一种测量整体叶盘的方法与流程

本发明属于整体叶盘测量领域，更具体地，涉及一种测量整体叶盘的方法。

背景技术：

整体叶盘广泛的应用在航空航天领域，是航空发动机中不可或缺的一部分。整体叶盘的加工质量对航空发动机的性能与寿命有着非常大的影响，所以整体叶盘的测量是加工完成后的一个重要环节，整体叶盘的工作部位为整体叶盘上的叶片，所以测量的部位也是整体叶盘叶片。整体叶盘叶片型面为复杂自由曲面，叶片之间的空间狭小，叶片底部扭曲度大，这些物理几何上的特性对叶片的测量造成了很大的困难。

测量方法按照测量方式可以分为接触式的和非接触式。非接触式的包括光学测量，机器视觉等，但是由于整体叶盘的结构特点，非接触测量方法极易产生光线上的碰撞，测量部分被非测量部分遮挡，所以对于整体叶盘的测量非接触式测量方法是不适用的；接触式测量方法又可以分为两种逐点式测量和扫描式测量，扫描式测量控制复杂；逐点式测量是一种比较传统的测量方式，对于整体叶盘来说，由于叶片型面为复杂自由曲面，三轴坐标测量仪不能到达叶片上的所有区域；叶片测量中要避免发生碰撞现象，处理防碰撞问题一个常用的方法是计算测量点的可视锥范围，目前，有学者和工程师提出为了达到无碰撞测量的目的，根据测量点的几何信息和整体叶盘叶片之间的几何特性来计算测量时不会发生碰撞的角度范围，但这种方法计算角度困难，且效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测量整体叶盘的方法，通过将整体叶盘进行三角剖分形成三角网格，对三角网格的顶点进行测量，由此解决整体叶盘无碰撞测量和测量时间长的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种测量整体叶盘的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)测量点采样

将待测量的整体叶盘分割为彼此相邻的多个网格，网格的顶点被设定作为测量点，同时将所有的测量点形点集c；

(b)计算单个测量点的三维可视锥角度范围

(b1)从所述点集c中任选一个测量点p，采用n个平面通过所述测量点p，使得该n个平面与整体叶盘相交形成n个二维截面，针对所述测量点p自身所在的二维截面e和与该二维截面e相邻的二维截面f，将两者各自的外轮廓线分别离散成多个离散点；然后将这些离散点与所述测量点p分别连接形成向量并获取其对应的边界向量，并且所述二维截面e的边界向量采用p1和p2来表示，而所述二维截面f的边界向量分别采用p3和p4来表示；

(b2)所述边界向量p1与p3形成的锐角区域为[r1,r3]，所述边界向量p2与p4形成锐角区域为[r2,r4]，由此得到所述二维截面e、f的无干涉测量区域为[r1,r3]∪[r2，r4]，然后将所述r1，r2，r3，r4分别取整后，将此无干涉测量区域转换为360*1的一维矩阵，其中，r1～r3和r2～r4行的值取1，其他行的值取0；

(b3)按照步骤(b3)的方式，针对上述n个二维截面共生成n个所述360*1的一维矩阵，并将这n个一维矩阵合并得到360*n的二维矩阵，该矩阵即为所述测量点p的三维可视锥角度范围矩阵a，重复步骤(b2)～(b4),直至所述点集c中的测量点均得到各自相应的所述三维可视锥角度范围矩阵，所述点集c中各个测量点的所述三维可视锥角度范围矩阵a构成矩阵集合ap；

(c)确定测量方向

(c1)将待确定测量方向的测量点的所述三维可视锥角度范围矩阵a逐一相加得到和矩阵a′，并将该和矩阵a′中最大值所在的行和列为(θ′)，该行和列所代表的向量的方向为需要确定的测量方向

(c2)在待确定测量方向的测量点的所述三维可视锥角度范围矩阵a中，行θ′列取值为1的所述三维可视锥角度范围矩阵对应的测量点的测量方向为所述测量方向

(d)按照所述的测量方向测量相应的测量点，直至完成所述点集c中所有测量点的测量，从而实对整体叶盘的测量。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述网格优选采用三角网格剖分，按照待测量整体叶盘的叶片曲面的弦高误差进行。

进一步优选地，在步骤(b1)中，所述n个平面优选采用180个平面。

进一步优选地，步骤(c2)包括下列步骤：

(i)将行θ′列取值为1的矩阵所对应的测量点集s，将所述点集s划分为多个连通区域，每个所述连通区域中包含qi个相互连接的测量点，并且所述qi的最大值所对应的连通区域为同时该连通区域中包含的测量点对应的测量方向为所述的

(ii)重复步骤(i)，直至所述和矩阵a′中所有元素都得到相应的所述连通区域，对比所述每个元素相应的连通区域包含的测量点数量，得到包含测量点数量最多的连通区域

(iii)在所述点集c中除所述连通区域中包含的测量点外，其余的测量点重复步骤(c1)～步骤(c2)，直至所述点集c中所有测量点均有各自对应的连通区域，由此确定此点集c中所有测量点各自的测量方向。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过采用优化测量方向，不仅实现整体叶盘特定角度的测量，而且运用的较成熟，成本低；

2、本发明通过选取三角网格顶点作为测量点的方法，充分考虑叶片型面的几何特性，曲率大的地方选取的测量点多，曲率小的地方选取的测量点少，实现了整体叶盘所有测量点无碰撞的测量；

3、本发明通过将所述三维可视锥范围转换为球面映射区域，方便的计算出每个测量点的无碰撞测量方向，同时更加简易地表示和储存测量点的三维可视锥角度范围，实现了整体叶盘的无碰撞测量；

4、本发明通过寻找在同一测量方向下最多的测量点的方式，使得整体叶盘叶片的测量时尽量少的转动测头，减少花费在测头调整角度防止碰撞的时间，实现了快速高效的测量。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量方法流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量点的三角网格示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的测量点的三维可视锥转化无球面映射区域的示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的整体叶盘上测量点可视锥的球面映射区域；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的三维空间中通过测量点的平面与整体叶盘相交的示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的单个平面下二维截面的可视锥示意图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的测量点的三维可视锥矩阵；

图8是按照本发明的优选实施例所构建的在某个测量方向下测量点的区域划分。

具体实施方式

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。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量方法流程图,如图1所示，下面结合具体的测量步骤说明本测量方法：

图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量点的三角网格示意图，如图2所示，首先是整体叶盘叶片上测量点的生成，即测量点采样策略的选取。因为测量点采样策略是不会影响后续工作的进行的，所以就以弦高误差作为约束条件，使用gmesh(开源的第三方插件)把叶片进行三角剖分，将得到的三角网格的顶点作为测量点。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的测量点的三维可视锥转化无球面映射区域的示意图，图4是按照本发明的优选实施例所构建的整体叶盘上测量点可视锥的球面映射区域，如图3和4所示，得到测量点之后就可以开始计算测量点的全局可视锥范围，首先是规划180个过工件坐标系z轴的平面，平面的法向其中θ为平面法向与工件坐标系x轴的夹角。θ＝1°,2°,3°,4°.......这样就能生成相邻两者的夹角为1度且都经过工件坐标系z轴的180个平面。再将这180个平面使用开源的opencascade软件分别与待测叶片相邻的前后两个叶片和待测叶片型面进行相交。以一个平面与整体叶盘叶片相交的情况为例，在截面中以测量点所在曲面上的法向和测量点确定局部坐标系。然后再将得到的交线根据弦高误差进行离散。再分别将所有的离散点依次与测量点相连，确定若干向量。图5是按照本发明的优选实施例所构建的三维空间中通过测量点的平面与整体叶盘相交的示意图，图6是按照本发明的优选实施例所构建的单个平面下二维截面的可视锥示意图，如图5和6所示，

1.截面是由待测叶片与平面相交而成

step1:将向量以测量点为分界点将离散点与测量点确定的向量族划分为左右两个区域.

step2:若左右两个子区域都没有向量，则进入step5.否则进入step3

step3:任选左右区域中的一个区域中的向量作为搜索边界向量的起始向量。搜索起始向量区域内夹角最大的两个向量。

step4:以这两个向量中的任意一个向量作为比较向量，搜索出另一区域中的边界向量，若另一区域内没有向量则进入step5

step5：若没有边界向量，则将平面内测量点的两个切向量作为边界向量，若只有一对边界向量，则取该平面中与边界向量夹角大于90°的切向量作为新的一个边界向量，并把之前边界向量中与该切向量夹角较大的一个向量删除。若有两对边界向量，则从每对边界向量中取出一个向量，将夹角最小的两个向量作为新的边界向量。

step6:将边界向量存入向量集合mdir中

2.截面是由与待测叶片相邻的前后叶片与平面相交而成

step1:计算向量族中夹角最大的两个向量

step2:将其存入向量集合bdir中

经过上述处理后得到两个存储向量的集合，接着使用平面分别与待测叶片底边和相邻两个叶片底边相交，若存在交点确定若干以测量点为起始点交点为终点的向量，分别记为bintersectiondirs和mintersectiondirs剔除与测量点法向内积小于0的向量和相应的交点。

(1)若两底边与平面都有交点

删除向量集合bdir和mdir中通过该交点的向量

(2)若只有待测叶片底边与平面有交点

若平面与轮毂面边界有交点，且该交点位于与待测叶片相邻的两个叶片之间则删除向量集合mdir中通过该交点的向量，并且加入轮毂面交点和测量点确定的向量。否则只删除向量集合mdir中通过该交点的向量

(3)若只有相邻叶片底边与平面有交点

删除向量集合bdir中通过该交点的向量

删除相应的向量之后，以工件坐标系z轴作为y轴和工件坐标系原点作为坐标系原点建立一个二维平面坐标系。若两个向量集合bdir和mdir中的元素个数之和为4，则分别从向量集合bdir和mdir中各取一个向量组成两对，使得每对然向量组中向量的夹角为锐角。若两个向量集合bdir和mdir中的元素个数之和为2，则将这两个向量组合成一对。然后依次将每对向量组中向量的角度存入角度集合angles中这样就可以得到一个平面与整体叶盘相交的二维可视锥范围。重复上述处理步骤就可以得到180个平面下的二维可视锥范围，最后再用矩阵存储起来即得到一个测量点的可视锥范围，图7是按照本发明的优选实施例所构建的测量点的三维可视锥矩阵，如图7所示，进而得到所有测量点的可视锥矩阵集合ap。

得到所有测量点的可视锥矩阵之后，便可以根据可视锥矩阵对测量点进行区域划分。

(1)将集合ap中所有的矩阵元素进行相加得到新的矩阵a′,

(2)找出矩阵中值最大的元素所在的行和列θ′，并在工件坐标系中以和θ′确定方向di，将的值置为0

(3)找出整体叶盘测量点中在方向di下能无碰撞的进行测量的测量点的集合s

(4)预处理，建立点集s中点的最小距离矩阵。记点集s中的点为pj(j＝1,2,3..)，根据三角网格的拓扑关系，建立一个二维的最小距离矩阵，其中相邻点的距离令为1，自身的距离为0，非相邻点的距离设为∞

(5)根据最小距离矩阵，将集合s分为两个子集.与第一个点p1距离等于1的点组成一个子集s1，集合s中其他点组成子集s2。

(6)重复(5)，检查子集s2是否还有点与s1中除点p1以外的点的距离为1。若存在，则将该点存入子集中并从子集s2中剔除。将形成的新集合记为。将集合中元素的个数记为c1

(7)将子集s2作为新的集合s返回(5)，直到s2为空集，以集合，…为元素建立新的集合以c1，c2…为元素建立新的集合cn其中(n＝1,2,...)

(8)计算出集合cn中的最大值cn并保存相应的集合和方向di。建立新的集合cn′，和d′并将cn，和di分别存入相应的集合中.

(9)检验矩阵a′中，是否还有其他元素的值大于cn，若有则将其中最大元素值所在行和列记为和θ′并返回(2)，直到检验矩阵a′中所有的值都小于或等于cn.

(10)计算出cn′中的最大值cn′并保存相应的集合和方向di′

(11)将集合中包含的点的二维可视锥矩阵从集合ap中剔除，然后再返回(1),直到ap为空集，图8是按照本发明的优选实施例所构建的在某个测量方向下测量点的区域划分，如图8所示。

经过上述步骤处理后就可以得到分区和区域内的无碰撞的测量方向。

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。