[发明专利]一种火箭发动机喷管冷却通道线激光在位测量方法

权利要求书

1.一种火箭发动机喷管冷却通道线激光在位测量方法，其特征在于，该方法首先将线激光传感器集成在工业机器人的末端，并采用基于标准球的手眼标定方法求解出线激光传感器与工业机器人的位置关系；然后，结合喷管理论廓形以及传感器量程规划线激光传感器的扫描路径，并由工业机器人带动线激光传感器获取火箭发动机喷管的外轮廓数据；其次，针对线激光传感器获取的喷管外轮廓数据，采用基于sigmoid函数拟合的算法来精确获取边缘特征点；最后，结合边缘位置信息计算出喷管冷却通道的筋宽、槽深以及喷管壁厚的尺寸；具体步骤如下：

第一步：线激光传感器的装夹与位置标定

(1)将线激光传感器装夹在工业机器人末端

将线激光传感器(3)通过线激光传感器夹具(2)集成到工业机器人(1)的末端；

(2)对线激光传感器进行标定

采用手眼标定方法，以标准球作为标靶，依据不同测量姿态下球心在工业机器人坐标系中的坐标恒定，建立包含手眼标定矩阵的方程组；采用4元数法表示手眼标定矩阵中的旋转矩阵，结合建立的方程组，解算出手眼标定矩阵中的未知量，获得线激光传感器与夹具坐标系之间的转换矩阵C，进而获得线激光传感器坐标系与工业机器人坐标系之间的转换矩阵D，通过转换矩阵D解算出线激光传感器坐标系相对于工业机器人坐标系的三个偏角，并通过工业机器人调整角度完成线激光传感器的标定；

第二步：线激光传感器扫描路径规划

采取线激光传感器沿喷管通道上筋轴截面的母线方向扫描与工件转动相结合的测量方式完成喷管外轮廓的测量：线激光传感器自喷管顶端沿喷管外表面筋轴截面的母线方向，并与母线保持一定距离，向下扫描；完成一条筋的扫描测量之后，线激光传感器返回至喷管顶端，工件旋转一定角度，线激光传感器继续进行下一条筋的测量；反复进行直至完成喷管完整廓形的测量，扫描路径M表示为：

M＝{M_i,i∈[1,m₁]} (1)

式中，M_i为第i条线激光传感器扫描路径，m₁为扫描路径总条数；

由工业机器人夹持线激光传感器沿扫描路径M进行扫描测量；

线激光传感器扫描路径M_i由以下几步得出：首先，获取喷管上筋的轴截面轮廓线，设置点间隔，获取其上离散点，并求出每个点的法线信息；然后，结合线激光传感器纵向量程设置传感器到上述离散点的距离，即保证筋的顶端与槽底部均在线激光传感器的量程之内；最后，根据离散点的法线信息得出线激光传感器在测量过程中的转角信息，以保证线激光面与离散点的法线方向一致；

扫描路径的总条数m₁由线激光传感器的横向量程以及喷管通道的尺寸来决定，即相邻扫描路径获得的点云之间应有重叠以保证能获得喷管外轮廓完整形貌数据，同时，每条扫描路径获得的点云包含一条筋的完整廓形，方便后续算法的处理；

第三步：喷管冷却通道的边缘特征点提取

针对线激光传感器在喷管任一位置处获得的二维点云数据W，计算该位置处的边缘信息：

(1)采用双边滤波算法对二维点云数据W进行滤波得W₁；由W₁的梯度信息初步获取边缘点的位置，点云梯度由一维卷积阵列G作卷积运算获得，

G＝[-2 -1 0 1 2] (2)

卷积结果中数值最大和最小所对应的两个点即为初步提取到的边缘点，记为q₁、q₂；

(2)精确获取边缘点位置信息

设置窗口半径，以初步获取的边缘点q₁和q₂为中心点，设置K邻域半径，分别提取其邻域点集Q₁、Q₂；

采用sigmoid函数分别拟合点集Q₁、Q₂，sigmoid函数表达式为：

式中，s₁为待拟合点的最大值与最小值的差值；s₂为sigmoid函数在x轴上的偏移，即待拟合点的第一个点与最后一个点的横坐标差值；s₃表示边缘的倾斜程度，其值越小，边缘越陡峭；s₄为sigmoid函数在y轴上的偏移；

采用最速下降法，设置迭代次数以及迭代精度，获得最优拟合结果；对拟合后的函数求一阶导数，并令其等于零，所对应的点即为精确获得的边缘点p₁(x_a,z_a)和p₂(x_b,z_b)；

第四步：喷管冷却通道关键尺寸计算

喷管冷却通道筋的宽度尺寸由两个边缘点横坐标之差表示：

gap＝|x_a-x_b| (4)

式中，gap为筋宽的尺寸，x_a、x_b为边缘点的横坐标；

由边缘点将点云W₁分成两部分，即槽底端的点集Q₃和筋顶端的点集Q₄；采用最小二乘法对点集Q₃进行直线拟合，获得直线方程l；计算点集Q₄中所有点到直线l的距离并求平均，该平均值即为槽深的尺寸d：

式中，L(x_l,y_l)为点集Q₄中的点(x_l,y_l)到直线l的距离，m₂为点集Q₄中点的数目；

喷管壁厚δ采用加工前喷管壁厚减去槽深获得：

δ＝T-d (6)

式中，T为冷却通道加工之前喷管壁厚的尺寸。