一种基于中轴线的航空叶片型面特征参数提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空叶片加工技术领域，更具体地，涉及一种基于中轴线的航空叶片 型面特征参数的提取方法，用于确定叶片截面型面特征参数（包括前后缘、中弧线等）。
【背景技术】
[0002] 航空发动机叶片是一种特殊的零件，它长期工作在高温、高压的恶劣环境中，而且 数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，是故障多发的零件，一直以来是各发动机厂生产的 关键。同时随着发动机效率的提高，叶片型面也变得越来越复杂，加工难度越来越大，精度 要求也越来越高。叶片型面质量对发动机的性能起着决定性的影响。例如，WS11型发动机 有涡轮叶片192片、压气机叶片507片、风扇叶片1297片，高速运转时叶片流道承受1400°C 高温和IMpa以上高压燃气强力冲击，前后缘头处的流速接近甚至超过音速，需采用高温合 金或钛合金难加工材料。为满足功能需求，航空叶片通常设计为变截面、强扭曲（扭曲度超 60度）、薄壁曲面（缘头最薄处不足3_)，具有复杂拓扑形状（直纹面或流曲面），在多工序 加工过程中极易产生几何变形，需在线检测叶片的型面特征参数以检测叶片变形程度。现 代航空发动机正朝着大涵道比、低能耗、轻量化方向发展，长叶身、大宽弦薄壁叶片使用越 来越多，如何快速高效的检测叶片的几何变形、控制其加工质量已成为先进制造领域亟需 解决的前沿难点问题之一，目前国内叶片厂家（如东方汽轮机有限公司、无锡透平叶片有 限公司、上海汽轮机有限公司等）大多采用接触式CMM或样板对毛坯、半成品、矫正件和成 品进行检测，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。此外，对于大型曲面零件如水轮机叶片，核电叶片，船用螺旋桨等，由于铸锻焊 等毛坯热成型工艺存在残余应力，在随后的加工过程中由于残余应力的释放不可避免地发 生变形，且变形量可以达到毫米级，如何在加工过程中及时监控零件的变形并修正加工工 艺也是亟需解决的问题。
[0003] 在上述叶片加工质量检测、变形检测过程中都涉及到提取叶片型面特征参数的问 题，叶片型面对发动机的性能有着决定性的影响，如何高速、高精、高稳定性地检测叶片型 面参数来评估叶片型面质量也越来越受到相关企业和学者的关注。
[0004]叶片的前缘为叶片工作时迎气流的边缘部分；叶片的后缘为叶片工作时顺气流的 边缘部分。叶片的前缘、后缘连接了叶盆、叶背，是叶片型面曲率中变化最大的区域，而且形 状各异，因此准确提取前缘、后缘是型面特征参数提取中的关键步骤。文献"基于改进凸包 算法的叶片型面特征参数提取"（装备制造技术）中基于随机原理提出了一种前后缘提取 方法，但该方法当叶片型面点云排列不够规则时，前后缘经常会提取出错，而且当点云数量 过大时，该提取方法耗时严重。
[0005]中弧线是叶片型面中的最重要参数，它是航空发动机叶片截面内叶盆与叶背一系 列内切圆圆心构成的曲线，它是叶片设计的重要基准之一，也是截面线离散的重要依据，对 叶片造型的质量影响重大，其微小误差都可能导致最后叶片截面不光顺，影响发动机叶片 的性能。文献"基于MLS的航空叶片中弧线提取方法"（中国机械工程）中用MLS(即，移动 最小二乘法）对叶盆、叶背进行拟合加密，再分段等距曲线法提取中弧线。尽管该方法可稳 定提取中弧线点集，但是进一步研宄发明，该方法提取的中弧线点集不均匀，特别是在型面 最大厚度处提取的中弧线点集过于稀少，降低了中弧线提取精度。此外，该方法对于特殊形 状的叶片（如厚度较大的叶片）的计算不稳定，应用范围有限。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于中轴线的 航空叶片型面特征参数提取方法，其中通过对其关键的分析步骤、模拟计算方法等进行改 进，与现有技术相比能够有效解决特征参数提取结果出错、中弧线提取精确度不高的问题， 并且该方法计算稳定、效率高、时间成本低。
[0007] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于中轴线的航空叶片型 面特征参数提取方法，该方法包括：
[0008] (1)为待测量的叶片建模：对叶片测量模型截取截面并生成相应的点云数据；
[0009] (2)根据步骤⑴中的截面点云数据获得凸包；然后，利用所述凸包求取截面点云 数据中相互距离最大的两点
[0010] ⑶分别提取所述截面点云数据中九、巧附近的点云数据，作为粗略提取后的叶片 前缘和叶片后缘的数据点集；接着，对所述粗略提取后的叶片前缘和叶片后缘的数据点集 分别进行拟合，得到前缘中心C q和后缘中心c h，以及精确提取后的叶片前缘和叶片后缘的 数据点集；
[0011] (4)将步骤（1)中的截面点云数据减去步骤（3)中的精确提取后的叶片前缘和叶 片后缘的数据点集作为余下数据点集；接着，根据所述余下数据点集分别得出叶片叶盆和 叶片叶背的数据点集；然后，利用移动最小二乘拟合方法分别获取叶盆曲线X p(t)和叶背曲 线 Xb (t);
[0012] (5)利用所述前缘中心cq和后缘中心ch，以及叶盆曲线X p(t)和叶背曲线Xb(t)， 采用中轴线原理提取所述叶片截面的中弧线。
[0013] 作为本发明的进一步优选，所述步骤（5)中所述利用所述前缘中心cq和后缘中心 c h，以及叶盆曲线Xp(t)和叶背曲线Xb(t)，采用中轴线原理提取所述叶片截面的中弧线，包 括以下步骤：
[0014] (5-1)设点pk即为第k次迭代计算得到的中弧线上的点，迭代次数k= 1，则pk= P1;以所述前缘中心(^作为点p1;前缘与叶盆曲线X p(t)和叶背曲线Xb(t)的切点分别为qi、 q2;以点P i为原点建立相互正交的单位矢量i和j ;所述
【主权项】
1. 一种基于中轴线的航空叶片型面特征参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)为待测量的叶片建模：对叶片测量模型截取截面并生成相应的点云数据； ⑵根据步骤⑴中的截面点云数据获得凸包；然后，利用所述凸包求取截面点云数据 中相互距离最大的两点PpPk; (3) 将九和所述截面点云数据中！^附近的点云数据作为