集，在表面與內(nèi)壁上，孔與孔之間的距離也不同。氣膜冷卻效率是材料、幾何等參數(shù)及其耦合作用在高溫高壓三維非定常流場下的響應，其中，氣膜孔分布位置決定了冷卻氣膜的橫向覆蓋寬度和縱向覆蓋長度。因此，確保葉片氣膜孔成形幾何精度對于提高冷卻效率與發(fā)動機能效至關重要。

3、現(xiàn)有的六點定位迭代方法對于無變形構件的定位具有較高的精度，目前對于氣膜孔加工采用開環(huán)加工模式，在認為精鑄葉片完全符合設計模型的前提下，基于六點定位的方法對葉片進行裝夾定位，并按照設計孔位進行氣膜孔加工，但考慮到實際葉片的熱變形導致葉片本身定位一致性較差，這種定位方式會給實際加工帶來累積誤差，同時考慮到葉片上預加工點位處存在一定偏差，而氣膜孔大多與表面法線呈一定角度關系，將會導致使氣膜孔偏進一步離原有的設計點位，對葉片的冷卻效率產(chǎn)生負面影響從而影響航空發(fā)動機的可靠性與穩(wěn)定性。

4、目前，通過在渦輪葉片鑄造毛坯設計時嵌入基準的方式，實現(xiàn)氣膜冷卻孔的自適應加工。在渦輪葉片外表面上澆筑出凹陷或凸起的結構，然后通過外表面測量提取特征來確定氣膜冷卻孔在外表面上的坐標。采用同樣的方法確定氣膜冷卻孔在內(nèi)表面上的坐標。在兩個坐標之間穿透渦輪葉片，實現(xiàn)氣膜冷卻孔位置和角度的補償。這種方式為定位提供了參考位置，極大地簡化了孔位定位問題，但對于氣動力學要求嚴苛的某些葉片，額外澆筑特殊結構可能會影響其原本的性能與壽命。因此，本領域亟需一種高精度、高效率、無接觸的氣膜孔加工定位引導方法。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術問題，本發(fā)明的目的是：提供一種高精度、高效率、無接觸的氣膜孔加工定位引導方法，以實現(xiàn)渦輪葉片氣膜孔的高精度加工定位。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下方案。

3、一種用于渦輪葉片氣膜孔的激光加工高精度定位方法，所述方法包括以下步驟：

4、s100、將待加工葉片裝夾至五軸加工平臺，利用拍攝待加工葉片的圖像并進行三維重建，并獲取完整點云；

5、s200、對完整點云進行預處理，分割為感興趣區(qū)域(roi)，基于點云包圍盒進行粗配準，將粗配準結果作為與cad模型進行精配準的初值，并進一步迭代優(yōu)化求解最優(yōu)剛性變換矩陣；

6、s300、對s200預處理后的點云與cad生成的點云分別進行切片處理，作為一組對應切片對；

7、s400、對每一個切片的點云進行二維法線估計，并求解其中的弧線特征點并作多項式插值，作為該截面的參數(shù)化特征；

8、s500、對于每一組切片對，將s400所述參數(shù)化特征作為原始值，將cad模型計算的參數(shù)化特征作為目標值，逐點在目標曲線上生成原始曲線的對應定點作為非剛性配準的對應點；

9、s600、將對應點之間的歐氏距離作為目標函數(shù)，并基于最小二乘法優(yōu)化求解問題，設定閾值不斷迭代生成新的對應點對以及變換矩陣；

10、s700、將對應點對的距離作為誤差函數(shù)，根據(jù)多次求解出的誤差間的差值作為迭代截止條件，當差值小于設定閾值時迭代終止；否則，返回s500重復s500-s600；

11、s800、將對齊的對應切片對進行映射，獲取其在實際輪廓上的位置，并同步其加工方向；

12、s900、根據(jù)加工設備的逆運動學模型及標定結果生成實際的nc代碼用于后續(xù)的加工引導。

13、可選的，s300中，包括如下步驟：

14、s301、初步對齊后，讀取cad模型上的待加工孔位信息holei，并過該孔位信息holei做平行于xoy的平面作為切面si，在cad生成的點云q中檢索切面si的鄰域點qi；

15、s302、基于delaunay三角剖分對鄰域點qi進行三角網(wǎng)格重建，對于其中的每一個三角形，嘗試求解其與切面si的交集，將所有解的集合作為初步的邊緣點云；

16、s303、遍歷切片點云中的點ki，搜索其鄰域內(nèi)的鄰域點qi組成點集k，基于最小二乘以四次曲線擬合局部點集k，并進行均勻化上采樣獲取最終的邊緣點云。

17、s304、基于同一孔位holei對應的切面si，分別對點云pt、q進行s301-s303處理，得到兩組切片ps、qs組成一組對應切片對。

18、可選的，s400中，包括如下步驟：

19、s401、基于凸包算法獲取切片包絡線，并根據(jù)截面中的最遠包絡點獲得大致弦線，并以此作垂線切于截面兩側獲得大致分割點，并以此分割點云為四部分；

20、s402、按照分割點粗略提取前緣、后緣部分，并基于圓擬合粗略分割前緣，基于歐式聚類分割葉盆concave與葉背convex部分；

21、s403、在葉盆上的點vi點處計算葉盆曲線的二維法線方向，并與相應另一側的葉背相交于點oi，將vi與oi的中點mi作為初始點，在葉背上尋找點mi的最近點o′i，計算d＝|mio′i|-|mivi|，并根據(jù)結果取mio′i(d>0)或mivi(d<0)中點作為點mi進一步迭代，直至差值小于閾值；

22、s404、多個點mi組成中弧線點云，遍歷其中的點mi，搜索其鄰域內(nèi)的若干點組成點集m，基于最小二乘以四次曲線擬合局部點集m，并進行均勻化上采樣獲取最終的中弧線點云作為參數(shù)化特征。

23、可選的，s500中，包括如下步驟：

24、s501、對于實際切片點云的中弧線點集中的點ri，基于kd-tree在cad切片點云中檢索其臨近至少5個點作為點ri的構造點集；s502、在構造點集中利用最小二乘法擬合二次曲線，并將點ri到曲線上某點ui的歐式距離作為目標項；

25、s503、選取構造點集中的最近點作為初始點ui，將|riui|作為迭代初值，利用梯度下降法優(yōu)化求解，獲取點ri到曲線的垂足ui，完成對應點對的構造，并記錄此時|riui|的距離作為后面變換矩陣優(yōu)化求解的依據(jù)。

26、可選的，s700中，包括如下步驟：

27、s701、經(jīng)過s503構造對應點對后，ri為實際切片點云的中弧線點集中的點，ui為cad切片點云的中弧線點集中的點，其中2<i<n(n為點對個數(shù))，即需要求解使得最??；

28、s702、設矩陣矩陣

29、矩陣h′＝[h11h12?h13?h21?h22?h23]t，滿足ah′＝b；

30、s703、由最小二乘原理，ah′＝b可推導出h′＝(ata)-1atb；此時即可求解出位姿變換矩陣h；

31、s704、計算變換后的ri點集，構造點對u′i并計算平均距離作為誤差項；

32、s705、重復s701-s704步驟，直至誤差項小于閾值或兩次解出的位姿變換矩陣差值的模小于設定閾值，結束迭代完成配準。

33、可選的，s800中，包括如下步驟：

34、s801、此時兩切片的中弧線特征已經(jīng)足夠接近，因此采用法線映射的方式確定制孔位置；

35、s802、與s501-s502近似，在cad切片點云中取圖紙上待加工點位ti的鄰域點，擬合四次曲線同時獲取點位ti處的切線方向，進而獲知此處法線方向，得到直線li；

36、s803、在實際切片點云中取圖紙上待加工點位ti的鄰域點，同樣擬合四次曲線，求解直線li與曲線的交點，在多解中取距離ti最近的實根作為實際制孔位置，制孔方向與圖紙設計方向相同，將位置與方向組合作為制孔信息；

37、s804、將制孔信息進行逆變換還原至掃描坐標系，并根據(jù)雙目面結構光三維掃描儀標定結果轉換至機床的加工坐標系。

38、相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益技術效果：

39、1、本發(fā)明針對整體存在微小變形的復雜曲面構件，基于傳統(tǒng)點對距離特征的配準方法中存在對應點非絕對匹配、容易造成局部收斂的問題，提出了一種采用剛性變換的二次加權配準方法；相較于傳統(tǒng)方法不依賴于原有的點對對應關系，可以通過構造的方式向對應面構造對應點，并針對渦輪葉片表面法相近似的問題基于葉隼等特征較明顯的部分進行二次加權配準，提高了精配準的準確性；

40、2、本發(fā)明基于中弧線特征分析的葉片收縮變形，傳統(tǒng)的葉片變形解耦方法將變形分解為彎曲、扭轉與非均勻收縮，但無法完全對其進行補償，本方法通過非剛性配準使中弧線形狀與特征更相近，避免了傳統(tǒng)剛性配準存在的局部收斂問題，為后續(xù)的映射補償更好地提供了理論依據(jù)，基于仿射不變形特征提供了較好的變形適應性，提高了切片輪廓整體的配準精度與魯棒性。

41、3、本發(fā)明在參數(shù)化特征上構造對應點進行非剛性配準。由于存在一定變形，切片輪廓的前緣并非標準圓形，因此難以確定中弧線起止點，相較于基于點對特征計算非剛性變換矩陣，構造出的對應點可以使優(yōu)化目標在理想變形的情形下更接近于零，且不受到點云的均勻度影響，并基于誤差間的差值作為截止條件防止過擬合，該方法具有更高的精度與魯棒性。