一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统的制作方法

1.本技术涉及水轮机技术领域，尤其涉及一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统。


背景技术：

2.许多大型工件诸如大型水轮机叶片、船舶螺旋桨叶片等均设计为复杂曲面，由于叶片体积大，重量也大，且此类大型公建需由多个叶片统一装配组合成型才能投入使用，故而安装后的叶片不便于拆卸，那么如果导叶上某个位置出现缺陷，由于叶片呈复杂的曲面，如何能够向厂家或者供应商及时且准确地反馈缺陷的具体位置，一直是本领域技术人员在不断探索和研究的方向。
3.目前，国内对曲面的定位方法，依然大多依靠人工测量来完成，即通过使用尺子测量出x、y、z三者的相对位置，用笔记录下来，然后输入计算机或其他控制器内，经过转化计算，从而获得缺陷的精确定位。可见，上述定位方法存在效率低下、人为误差大及测量精度较低的问题。
4.在工业自动化控制领域，位置的测量和数值反馈在一维或规则的二维平面较为成熟，主要采用传感器进行在一维或规则的二维平面的位置测量、位置标定以及展示，但对于复杂的三维曲面上某一点的位置标定就极其困难。而水力发电行业中，水轮机活动导叶大多为不规则的曲面立体图形，截面为翼型，瓣体为弧形，具体形态参见图1至图3。由图上可知，水轮机活动导叶主要由下轴颈1、翼型瓣体2、中轴颈3及上轴颈4三部分组成，其中翼型瓣体2正面迎向水流的叶面为迎水面，不直接面对水流的叶面称为背水面，若以轴心为原点，建立翼型瓣体纵剖面的xy坐标系，那么将轴心以上的翼型瓣体的外部弧度形成的曲面定义为上曲面，轴心以下的翼型瓣体的外部弧度形成的曲面定义为下曲面。上述特有形状决定了难以精准确定导叶上某一点的具体坐标，而且呈复杂曲面的翼型瓣体上的坐标定位最为复杂。因此，是否能够专门设计一套设备，对翼型瓣体上某一变动点的具体位置进行快速且准确的标注和展示，是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，解决现有技术中水轮机活动导叶曲面测点坐标标定效率低下、人为误差大及测量精度较低的问题，本技术旨在提供一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统，通过对水轮机活动导叶不同位置的曲面进行离散点的坐标确定，然后进行方程拟合，拟合的方程系数在电气监测设备上可设置，以此来确定活动导叶上任意点的精确位置。
6.为了实现上述目的，本技术提供一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统，具体包括：处理器和定位装置，所述定位装置包括控制器和传感器，所述传感器设置于水轮机活动导叶曲面上的任一待测点处，用于测量所述待测点的x轴数据和z轴数据，并将所述x轴数据和所述z轴数据发送至所述控制器；所述处理器被配制执行以下步骤：
7.获取翼型瓣体纵剖面的数据边界。
8.根据所述数据边界，获得翼型瓣体纵剖面的上曲面离散点图和下曲面离散点图。
9.根据所述上曲面离散点图和所述下曲面离散点图，进行多项式拟合，获得上曲面拟合模型和下曲面拟合模型。
10.所述控制器被配制执行以下步骤：
11.获取所述x轴数据和所述z轴数据。
12.根据所述x轴数据、所述上曲面拟合模型和所述下曲面拟合模型，获得与所述x轴数据对应的y轴数据。
13.根据所述x轴数据、所述y轴数据和所述z轴数据，对所述任一待测点进行精确定位，获得精确目标位置。
14.进一步的，根据所述x轴数据、所述上曲面拟合模型和所述下曲面拟合模型，获得与所述x轴数据对应的y轴数据的具体方法为：
15.根据所述上曲面拟合模型，获得上曲面拟合系数；以及根据所述下曲面拟合模型，获得下曲面拟合系数；
16.将所述x轴数据、所述上曲面拟合系数或所述下曲面拟合系数输入所述定位装置中预设的定位模型内，求解出与所述x轴数据对应的y轴数据。
17.进一步的，所述上曲面拟合模型和所述下曲面拟合模型设置为6次高阶方程。
18.进一步的，所述定位装置还包括人机界面，所述控制器将所述精确目标位置发送至所述人机界面，所述人机界面用于实时画面展示所述精确目标位置和操作页面，以及用于人工设定所述定位模型的系数。
19.进一步的，采用matlab软件进行多项式拟合。
20.进一步的，采用最小二乘法进行多项式拟合。
21.进一步的，所述传感器为超声波测距传感器，所述超声波测距传感器为m18型号。
22.进一步的，所述坐标标定系统还包括电源装置，所述电源装置用于为所述处理器和所述定位装置提供电力支撑。
23.进一步的，所述定位装置还包括电源设备，所述电源设备用于为所述控制器、所述传感器和所述人机界面提供电力支撑，使所述定位装置能脱离所述坐标标定系统而独立使用。
24.进一步的，所述人机界面采用mcgs嵌入式软件。
25.本技术提供一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统，用以解决活动导叶某一点的坐标位置的标注和数值显示。本技术首先根据获取的原始数据进行离线仿真，拟合出翼型瓣体剖面的上下曲面方程模型；然后采用超声波传感器实时自动测量出上下曲面中任一点的x轴距离和z轴距离，并根据拟合出的上下曲面方程模型，自动计算出y轴距离，从而获得翼型瓣体上任一点的三维坐标值(x,y,z)，实现复杂曲面的精确定位。本技术计算出的坐标值还可以在电气设备界面上自动、实时展示。本技术能够快速、高效地计算活动导叶曲面某一点的坐标位置，且测量精度高，能有效避免人工测量的读取误差。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简
单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本技术实施例提供的水轮机活动导叶三维立体示意图；
28.图2为本技术实施例提供的水轮机活动导叶剖面示意图；
29.图3为本技术实施例提供的水轮机活动导叶翼型瓣体剖面示意图；
30.图4为本技术实施例提供的一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统的结构示意图；
31.图5为本技术实施例提供的一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统的工作流程示意图；
32.图6为本技术实施例提供的水轮机活动导叶翼型瓣体上曲面的散点分布示意图；
33.图7为本技术实施例提供的水轮机活动导叶翼型瓣体下曲面的散点分布示意图；
34.图8为本技术实施例提供的水轮机活动导叶翼型瓣体上曲面的多项式拟合示意图；
35.图9为本技术实施例提供的水轮机活动导叶翼型瓣体下曲面的多项式拟合示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.为便于理解本技术实施例的技术方案，以下首先对本技术实施例所涉及到的一些概念进行说明。
38.现有技术中，对曲面的测量，多为人工测量，然后进行数据记录、整合和标记。工业领域，可能有的采用成像技术进行曲面测量，即对三维立体和测控的某点进行直接成像扫描，然后实时计算整体和局部的位置和数据。但是，成像技术成本较高，且依然无法完全精准确定xyz三个坐标。
39.参见图1至图3可知，水轮机活动导叶主要由下轴颈1、翼型瓣体2、中轴颈3及上轴颈4三部分组成，其中由于中轴颈与上轴颈分界点并不非常明晰，所以这里只是标注的大致区域，并将中轴颈3及上轴颈4看作一个部分。
40.由于水轮机活动导叶是一体成型制作而成的，所以各部分之间共用同一个轴心，因此，本技术实施例以轴心为圆心建立三维立体坐标系，又因整个活动导叶的长度容易测量，故将水轮机活动导叶长度方向设为z轴方向，而将翼型瓣体纵剖面以轴心为圆心建立xy二维坐标系，x轴和y轴的具体设置如图3所示，其中，轴心以上的外曲面为上曲面，轴心以下的外曲面为下曲面，所谓数据边界，即为翼型瓣体的外部弧度形成的曲线。
41.参见图4和图5，为本技术实施例提供的一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统的结构示意图和工作流程示意图。结合图4和图5可知，本技术实施例提供一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统，该坐标标定系统具体包括：处理器、定位装置和电源装置，其中，电源装置用于为处理器和定位装置提供电力支撑。本技术实施例中，定位装置又
包括控制器、传感器、人机界面和电源设备，传感器设置于水轮机活动导叶曲面上的任一待测点处，用于测量待测点的x轴数据和z轴数据，并将x轴数据和z轴数据发送至控制器；电源设备用于为控制器、传感器和人机界面提供电力支撑，还能使定位装置能脱离本坐标标定系统而独立使用。
42.本技术实施例中，传感器采用超声波测距传感器，该超声波测距传感器优选m18型号。由于被测对象在不断移动，对于动态的位置确定，传统的拉绳式传感器显然已经不适用，而需选用一种无线式、集成度高、安装方便，且体积短小的传感器。为此，本技术实施例中，采用超声波测距传感器是最佳选择。具体的，该类型超声波测距传感器的外径为m18，标准目标板尺寸为100
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100mm，且该类型超声波测距传感器的扫描形式表现为扇形，如此可以极大地降低安装偏差引起的测量误差。更具体的，该类型传感器所需工作电源为24v，采用三线制接线原理，测量范围可达3m及以上，输出信号类型为4-20ma或者0-10v电流信号，环境温度为-5～50℃，外部接线方式采用5针插头式。
43.本技术实施例中，定位装置中的人机界面可以采用mcgs嵌入式软件。所述控制器将所述精确目标位置发送至所述人机界面，所述人机界面用于实时画面展示所述精确目标位置和操作页面，以及用于人工设定所述定位模型的系数。具体的，人机界面用于画面组态，主要具备参数设置、信息显示、传感器标定、方程设定、数据展示、画面展示以及存储等功能。优先的，人机界面可选用mcgs品牌的小型触摸屏，型号为tpc7062kd，该型号产品是一套以嵌入式低功耗cpu为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品机身精巧，采用标准的7英寸液晶显示屏，分辨率为800
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480，安装控件小巧，显示质量优异，并配制四线电阻式触摸屏，其分辨率达1024
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1024。
44.具体的，处理器被配制执行以下步骤：
45.步骤s11：获取翼型瓣体纵剖面的数据边界。具体的，在设计水轮机活动导叶时有设计图，本技术实施例中的数据边界即为设计图上提供的翼型瓣体外部弧度形成的曲线上的离散点数据，具体数据内容可参考表1。
46.表1翼型瓣体剖面的四象限数据
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由结合表1和图3可知，表中的数据涵盖了横向和纵向的四个象限的数据关系，且图3中l为1120cm，d为578cm。
[0049]
步骤s12：根据所述数据边界，即表1中的数据，获得翼型瓣体纵剖面的上曲面离散点分布图和下曲面离散点分布图，具体如图6和图7所示。
[0050]
步骤s13：根据所述上曲面离散点图和所述下曲面离散点图，进行多项式拟合，获得上曲面拟合模型和下曲面拟合模型。具体的，根据你散点图，即可拟合出上曲面的曲线方程和下曲面的曲线方程，拟合出的具体效果可参考图8和图9。
[0051]
本技术实施例中，可以采用matlab软件进行多项式拟合，也可以采用c语言编写的最小二乘法进行多项式拟合，还可以采用最简单的excel进行多项式拟合，这里并不限定具体拟合方法，可以根据数据的复杂程度和数量择优选定拟合方法，使得最终实现最佳拟合效果即可。
[0052]
本技术实施例中，所述上曲面拟合模型和所述下曲面拟合模型设置为6次高阶方程。具体的，模型拟合次数小于或者等于6次均可，并不限定必须拟合6次，比如可设置拟合2次或者3次等等，只要与后续电气设备中的定位模型保持一致即可。
[0053]
本技术实施例中，控制器被配制执行以下步骤：
[0054]
步骤s21：获取待测点的x轴数据和z轴数据。对于x或z的直线测量方法，一般是根据传感器的线性关系，即模拟量和感应位移的线性关系，将当前采样进行插值计算即可得出，该方法已在现有技术中有有详细的申明和阐述，此处就不再赘述。
[0055]
步骤s22：根据所述x轴数据、所述上曲面拟合模型和所述下曲面拟合模型，获得与所述x轴数据对应的y轴数据。
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本技术实施例中，根据所述x轴数据、所述上曲面拟合模型和所述下曲面拟合模型，获得与所述x轴数据对应的y轴数据的具体方法为：
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步骤s221：根据所述上曲面拟合模型，获得上曲面拟合系数；以及根据所述下曲面拟合模型，获得下曲面拟合系数。
[0058]
步骤s222将所述x轴数据、所述上曲面拟合系数或所述下曲面拟合系数输入所述定位装置中预设的定位模型内，求解出与所述x轴数据对应的y轴数据。
[0059]
具体的，在人机界面和测控程序内，本技术实施例设计了一种方程设置方法，即将每个方程的系数进行独立设置，这样就便于各种曲面和6阶以下的方程设定。本技术实施例设置最高拟合次数为6次，是因为本技术实施例中定位装置内预设的定位模型最高设置为6阶，在日常应用中，并不限定最高只能设置为6阶，可以根据实际情况和具体需求进行自定义建模，然后根据建立的模型设置拟合次数，通用性很强。
[0060]
步骤s23：根据所述x轴数据、所述y轴数据和所述z轴数据，对所述任一待测点进行精确定位，获得精确目标位置。
[0061]
具体的，由于预知了曲面的方程，即y＝f(x)的关系，这样曲面上任何一点，根据该点的传感器测量出x数据，即可计算出y的坐标。同样该点的传感器也可以直接测量轴向z的距离，这样就能对某一点的三维坐标进行精确标定。
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由此可知，本技术实施例的关键点在于：一、针对活动导叶的曲面，根据不同的特征，对上曲面和下曲面分别进行多项式拟合，再根据拟合的方程，求解难于测定的y坐标。二、拟合出的方程，可以在电气设备界面上进行系数设定，最高可以设置6次，方程的通用性强，适合各种此类曲面某点的位置的方程设置、坐标定位。三、为了设定、计算和展示活动导叶上某点的位置定位，本技术实施例设计了一套专用的定位装置，该定位装置由电源设备、
控制器、无线测距传感器和人机界面等部件组成。其中，控制器和人机界面进行了专门程序的开发，控制器采用c语言编程，人机界面采用mcgs嵌入式软件，编程和计算简单，展现丰富形象，利于监测点实现精准的位置标定和直观的位置表现，尤其可以实时对动态移动的监测点的位置可以实时坐标展示，更加形象更加直观。
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由以上技术方案可知，本技术提供一种水轮机活动导叶曲面测点的坐标标定系统，用以解决活动导叶某一点的坐标位置的标注和数值显示。本技术首先根据获取的原始数据进行离线仿真，拟合出翼型瓣体剖面的上下曲面方程模型；然后采用超声波传感器实时自动测量出上下曲面中任一点的x轴距离和z轴距离，并根据拟合出的上下曲面方程模型，自动计算出y轴距离，从而获得翼型瓣体上任一点的三维坐标值(x,y,z)，实现复杂曲面的精确定位。本技术计算出的坐标值还可以在电气设备界面上自动、实时展示。本技术能够快速、高效地计算活动导叶曲面某一点的坐标位置，且测量精度高，能有效避免人工测量的读取误差。
[0064]
综上所述，本技术实施例的优点在于：
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其一，以自动化电气装置替代人工测量，测量点采样无线传感器，测出一维直线位移后，装置可以自动的计算出其他坐标，并进行点的三维数据标定。
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其二，对活动导叶的上下曲面采样拟合方程的方式，预设到控制器，这样其他坐标无需再进行测量，直接计算，无误差，比人工测量效率高，且精准，展现也更形象直观；且随着测控点的位置变动，数据也实时跟踪，也可存储和调取历史数据，方便简单。
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其三，此装置不但适用于水轮机活动导叶，还适用于其他不规则的三维曲面的某点的定位，通用性强。
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需要说明的是，本技术提出的数据拟合、方程设定和坐标数据展示的原理和方法，也可以用于其他行业的测量和控制需要。
[0069]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，使本领域技术人员能够理解或实现本技术，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。本技术的保护范围以所附权利要求为准。