面向航空发动机缺损叶片自动焊接修复的三维测量与重构系统关键技术和方法研究

In order to achieve automatic welding repair of aero engine defected vanes, realize planning of welding torch path and process parameters, without original model and standard vane, it is necessary to get the defect models accurately. And research on 3d measurement and reconstruction for the defect models has important practical values. First, research on 3d measurement of defected vanes based on uneven fringe projection and optimum frequency selection will be done, in order to improve accuracy in depth direction, reduce uncertainty, simplify system calibration and solve the measurement problem of big gradient surfaces. Second, point clouds pre-procession based on vanes detection and repair, vane shape automatic analysis and detection algorithm, automatic position for the defected part will also be studied. Then, the efficiency of defected vane surface reconstruction and welding process planning will be improved. Finally, algorithms about surface reconstruction, characteristics identification, restoration, and surface smoothing will be studied..The purpose of this program is to realize the domestic repair of vanes, through research on 3d measurement and reconstruction technology suitable for aero engine defected vane automatic welding repair. Meet the requirements of precision automatic welding technology and airworthiness standards.

为了在没有叶片原始设计模型也没有叶片标准件的客观条件下，进行航空发动机缺损叶片精确的自动焊接修复，实现焊枪路径及工艺参数规划，必须准确获取其缺失部位的三维模型，研究适于缺损叶片的三维测量和缺失部分的重构技术具有重要的实用价值。首先，研究基于非均匀条纹投影和最佳条纹个数选择的损伤叶片三维测量方法，以提高深度方向的测量精度、减少测量不确定性、简化系统的标定、解决大梯度非连续物体表面形状的测量。其次，研究针对叶片检测和修复的点云预处理技术、叶片形状自动分析与检测算法，对叶片的缺损区域进行自动定位，以提高缺损叶片曲面重构以及焊接工艺规划的效率。最后，研究适用于叶片修复的缺损部位曲面重构算法及其中涉及到的特征识别与恢复、曲线曲面光顺等算法。.该项目的目的是通过研究适于航空发动机叶片自动焊接修复的三维测量与重构技术，以满足精密自动化焊接工艺和适航标准的要求，实现叶片的国内修复。

在无法获取叶片原始设计模型以及叶片标准件的客观条件下，进行航空发动机缺损叶片精确的自动焊接修复，实现焊枪路径及工艺参数规划，必须准确获取其缺失部位的三维模型。因此，研究适用于缺损叶片的三维测量和缺失部分的重构技术具有重要的实用价值。.1）缺损叶片三维测量技术的研究。根据适航标准选出可修复叶片，采用非均匀条纹投影法对叶片进行三维测量，提出了纵向分段非均匀正弦条纹生成算法，使得非均匀条纹像素-相位之间满足分段非线性关系；提出了一种适用于非均匀条纹的二值时空编码相位展开法，解除了现有双频非均匀条纹相位展开法对投影条纹频率的限制；利用多项式拟合法对测量系统进行标定；提出了一种基于阶跃图像的伽马校正方法，能够快速可靠地求解系统伽马以校正相位。2）适用于叶片三维测量数据的预处理研究。提出了基于点云增强的改进ICP算法拼接技术，提高了叶片点云拼接效率；提出了一种各向异性扩散滤波的散乱点云光顺方法，获得了高精度的叶片三维点云模型；提出了基于曲率精简法和包围盒法相结合的点云精简算法，实现海量无规则叶片三维点云的保特征精简。3）缺损叶片测量数据的分类理论和方法研究。提出了基于Otsu阈值法的点云数据分类方法和基于最小二乘的边界拟合方法，得到高精度边界点云数据，拟合出曲面延展边界。4）缺损叶片缺失部分曲面模型重构及其理论方法。通过定量研究两曲线的相似性，提出了适合缺损叶片修复的曲线相似性度量方法；提出了基于和参考曲线相似性的B样条曲线延拓算法，使曲线延拓部分的形状更好地反映原截面线的变化趋势；提出了基于对参考曲线做仿射变换的曲线延拓方法，实现了叶片缺损部位的重构。.该研究适用于航空发动机叶片等具有空间自由曲面部件缺损部位的三维测量与重构，满足适航标准要求，为实现自动化焊接修复奠定了基础。发表EI论文7篇，录用3篇(EI源1篇)；申请国家发明专利7项，已授权1项；培养8名硕士研究生，在读博、硕士研究生4名。

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