本发明公开了一种整体叶环五轴加工原位测量方法，属于航空叶片类零件加工测量领域。该方法根据叶面曲率合理选取测量点云密度，根据各测量点位置的无干涉的测量空间，对于每个测量点生成合适的测量路径，并优化全局测量路径，实现复杂结构的高效高精度在线测量。通过对叶环进行原位测量，避免了重复拆卸安装导致的效率降低和精度损失，并能针对不同特征的公差要求，通过误差分离得到位置误差和形貌误差等参数，为进一步修正刀路轨迹，优化加工参数提供更明确的指导方向。
1.一种整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)导入整体叶环的CAD模型，设定测头参数，建立工件坐标系，并设定工作偏置；
(2)选取待测叶片曲面，根据叶面曲率设置测量点间距，通过扫描方式生成测量点；
(3)计算各测量点的无干涉的测量空间，对于每个测量点生成无干涉测量路径，并优化全局测量路径；
(4)对优化的全局测量路径进行后处理，生成CNC代码文件，并导入数控系统，控制测头进行叶环的测量；
(5)提取叶环测量数据，和理论模型对比，得到绝对误差，并实行误差分离，得出各个位置的壁厚误差和形状误差；具体包括：根据建立的工件坐标系，结合整体叶环的CAD模型，将实测点云和理论点云转换到同一坐标系下对比，计算对应点的最大绝对偏差；
对点云数据进行平移和旋转的坐标变换[x′i y′i z′i 1]＝T·Rx·Ry·Rz·[xi yi zi T
1] ，使得实测模型和理论模型的重心重合，从而分离误差，分别计算得出形貌误差和每个叶片的位置误差；
上述平移变换矩阵T和旋转变换矩阵Rx·Ry·Rz分别为：其中tx,ty,tz为坐标系原点的偏差，θx,θy,θz分别为绕x轴y轴和z轴的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：
导入整体叶环的CAD模型文件至PC‑DMIS软件中，建立工件坐标系的Z轴为叶环中心轴方向，X轴指向叶环基准点位置，Y轴由右手法则规定，在数控系统中建立和CAD模型中相同坐标系，并根据工件实际装夹方向对刀和设置偏置；
导入测头的配置文件，并设定测头的移动速度、逼近距离、探测距离、回退距离以及安全平面。
3.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：
规定选取的曲面法向，和每个待测曲面的U、V方向，U方向为叶缘方向，V方向与U方向正交，根据设置的测量点最大转角 和最大距离lm以及叶面上各位置的曲率，分别设置在两个方向上的测量点数量和测量范围，其中测量范围M∈[0,1]，使得任意两相邻测量点间的距离不大于lm和法矢夹角不大于
4.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
根据整体叶环及测头的几何关系，计算每个测量点位的无干涉可行域空间S(xf,yf,zf,if,jf,kf)，其中(xf,yf,zf)为测头坐标，(if,jf,kf)为测头方向矢量，调整各个测量点法矢方向的逼近距离、探测距离、回退距离以满足无干涉条件；
计算所有测量点位的测量路径，依次连接得到全局测量路径，优化全局测量路径，在避免干涉的情况下使得全局测量路径最短。
5.根据权利要求1所述的整体叶环五轴加工原位测量方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：
在PC‑DMIS软件中生成全局测量路径，并进行碰撞测试，无误后生成CNC代码文件，传输至数控系统，进行叶环的原位测量并回传测量结果。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1至5任一项所述的方法的步骤。
一种整体叶环五轴加工原位测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于航空叶片类零件加工测量领域，更具体地，涉及一种整体叶环五轴加工原位测量方法。
背景技术
[0002] 为提高航空发动机推重比，减轻发动机结构质量，提高可靠性和效率，采用整体叶环叶盘代替常规叶盘是目前国内外主要的发展趋势。由于整体叶环结构复杂紧凑，流道狭
窄，测量时易发生干涉，导致检测难度大。目前的常规手段是利用三坐标测量机离线测量，
需要重复拆装工件，多次对刀，导致加工效率低，精度不高，且大大增加了操作人员的工作
量，延长了生产时间。或是采用人工在机床上进行在线的单点检测，但只能反映单点误差，
难以对整个叶环的误差分布进行估计，且需要反复判断干涉条件，调整测量点位，操作复杂
且效率不高。
发明内容
[0003] 针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种整体叶环的原位测量方法，其目的在于提高叶环的检测效率和检测精度，由此解决上述背景中提到的技术问题。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了一种整体叶环五轴加工原位测量方法，包括以下步骤：
[0005] (1)导入整体叶环的CAD模型，设定测头参数，建立工件坐标系，并设定工作偏置；
[0006] (2)选取待测叶片曲面，根据叶面曲率设置测量点间距，通过扫描方式生成测量点；
[0007] (3)计算各测量点位置的无干涉的测量空间，对于每个测量点生成合适的测量路径，并优化全局测量路径；
[0008] (4)对优化的全局测量路径进行后处理，生成CNC代码文件，并导入数控系统，控制测头进行叶环的测量。
[0009] (5)提取叶环测量数据，和理论模型对比，得到绝对误差，并实行误差分离，得出各个位置的壁厚误差和形状误差等信息。
[0010] 优选的，所述步骤(1)具体包括：
[0011] 导入整体叶环的CAD模型文件至PC‑DMIS软件中，建立工件坐标系的Z轴为叶环中心轴方向，X轴指向叶环基准点位置，Y轴由右手法则规定，在数控系统中建立和CAD模型中
相同坐标系，并根据工件实际装夹方向对刀和设置偏置；
[0012] 导入测头的配置文件，并设定测头的移动速度、逼近距离、探测距离、回退距离以及安全平面。
[0013] 优选地，所述步骤(2)具体包括：
[0014] 规定选取的曲面法向，和每个待测曲面的U、V方向，U方向为叶缘方向，V方向与U方向正交，根据设置的测量点最大转角 和最大距离lm以及叶面上各位置的曲率，分别设置
在两个方向上的测量点数量和测量范围，其中测量范围M∈[0,1]，使得任意两相邻测量点
间的距离不大于lm和法矢夹角不大于
[0015] 优选地，所述步骤(3)具体包括：
[0016] 根据整体叶环及测头的几何关系，计算每个测量点位的无干涉可行域空间S(xf,yf,zf,if,jf,kf)，其中(xf,yf,zf)为测头坐标，(if,jf,kf)为测头方向矢量，调整各个测量点
法矢方向的逼近距离、探测距离、回退距离，根据可行域规划测头移动路径和姿态，以满足
无干涉条件；
[0017] 计算所有测量点位的测量路径，依次连接得到全局测量路径，优化全局测量路径，在避免干涉的情况下使得全局路径最短。
[0018] 优选地，所述步骤(4)具体包括：
[0019] 在PC‑DMIS软件中生成全局测量路径，并进行碰撞测试，无误后生成CNC代码文件，传输至数控系统，进行叶环的原位测量并回传测量结果。
[0020] 优选地，所述步骤(5)具体包括：
[0021] 根据建立的工件坐标系，结合整体叶环的CAD模型，将实测点云和理论点云转换到同一坐标系下对比，计算对应点的最大绝对偏差。
[0022] 对点云数据进行平移和旋转的坐标变换，使得实测模型和理论模型的重心重合，从而分离误差，分别计算得出形貌误差和每个叶片的位置误差。
[0023] 本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述方法的步
骤。
[0024] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，实现了整体叶环的原位测量，考虑测头无干涉条件下的测量路径规划，能够尽可能扩大测量范围，提高了检
测范围和检测效率，提供更全面的测量结果，避免了离线测量重复拆卸安装导致的效率降
低和精度损失。针对不同特征要求下的不同公差要求，通过误差分离能分别得到所测曲面
的位置误差和形貌误差等参数，为工艺员进一步修正刀路轨迹，优化加工参数提供更明确
的指导方向。
附图说明
[0025] 图1是本发明的整体叶环原位测量方法流程图；
[0026] 图2是本发明的叶面测量点分布示意图；
[0027] 图3是本发明的测头无干涉路径空间计算示意图；
[0028] 图4是本发明的测量路径规划及碰撞检测示意图；
[0029] 图5是本发明的具体实例测量结果。
具体实施方式
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼
此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031] 本发明提供了一种整体叶环五轴加工原位测量方法，包括以下步骤：
[0032] (1)导入整体叶环的CAD模型，设定测头参数，建立工件坐标系，并设定工作偏置；
[0033] (2)选取待测叶片曲面，根据叶面曲率设置测量点间距，通过扫描方式生成测量点；
[0034] (3)计算各测量点位置的无干涉的测量空间，对于每个测量点生成合适的测量路径，并优化全局测量路径；
[0035] (4)对优化的全局测量路径进行后处理，生成CNC代码文件，并导入数控系统，控制测头进行叶环的测量。
[0036] (5)提取叶环测量数据，和理论模型对比，得到绝对误差，并实行误差分离，得出各个位置的壁厚误差和形状误差等信息。
[0037] 优选的，所述步骤(1)具体包括：
[0038] 导入整体叶环的CAD模型文件至PC‑DMIS软件中，建立工件坐标系的Z轴为叶环中心轴方向，X轴指向叶环基准点位置，Y轴由右手法则规定，在数控系统中建立和CAD模型中
相同坐标系，并根据工件实际装夹方向对刀和设置偏置；
[0039] 导入测头的配置文件，并设定测头的移动速度、逼近距离、探测距离、回退距离以及安全平面。
[0040] 优选地，所述步骤(2)具体包括：
[0041] 规定选取的曲面法向，和每个待测曲面的U、V方向，U方向为叶缘方向，V方向与U方向正交，根据设置的测量点最大转角 和最大距离lm以及叶面上各位置的曲率，分别设置
在两个方向上的测量点数量和测量范围，其中测量范围M∈[0,1]，使得任意两相邻测量点
间的距离不大于lm和法矢夹角不大于
[0042] 优选地，所述步骤(3)具体包括：
[0043] 根据整体叶环及测头的几何关系，计算每个测量点位的无干涉可行域空间S(xf,yf,zf,if,jf,kf)，其中(xf,yf,zf)为测头坐标，(if,jf,kf)为测头方向矢量，调整各个测量点
法矢方向的逼近距离、探测距离、回退距离，根据可行域规划测头移动路径和姿态，以满足
无干涉条件；
[0044] 计算所有测量点位的测量路径，依次连接得到全局测量路径，优化全局测量路径，在避免干涉的情况下使得全局路径最短。
[0045] 优选地，所述步骤(4)具体包括：
[0046] 在PC‑DMIS软件中生成全局测量路径，并进行碰撞测试，无误后生成CNC代码文件，传输至数控系统，进行叶环的原位测量并回传测量结果。
[0047] 优选地，所述步骤(5)具体包括：
[0048] 根据建立的工件坐标系，结合整体叶环的CAD模型，将实测点云和理论点云转换到同一坐标系下对比，计算对应点的最大绝对偏差。
[0049] 对点云数据进行平移和旋转的坐标变换，使得实测模型和理论模型的重心重合，从而分离误差，分别计算得出形貌误差和每个叶片的位置误差。
[0050] 实施例
[0051] 本实施例提出一种整体叶环五轴加工原位测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0052] (1)导入igs、step或stl格式的整体叶环的CAD模型文件至PC‑DMIS软件中，工件坐标系的Z轴为叶环中心轴方向，X轴指向叶环基准点位置，Y轴由右手法则规定，在机床数控
系统中对叶环零件找正后根据基准点建立和CAD模型中相同坐标系，并设置测头偏置。
[0053] (2)如图2所示，选取需要检测的叶面曲面，法向垂直曲面向外，规定每个待测曲面的U、V方向，U方向为叶缘方向，V方向与U方向正交，根据设置的相邻测量点间的最大转角和
最大距离要求，以及叶面上各位置的曲率，通过扫面方式生成测量点，U方向测量点数量设
置为12，测量范围U∈[0.01,0.8]，V方向测量点数量为6，测量范围V∈[0.1,0.9]，设置测量
范围是为了避免测头和叶环内外侧发生干涉。
[0054] (3)如图3‑图4所示，根据整体叶环及测头的几何模型，计算每个测量点位附近的无干涉可行域空间S(xf,yf,zf,if,jf,kf)，其中(xf,yf,zf)为测头坐标，(if,jf,kf)为测头方
向矢量，本实例中每个叶面U方向上每列测量点只需共同计算一次。调整各个测量点法矢方
向的逼近距离、探测距离、回退距离，根据可行域对每列测量点均需要重新规划测头从安全
平面移动至测量点附近的路径和姿态，并进行干涉检查判断路径是否满足无干涉条件，重
复以上步骤以完成所有测量点的路径规划。在PC‑DMIS软件中生成全局测量路径，并进行碰
撞测试，若无法通过测试则需要重新调整参数或测量范围，重新执行步骤(2)至步骤(3)。
[0055] (4)确定测量路径后在PC‑DMIS软件中创建CNC代码文件，通过nc server软件传输至数控系统，开始叶环的自动测量并回传测量结果。
[0056] (5)如图5所示，由测量数据生成测量点云，将实测点云和理论点云置于步骤(1)中同一坐标系下，计算实测点和对应理论点坐标的绝对误差 并通过迭
代优化算法经由平移变换和旋转变换，使得实测点云的重心与模型点云一致，得到实测点
T T
云转换后的坐标[xi′ yi′ zi′ 1]＝T·Rx·Ry·Rz·[xi yi zi 1] ，从而可以估计得到各
个位置的壁厚误差 通过对点云进行曲面拟合还可以得到形状误差。
[0057] 上述平移变换矩阵T和旋转变换矩阵RxRyRz分别为：
[0058]
[0059]
[0060] 其中tx,ty,tz为坐标系原点的偏差，θx,θy,θz分别为绕x轴y轴和z轴的旋转角度。
[0061] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。
