一种叶片曲面的快速测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及叶片测量领域，具体是一种用于叶片加工过程的测量方法。
【背景技术】
[0002] 航空航天技术的发展对发动机的性能要求越来越高，叶片作为航空发动机的关键 零部件，其精密加工装备与工艺已成为国家制造领域的前沿课题。为了获得高质量的叶片， 在其制造过程中需进行多次测量与修正加工。叶片测量是分析叶片加工余量和检测成品质 量的重要手段，但由于测量效率和测量精度之间的内在矛盾，叶片高效精确测量一直是叶 片加工过程的难点之一。随着叶片型面复杂程度的增加，在保证叶片形状精度的前提下实 现叶片高效快速测量的难度也随之增大。
[0003]叶片的测量方法主要分为样板法、非接触式测量、接触式测量=大类。非接触测量 具有效率高、应用范围广和无接触应力等优点，广泛应用于复杂零件检测和反求工程中。传 统叶片测量轨迹规划大多需由工人根据经验规划出测量截面，并对每个测量截面进行等步 长测量，该种测量规划方法受主观因素影响较大。随着叶片型面复杂程度的增加，经验规划 方法的测量精确性和效率均无法满足要求，且等步长测量获得的大量数据点会严重降低测 量效率和重构效率。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种叶片曲面的快速测量方法，W解决传统叶片类零件测量过程中存 在的测量精度提高困难、测量效率和可靠性低的问题。
[0005] 本发明采取的技术方案是，包括W下步骤：
[0006](1)、在垂直于Z轴方向，在叶片顶部、根部和中部等间距截取3条截面线，利用S 坐标测量机采集截面线测量点；
[0007](2)、几何敏感点位置计算：分别对上述截面线测量点进行3次B样条曲线拟合，对 所得3次B样条曲线进行求导，将一阶导数和二阶导数带入曲率公式，计算测量点曲率，计 算3次B样条曲线曲率的平均值，平均值与曲率值的交点即为所求几何敏感点；
[0008](3)、最大提度区域端点计算；分别计算叶背、叶盆的最大提度，确定出与其对应的 最大提度点，连接最大提度点，W连线中点为圆屯、，连线长度为直径作圆，过圆屯、作与连线 垂直的直线，与圆分别交于两点，过该两点分别做平行于连线的直线，分别与叶背、叶盆相 交，确定出截面线测量点的最大提度区域端点；
[0009] (4)、将步骤（2)、（3)中得到的最大提度区域端点和几何敏感点沿叶片轴流方向 进行最小二乘拟合，得到8条测量线，利用S坐标测量机采集测量点；
[0010] 巧）、基于曲线逼近法的截面线条数确定
[0011] ①对每一条测量线上的测量点进行3次B样条曲线拟合，拟合曲线为L2,根据测量 点的边界点和L,弧长的=等分点计算3次逼近B样条曲线L1，设定逼近阔值为e，计算Li 与L2之间的Hausdorff距离最大值或lax，不断添加测量点到Li，直到Hausdorff距离最大 值满足ALx<。曲线Li与L2之间Hausdorff距离的计算方法为；计算L2上每一测量点的 法向量，计算Li上各参数点到法向量的距离，选取距离值最小时所对应的参数点做为该法 向量的最近点，判别法向量最近点与L,上相对应测量点之间的距离是否满足式1。。、<€，不满 足则添加L2上的测量点到L1中，最后得到测量线L'iW及测量点，对每一条测量线都按 如上方法处理，所有Hausdorff距离的计算方法都相同；
[0012] ②取其中一条保留测量点最多的测量线L' 1作为参照线，依次过其上每个测量 点做等Z值线，与其他测量线分别相交于交点〇b化=1，... 7)，选择其余测量线上距离交 点最近的测量点，将该测量点用交点替换，计算由于测量点替换引起的L' 1上的曲线段 扣，tw]与测量线L'义间的Hausdorff距离最大值记ax的变化，若4L<6?则该测量点由 交点替换；若则将交点作为测量点添加到测量线L' 1中，重复该一步骤，直到遍历 所有8条测量线，使得每条测量线上测量点数目相等，得到修正后的测量线L" 1和测量点 个数；
[001引 化）、将步骤（1)中3条截面线测量点，8条测量线L"1的测量点导入Geometric 软件重构叶片测量模型，根据重构叶片测量模型，重新提取8条测量线，分别比较重新提取 的8条测量线与L"1之间的Hausdorff距离最大值ALx，若记I、添加重新提取的测量 线中的测量点到相对应的测量线L" 1中；
[0014](7)、重复步骤巧）、化），直到从重构的叶片测量模型中所提取测量线与L"1之间 的Hausdorff距离最大值.式，最终确定出测量线L"1上测量点的个数，即需要测量的 叶片截面线条数；
[0015] 巧）、基于曲率特性区域划分的截面线测量点个数确定
[0016] ①测量点曲率求解：
[0017] 对截面线测量点做坐标平移变换，将其平移到第一象限内，将测量点横坐标最小 的点作为起始点进行积分运算，对积分曲线进行单调性划分，每一单调区间利用最小二乘 法拟合逼近直线，相邻逼近直线的相交，交点为〇a，在每一单调区间中，计算积分曲线上 各点S(J)ma= 1,2. ..M，J= 1,2... 1)到其逼近直线L(I)的距离H(J)m，若点S(J)〇〇满 足：
[001 引
【主权项】
1. 一种叶片曲面的快速测量方法，其特征在于包括下列步骤： (1) 、在垂直于Z轴方向，在叶片顶部、根部和中部等间距截取3条截面线，利用三坐标 测量机采集截面线测量点； (2) 、几何敏感点位置计算：分别对上述截面线测量点进行3次B样条曲线拟合，对所得 3次B样条曲线进行求导，将一阶导数和二阶导数带入曲率公式，计算测量点曲率，计算3次 B样条曲线曲率的平均值，平均值与曲率值的交点即为所求几何敏感点； (3) 、最大挠度区域端点计算：分别计算叶背、叶盆的最大挠度，确定出与其对应的最大 挠度点，连接最大挠度点，以连线中点为圆心，连线长度为直径作圆，过圆心作与连线垂直 的直线，与圆分别交于两点，过这两点分别做平行于连线的直线，分别与叶背、叶盆相交，确 定出截面线测量点的最大挠度区域端点； (4) 、将步骤（2)、（3)中得到的最大挠度区域端点和几何敏感点沿叶片轴流方向进行 最小二乘拟合，得到8条测量线，利用三坐标测量机采集测量点； (5) 、基于曲线逼近法的截面线条数确定 ① 对每一条测量线上的测量点进行3次B样条曲线拟合，拟合曲线为L2，根据测量点的 边界点和L2弧长的三等分点计算3次逼近B样条曲线L i，设定逼近阈值为ε，计算1^与L 2 之间的Hausdorff距离最大值，不断添加测量点到L1，直到Hausdorff距离最大值满足 C;曲线1^与L 2之间Hausdorff距离的计算方法为：计算L 2上每一测量点的法向量， 计算L1上各参数点到法向量的距离，选取距离值最小时所对应的参数点做为该法向量的最 近点，判别法向量最近点与1^ 2上相对应测量点之间的距离是否满足<￡·，不满足则添加 L2上的测量点到L ，最后得到测量线L' i以及测量点，对每一条测量线都按如上方法 处理，所有HausdorfT距离的计算方法都相同； ② 取其中一条保留测量点最多的测量线L' i作为参照线，依次过其上每个测量点做等 Z值线，与其他测量线分别相交于交点〇b (b = 1，... 7)，选择其余测量线上距离交点最近的 测量点，将该测量点用交点替换，计算由于测量点替换引起的L' i上的曲线段[ti，ti+4]与 测量线L' i之间的Hausdorff距离最大值的变化，若s则该测量点由交点替换； 若>〃则将交点作为测量点添加到测量线L' ，重复这一步骤，直到遍历所有8条测 量线，使得每条测量线上测量点数目相等，得到修正后的测量线L" JP测量点个数； (6) 、将步骤（1)中3条截面线测量点，8条测量线L" i的测量点导入Geometric软件 重构叶片测量模型，根据重构叶片测量模型，重新提取8条测量线，分别比较重新提取的8 条测量线与L" 1之间的Hausdorff距离最大值，若^添加重新提取的测量线中 的测量点到相对应的测量线L" 1中； (7) 、重复步骤（5)、（6)，直到从重构的叶片测量模型中所提取测量线与L" i之间的 HausdorfT距离最大值，最终确定出测量线L" 测量点的个数，即需要测量的叶 片截面线条数； (8) 、基于曲率特性区域划分的截面线测量点个数确定 ①测量点曲率求解： 对截面线测量点做坐标平移变换，将其平移到第一象限内，将测量点横坐标最小的点 作为起始点进行积分运算，对积分曲线进行单调性划分，每一单调区间利用最小二乘法拟 合逼近直线，相邻逼近直线的相交，交点为〇 (1.1+1)，在每一单调区间中，计算积分曲线上各点 S (J)⑴（I = 1，2··· M，J= 1，2··· 1)到其逼近直线L(I)的距离H(J)⑴，若点S (J) (K)满足：
则以〇(1.1+1)为圆心，以|S(J) (K)-0(I，I+1)|的长度为半径作弧，交逼近直线L(I)、L(I+1) 于点，点1λ.Μ1,、yOouitl将积分曲线重新划分为不同的弧线段，新划分的 弧线段为测量点的所属区域，形成求解测量点曲率的支撑域，选取每个测量点对应的支撑 域进行最小二乘拟合，依据曲率公式求解测量点曲率； ② 基本测量点选择： 在重新划分的弧线段中，根据一条k次曲线至少由k+Ι个点表示的特性，综合考虑曲率 与弧线段区域性质选取基本测量点； ③ 完整测量点选择： 依据基本测量点构建3次逼近B样条曲线L3，计算3次逼近B样条曲线L3与截面线测 量点之间的Hausdorff距离最大值，不断添加测量点到3次逼近B样条曲线1^中，直 到Hausdorff距离最大值满足<心对每条截面线都按上述步骤的处理，选取出完整测 量占. (9)、最终得到的整体叶片所需测量的截面线条数以及截面线测量点个数。
【专利摘要】本发明涉及一种叶片曲面的快速测量方法，属于叶片测量领域。首先确定截面线最大挠度区域端点和前后缘几何敏感点位置，规划叶片轴流方向测量曲线，利用曲线逼近法计算轴流曲线测量点，进而确定叶片测量截面，依据截面线曲率突变特性进行区域划分，利用曲率和Hausdorff距离双重准则实现截面线测量点的快速提取，规划出每条截面线的测量点集。优点是应用本方法进行叶片曲面测量，有利于实现测量点数目的大幅度精简，在保证叶片型面精度的前提下显著提高了叶片的测量效率。
【IPC分类】G01B21-00, G01B21-16, G01B21-20
【公开号】CN104864829
【申请号】CN201510325124
【发明人】杨旭, 刘佳, 赵继, 曲兴田, 王昕
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月14日