专利名称：一种用于确定叶片加工弯曲度误差的方法
技术领域：
本发明属于叶片加工技术领域，更具体地，涉及一种用于确定叶片的加工弯曲度误差的方法。
背景技术：
叶片在航空(如飞机发动机的整体叶轮)、核电(如汽轮机叶片)、舰船(如大型螺旋桨桨叶)等关系国计民生的行业中被广泛应用。叶片型面一般为复杂曲面，加工工序比较复杂，其型面品质对发动机的性能起着决定性的影响，享有航空发动机、汽轮机的“心脏“的美誉。叶片作为复杂曲面类零部件的一种典型的代表，其设计和制造技术代表国家制造业的核心竞争力，事关国民经济建设、社会发展和国防安全。
由于叶片这一类零件具有强扭曲、薄壁件、易变形、低损伤等技术特点，如何快速高效地检测其多轴数控加工质量一直是先进制造领域的前沿难点问题。尤其因为叶片型面是三维复杂曲面，描述的参数众多，精度要求高，从叶顶到叶根每个截面的型线都不相同，所以叶片型面测量是叶片测量中的难点。目前，国内外主要采用人工卡板测量法和三坐标测量机(CMM)测量法来对叶片型面进行检测。这两种方法都是离线式检测方法，对毛坯、半成品、矫正件和成品进行检测，其测量速度慢、信息量少、人为误差大且存在过多不可测区域，极大地影响了叶片检测效率。随着光学测量技术的发展，采用非对称结构克服了表面反光问题，使得非接触式测量精度高达P m级、测速超过万点/秒。采用激光扫描仪、结构光测量仪等非接触式测量设备进行叶片型面的检测，可以克服传统人工卡板测量法和CMM测量法的不足，并且可以实现叶片型面的在机检测，因而正成为叶片类复杂曲面型面精密检测的重要手段。然而，受夹具-刀具等障碍物和机床内部测量空间狭小等因素限制，光学传感器与测量目标相距较远。非接触式测量是以二维图像为输入，应用立体视觉、相位轮廓术等计算第三维坐标值，受测量距离限制，直接采集的反映叶片表面性状的点云同设计曲面在三维坐标下可能存在不同的尺度形变。此外，从目前叶片生产厂家的测量方式来看，大都偏重于叶片型线误差的检测，忽略了叶片在加工过程中的加工弯曲度误差的分析，而叶片的加工弯曲度对流经叶片的气体的流动状况等方面有重要影响。因此，在对叶片型面加工质量进行分析评估的过程中，有必要构思新的便于操作的方法，来更为准确地获取叶片在加工过程中的弯曲度误差结果。
发明内容
针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种用于确定叶片加工过程中的弯曲度误差的方法，该方法可以快速、准确、稳定地测量叶片在加工过程中所产生的弯曲度误差，并将所测得的叶片型面弯曲度误差结果作为评价叶片加工质量好坏的重要指标，相应地，对满足叶片加工的“加工-测量” 一体化过程具备重要意义。按照本发明，提供了一种用于确定叶片加工弯曲度误差的方法，该方法包括
(I)为待测量的叶片建模，对该叶片测量模型依次截取η个截面并获取各个截面的形心OcdUcd, yci, zj，然后将所述η个截面中位于第一和最后的截面的形心OcaUca,Yd. Zcl) >0cn(xcn, ycn, Zcn)相连，由此获得方向向量为 Sc^Xm-Xcl, ycn-ycl, zcn-zcl)的直线 L。，其中Xei, yci, zci分别表示第i个截面的形心在模型坐标系中的x、y、z坐标值，i=l, 2，…，n ;(2)对作为比较基准的叶片设计模型同样依次截取η个截面并获取各个截面的形心Osi (xsi, ysi, zsi),然后将所述η个截面中位于第一和最后的截面的形心Osl (xsl, ysl, zsl)、Osn(xsn，ysn，zsn)相连，由此获得方向向量为 Ss(xsn-xsl，ysn-ysl, zsn-zsl)的直线 Ls,其中 xsi,ysi，zsi分别表示第i个截面的形心在模型坐标系中的x、y、z坐标值，i=l, 2，…，n ;(3)对待测量叶片的所述η个截面分别计算其形心与所述直线L。之间的距离dci= I ScXScil I / I S。I，其中S。表示所述直线L。的方向向量，Scdl表示将第i个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量，并对叶片设计模型的所述多个截面分别计算其形心与所述直线Ls之间的距离dsi= I SsXSsil I / I Ss I，其中Ss表示所述直线Ls的方向向量， Ssil表示将第i个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量；(4)利用步骤(3)所计算出的dwcU，相应计算得出待测量叶片的各个截面的弯曲度误差dfcU-cU，由此确定叶片在加工过程中的弯曲度误差。通过以上构思，由于将待测量叶片的多个截面的形心作为评判弯曲度误差的参考指标，图形形心能够准确地反映出各个截面的图形特性，并且形心的获取相对而言比较稳定且易于执行，因此按照本发明的方法能够更为快速、准确地用于确定叶片的加工弯曲度误差。此外，由于对整体的流程而言，通过采用了离散分布的点数据来计算弯曲度误差，与经过曲面拟合后再计算弯曲度误差的方式相比，能够在减少计算步骤的同时保证最终测量结果的精确性。作为进一步优选地，所述对叶片测量模型和叶片设计模型分别获取其各个截面的形心的过程包括(i)获得所述截面的点云，并按照逆时针排序方式提取凸包；(ii)将所述截面分割成m个呈现为三角形的基本图形，并根据这些基本图形的形心及面积来相应计算出截面的初始形心，其具体操作为从所提取的凸包中取其一点作为所有三角形的固定点，然后按照逆时针方向依次取随后相邻的两点作为构成三角形的另外两点，由此获得多个三角形；对这些三角形分别计算其形心及面积，并按照下列公式求出截 面的初始形心坐标
权利要求
1.一种用于确定叶片加工弯曲度误差的方法，该方法包括 (1)为待测量的叶片建模，对该叶片测量模型依次截取n个截面并获取各个截面的形心Oei (xei, yci, ZcJ ,然后将所述n个截面中位于第一和最后的截面的形心OelUel, ycl, zcl) >Ocn(xcn, ycn, zcn)相连，由此获得方向向量为 Sc^Xm-Xca, ycn-ycl, zcn-zcl)的直线 L。，其中 xci，lci，zci分别表示第i个截面的形心在模型坐标系中的x、y、z坐标值，i=l, 2，…，n ; (2)对作为比较基准的叶片设计模型同样依次截取n个截面并获取各个截面的形心Osi (xsi, ysi, zsi),然后将所述n个截面中位于第一和最后的截面的形心Osl (xsl, ysl, zsl)、Osn(xsn, ysn, z J 相连，由此获得方向向量为 Ss(xsn-xsl，ysn-ysl, zsn-zsl)的直线 Ls,其中 xsi,ysi，zsi分别表示第i个截面的形心在模型坐标系中的x、y、z坐标值，i=l, 2，…，n ; (3)对待测量叶片的所述n个截面分别计算其形心与所述直线L。之间的距离dci= I ScXScil I / I S。I，其中S。表示所述直线L。的方向向量，Scdl表示将第i个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量，并对叶片设计模型的所述多个截面分别计算其形心与所述直线Ls之间的距离dsi= I SsXSsil I / I Ss I，其中Ss表示所述直线Ls的方向向量，Ssil表示将第i个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量； (4)利用步骤(3)所计算出的Clc^dsi,相应计算得出待测量叶片的各个截面的弯曲度误差decU-cU，由此确定叶片在加工过程中的弯曲度误差。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述对叶片测量模型和叶片设计模型分别获取其各个截面的形心的过程包括 (i)获得所述截面的点云，并按照逆时针排序方式提取凸包； (ii)将所述截面分割成m个呈现为三角形的基本图形，并根据这些基本图形的形心及面积来相应计算出截面的初始形心，其具体操作为从所提取的凸包中取其一点作为所有三角形的固定点，然后按照逆时针方向依次取随后相邻的两点作为构成三角形的另外两点，由此获得多个三角形；对这些三角形分别计算其形心及面积，并按照下列公式求出截面 mm ji XA V的初始形心坐标(X1, Y1) x 二合r J，y =合j^其中X、Y分别表示截面形 AAj'=i心的X坐标值和y坐标值，Xj., Yj分别表示第j个三角形形心的X坐标值和y坐标值，Aj表示第j个三角形的面积，j=l, 2，…，m, A表示所述m个三角形的面积之和； (iii)将步骤(i)所获得的截面点云减去所述凸包，然后加上所述凸包上距离最大的两点由此构成新的点集，对该新的点集重复执行步骤(ii)中获得多个三角形并根据这些三角形共同求出形心的操作，由此相应获得新的形心坐标(X2，Y2)； (iv)通过下列表达式求出最终确定的截面形心坐标(XyYc)A=A1X1-A2X2,Yc=A1Y1-A2Y2,其中A1、A2分别表示在步骤(i i )和(i i i )中所计算出的三角形面积之和，X1、X2和Y1、Y2分别表示在步骤(ii)和(iii)中所计算出的形心的X坐标值和y坐标值。
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，分别为待测量叶片和叶片设计模型所截取的多个截面包括叶片根部的截面和叶片顶部的截面。
4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述叶片譬如为工业发动机用叶片。
5.一种用于改善叶片加工质量的方法，该方法包括按照如权利要求1-4任意一项所述的方法而获得的加工弯曲度误差，来相应调整叶片加工过程中的加工参数，由此完成对叶 片加工质量的改善过程。
全文摘要
本发明公开了一种用于确定叶片加工过程中的弯曲度误差的方法，包括为待测量的叶片获取其多个截面的形心，并将位于第一和最后的截面的形心相连以获得直线Lc；对叶片设计模型同样获取其多个截面的形心，并将位于第一和最后的截面的形心相连以获得直线Ls；对叶片测量模型、叶片设计模型的多个截面分别计算其形心与直线Lc、Ls之间的距离dci、dsi；相应计算得出待测量叶片的各个截面的弯曲度误差di＝dci-dsi。本发明还公开了相应地用于准确获取截面形心的改进方式。按照本发明，可以快速、准确、稳定地测量叶片在加工过程中所产生的弯曲度误差，并能将所测得的型面扭曲度误差结果作为评价叶片加工质量的指标，相应改善叶片加工质量。
文档编号B21C51/00GK102728658SQ20121018670
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者吴谋虎, 尹周平, 李文龙, 熊有伦 申请人:华中科技大学