专利名称：一种航空发动机叶片叶尖缺失部位三维模型重建方法
技术领域：
本发明涉及复杂曲面的造型及高级几何处理技术，具体为一种航空发动机叶片叶尖缺失部位三维模型重建方法。
背景技术：
叶片是航空涡轮发动机的关键部件，其材料昂贵、制造工艺复杂。在军用和民用涡轮发动机的使用过程中，每年有大量涡轮叶片因叶尖磨损而需要及时更换修复。由于涡轮叶片制造工艺复杂，叶片价格昂贵，修复叶片成本远远低于更换叶片成本，因此，叶片接长修复的经济效益很高。以往涡轮叶片叶尖的修复主要采用手工钨极氩弧焊方法，修复质量受工人技术水平限制，质量难以保证。随着涡轮叶片材料的不断更新，特别是定向结晶铸造合金的广泛应用，使得材料的可焊性越来越差，手工焊接已满足不了现代涡轮叶片叶尖的补焊接长要求。近年来随着激光焊接、自动控制、自动识别、机器人等高新技术的发展，国内外在涡轮叶片叶尖缺损修复方面取得了长足进步。其中激光补焊接长和全自动钨极氩弧焊接长技术，是当前国内外领先的两项涡轮叶片叶尖缺损修复技术。新加坡采用模具控制的激光熔敷(CLPC)对叶片叶尖进行了修复。该技术通过使用与叶片轮廓一致的翼型模具，控制激光熔敷填充缺损叶片成型。其基本思想是为了减少甚至消除焊后的加工量，通过熔敷修复达到预期效果。但其存在如下问题:叶片边缘地区的高度与宽度比例高，填充难度高；对于曲面复杂的叶片，不能与标准模具完全贴合，使填涂的过程不稳定；对于激光熔敷过程的热量控制，必须控制模具与叶片不会因为热量的传导而固结在一起。飞机叶片为复杂曲面，制作合适的模具本身比较困难。激光补焊接长修复中由于叶片间尺寸的微小差异，使焊接护套加工比较困难，在焊接前人工调整叶片费时费力，不适合飞机涡轮发动机叶片叶尖的修补。全自动钨极氩弧焊接长修复技术是近年来美国Liburdi公司使用多坐标焊接机器人实现叶尖修复的自动化技术。全自动氩弧焊自动修复设备主要包括，五坐标龙门式机器人、焊接系统和焊丝进给系统。修复时叶片放在夹具中，仅露出叶尖。在焊接工位，叶片叶尖几何参数首先被自动识别检测，这些几何参数被计算机处理后，传输给机器人，机器人根据叶尖具体几何参数自动调整焊接电流、焊枪角度和焊丝进给速度。焊接完成后，机器人自动将下一个叶片移动到焊接工位，完成一个循环。全自动钨极氩弧焊补焊接长修复技术，应用自适应最优控制理论，加工过程全部实现自动控制，补焊后的叶片质量较好，但整套设备需几百万美元，一次性投资巨大，同时相关技术对外实行封锁。目前国内航空发动机维修厂因为维修设备和维修技术不能满足适航性要求，在民机发动机叶片磨损修复方面还是空白，几乎100%的由磨损原因造成的尺寸超差的叶片送国外修理。维修成本高昂，每年带来的经济损失至少在5亿美元以上，同时由于不能提供“一站式”维修服务，延长了飞机的停厂时间，降低了我国维修企业的市场竞争力。由此可见掌握航空发动机叶片焊接修复关键技术，对我国民航产业具有重要的经济效益和社会效益。为实现飞机叶片叶尖修复的尽净成型，必须准确获取飞机叶片缺损部位的三维模型。国内外对于表面形状复杂零件缺失部位模型的建立采用模型比对方法。该方法通过数字化测量和三维重构技术获得缺损零件表面的数字化模型，然后以此数字化模型与标准零件CAD模型进行3D配准比对，抽取出待修复模型，模型获取直观性较好。但由于在比对时需进行模型坐标配准，且叶片在服役期间不可避免的会有一定程度的变形，从而致使两模型本身的形态不一致而增加了误差来源。采用此方法建模，需要获取缺损工件的大部分表面信息数据，测量工作量大，数据量大，计算工作量大，速度慢，且操作步骤繁多，效率较低，不适宜焊接的自动化。因此该方法不适宜航空发动机叶片叶尖缺失部位三维模型建立。曲面延伸技术是逆向工程的关键技术。该技术在生物医学、板材成形、复杂零件精确三维造型等领域得到了广泛应用。伊朗Sharif大学的Jafari博士、美国哥伦比亚大学的Ateshian等运用该技术完成人体复杂动关节(膝关节骨、胫骨、肱骨等)精确三维曲面造型，并在生物工程上得到应用。吉林大学的彭林法等运用曲面延伸技术通过曲面构造、曲面拼接完成曲面拓展。上海理工大学的刘芳等采用双三次NURBS方法实现了对某型号转子的几何造型，对造型过程中出现的曲面延伸、求交和裁剪等问题进行了研究。西华大学的张礼达等采用NURBS曲面延伸方法实现了混流式水轮机转轮叶片的精确造型。但经文献检索，未曾有报道利用曲面延伸方法进行航空发动机缺损叶片缺失部位三维模型的建立。
发明内容
针对现有技术不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种航空发动机叶片叶尖缺失部位三维模型重建方法。该方法根据叶片表面为结构复杂的自由曲面，缺失部位区域面积小的特点，提出采用曲面延伸方法建立磨损叶片缺失部位的三维模型，以实现叶片叶尖焊接修补的自动化。修复时，能尽量实现净成型，具有速度快、精度高、成本低等特点。本发明解决所述技术问题的技术方案是:设计一种航空发动机叶片叶尖缺失部位三维模型重建方法，该重建方法采用以下工艺步骤:I)挑选出适合用接长修复的磨损叶片，并把磨损部位切削平整；2)采用高精度数字化三维测量仪对待修复叶片进行测量，得到待修复部位部分三维“点云”数据；然后通过逆向软件系统对点云数据进行去噪和数据精简等数据预处理；3)采用NURBS方法进行磨损叶片的三维重构，重构精度≥0.02mm ；4)曲面延伸，构造磨损叶片缺失部位三维模型，重构精度为±0.02mm ；5)将构造的多个延伸的NURBS曲面进行求交、裁剪，即获得所述磨损叶片缺失部位的三维模型；所述曲面求交的算法采用解析法、分割法、跟踪法或隐函数法。与现有技术相比，本发明重建方法是在原有叶片数据的基础上进行造型，曲面形态由严格的参数方程控制，在曲面延伸时对其施加“点约束”或“线约束”条件，从而保证了缺失部位三维形体高精度还原；重构时，只需要获取叶片缺损部位相邻部分表面数据信息，大大减少了测量和计算量，提高了工作效率和重构精度；修复时，可尽量实现净成型，具有速度快、精度高、成本低等特点。
图1本发明所述重建方法一种实施例的叶片缺失部位三维模型重建过程框图。图2本发明所述重建方法一种实施例的满足曲率连续的曲线、曲面延伸示意图。其中，(I)曲线延伸示意图，(2)为曲面延伸示意图。图3本发明所述重建方法一种实施例的满足切向连续的曲线、曲面延伸。其中(I)曲线延伸示意图，(2)为曲面延伸示意图。图4本发明所述重建方法一种实施例的曲面延伸方法建立叶片缺失部位三维模型示意图。图5本发明所述重建方法一种实施例的叶尖与侧缘面延伸示意图。图6本发明所述重建方法一种实施例的叶背面延伸示意图。图7本发明所述重建方法一种实施例的叶盆面延伸示意图。图8本发明所述重建方法一种实施例的叶片缺失部位三维模型示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及其附图进一步描述本发明。本发明设计的航空发动机叶片(简称叶片)叶尖缺失部位三维模型(简称三维模型)重建方法(简称重建方法或方法，参见图1-8)，该重建方法采用以下工艺步骤:I)挑选出适合用接长修复的磨损叶片，并把磨损部位切削平整。所述适合用接长修复的磨损叶片是指叶尖磨损的叶片。严重磨损的叶片将使整级的叶片报废；2)采用高精度数字化三维测量仪对待修复叶片进行测量，得到待修复部位部分三维“点云”数据；然后通过逆向软件系统对点云数据进行去噪和数据精简数据预处理。所述逆向软件系统和数据预处理方法为现有技术；3)采用NURBS方法进行磨损叶片的三维重构，重构精度彡0.02mm。本发明采用NURBS方法进行叶片叶尖缺损的三维重构。NURBS方法是一种新型的曲面造型方法，是当今CAD界曲面数学表示的主流。通过调整控制顶点和权因子，NURBS方法可以灵活地改变曲面的形状，调整个别控制顶点和权因子可对曲面作局部修改。NURBS曲线、曲面延伸技术已有成熟的理论基础，许多学者对其算法进行了广泛的应用研究。本发明方法的难点在于针对飞机发动机叶片结构特点，研究自由曲线、曲面精确快速重构策略和算法，保证缺损叶片三维重构精度；研究高效合理的曲线、曲面延伸技术，使叶片缺失部位得到高精度还原，能够实现对航空发动机叶片缺失部位三维模型的精确造型。所述重构精度不足时，应对算法进一步的研究，改进。4)曲面延伸，构造磨损叶片缺失部位三维模型，重构精度为±0.02mm。在曲面延伸时，对其施加“点约束”或“线约束”条件，从而保证了缺失部位三维形体高精度还原。所述曲线延伸实际就是曲面延伸的特殊情况，把曲线看成仅有一排控制点的曲面。所述的“点约束”或“线约束”是指在构型过程中，使延伸的面或线强制通过某些位置形状确定的点或线。5)将构造的多个延伸的NURBS曲面进行求交、裁剪，即获得所述磨损叶片缺失部位的三维模型。所述曲线曲面延伸是曲线曲面按原有的定义形式向某一方向做一定尺寸的延长，延伸尺寸越小，延伸精度越高。曲线延伸、曲面延伸的质量与采用的不同算法以及曲线、曲面的可延展性等有密切的关系。曲线、曲面延伸的方法有两类:一类为满足曲率连续的延伸，通过分别延展自由曲面NURBS控制网格上的曲面控制线，得到完整的延展曲面网格。图2 (I)为满足曲率连续的曲线延伸，图2 (2)为满足曲率连续的曲面延伸；另一类为满足切向连续的延伸，利用现有节点插入技术将曲面按精度离散得到曲面边界点，然后按曲面在该点的切线方向延伸得到延展曲线的端点，插值出延展曲面的边界线，再由原曲面的边界线和延展曲面边界线得到延展曲面。图3 (I)为满足切向连续的曲线延伸示意图，图3 (2)为满足切向连续的曲面延伸示意图。所述三维模型为航空发动机叶片焊接自动化修复关键技术之一。该系统的重点和难点在于研究高效合理的曲线、曲面延伸技术，使叶片缺失部位得到高精度还原。本发明方法获得的三维曲面模型以CAD系统通用的IGES格式输出，即可进行下一步机器人焊接路径规划和焊接工艺参数规划。航空发动机叶片的合金材料价格昂贵，制造加工工艺非常复杂。为了减少甚至消除焊后的加工量，必须精确得到叶片缺损部位的三维模型。本发明方法是先通过对实际部件扫描测量，获得磨损叶片的即时模型；再利用反求设计复原磨损叶片的原始模型，本发明重建方法适用于表面形状复杂，缺损部位区域面积小的零件缺失部位三维模型的建立，速度快、精度高、可靠性好。下面以一个叶片叶尖缺失部位重构过程为例进一步叙述本发明(参见图4，其中的I为叶片部分数据CAD模型示意图；2为叶片缺失部位模型示意图)。该叶片叶尖部位受到磨损，缺失部位区域面积不大，可采用曲面延伸方法重构其缺失部位模型。由于叶片缺失部位区域面积不大，根据叶片缺失部位周围的数据构造延伸的NURBS曲面，它可用于不相交的曲面求交及曲面在圆角的过渡。叶片叶尖为平面，而前缘和后缘为圆弧面，满足切平面连续的延伸条件，延伸后两延伸曲面相交于一段圆弧线(参见图5)。叶盆面和叶背面为空间自由曲面,满足曲率延伸的条件。为了保证延伸后的曲面不偏离原设计模型，叶盆面和叶背面在延伸时利用曲面的外部能量约束对其施加“点约束”条件，使其分别通过上述延伸曲面相交所形成的圆弧交线的端点(参见图6、7)。将构造的多个延伸的NURBS曲面进行求交、裁剪，获得叶片缺失部位的三维模型形体。所述曲面求交的算法可采用解析法、分割法、跟踪法或隐函数法。其中，跟踪法的计算效率高，容易控制交点精度，稳定性好，不受曲面表示类型的限制，本发明实施例采用跟踪法对延伸曲面进行求交运算。沿交线对叶片表面模型进行裁剪，保留需要的部分，即得到叶片缺失部位三维曲面模型(参见图8)。本发明方法应用于叶片叶尖焊接自动化修复的叶尖缺失部位重建的软件系统，为航空发动机叶片焊接自动化修复关键技术之一。本发明重建方法所得曲面模型以CAD系统通用的IGES格式输出，即可进行或用于下一步机器人焊接路径规划和焊接工艺参数规划。航空发动机叶片型面为三维自由曲面，结构复杂，并且其缺失部位区域面积较小，客观条件上不能够获得标准叶片CAD模型。本发明提出采用曲面延伸方法建立缺损叶片的缺失部位三维模型，重构时，利用其周围的测量数据构造延伸的NURBS曲面，依据叶片缺失部位的形状，选择合理的延伸顺序，然后将构造的多个延伸的NURBS曲面进行求交、裁剪，从而获得叶片缺失部位的三维形体。在曲面延伸时，对其施加“点约束”或“线约束”条件，从而保证了缺失部位三维形体高精度还原。由于是在原有叶片数据的基础上进行造型，曲面形态由严格的参数方程控制，本发明方法重构时，只需要获取叶片缺损部位相邻部分表面数据信息，大大减少了测量和计算量，提高了工作效率。本发明未述及之处适用于现有技术。
权利要求
1.一种航空发动机叶片叶尖缺失部位三维模型重建方法，该重建方法采用以下工艺步骤: 1)挑选出适合用接长修复的磨损叶片，并把磨损部位切削平整； 2)采用高精度数字化三维测量仪对待修复叶片进行测量，得到待修复部位部分三维“点云”数据；然后通过逆向软件系统对点云数据进行去噪和数据精简数据预处理； 3)采用NURBS方法进行磨损叶片的三维重构，重构精度彡0.02mm ； 4)曲面延伸，构造磨损叶片缺失部位三维模型，重构精度为±0.02mm； 5)将构造的多个延伸的NURBS曲面进行求交、裁剪，即获得所述磨损叶片缺失部位的三维模型；所述曲面求交的算法采用解析法、分割法、跟踪法或隐函数法。
2.根据权利要求1所述的重建方法，其特征在于所述曲面求交的算法为跟踪法。
3.根据权利要求1所述的重 建方法，其特征在于所述重建方法所得曲面模型以CAD系统通用的IGES格式输出，用于机器人焊接路径规划和焊接工艺参数规划。
全文摘要
本发明公开一种航空发动机叶片叶尖缺失部位三维模型重建方法。该重建方法采用以下工艺步骤1)挑选出适合用接长修复的磨损叶片，并把磨损部位切削平整；2)采用高精度数字化三维测量仪对待修复叶片进行测量，得到待修复部位部分三维“点云”数据；然后通过逆向软件系统对点云数据进行去噪和数据精简数据预处理；3)采用NURBS方法进行磨损叶片的三维重构，重构精度≥0.02mm；4)曲面延伸，构造磨损叶片缺失部位三维模型，重构精度为±0.02mm；5)将构造的多个延伸的NURBS曲面进行求交、裁剪，即获得所述磨损叶片缺失部位的三维模型；所述曲面求交的算法采用解析法、分割法、跟踪法或隐函数法。
文档编号G06T17/00GK103093065SQ201310054600
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月20日 优先权日2013年2月20日
发明者李亮玉, 何俊杰, 岳建锋, 王天琪 申请人:天津工业大学