CN102728658B - 一种用于确定叶片加工弯曲度误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定叶片加工过程中的弯曲度误差的方法，包括：为待测量的叶片获取其多个截面的形心，并将位于第一和最后的截面的形心相连以获得直线L_c；对叶片设计模型同样获取其多个截面的形心，并将位于第一和最后的截面的形心相连以获得直线L_s；对叶片测量模型、叶片设计模型的多个截面分别计算其形心与直线L_c、L_s之间的距离d_ci、d_si；相应计算得出待测量叶片的各个截面的弯曲度误差d_i＝d_ci-d_si。本发明还公开了相应地用于准确获取截面形心的改进方式。按照本发明，可以快速、准确、稳定地测量叶片在加工过程中所产生的弯曲度误差，并能将所测得的型面扭曲度误差结果作为评价叶片加工质量的指标，相应改善叶片加工质量。

Description

一种用于确定叶片加工弯曲度误差的方法

技术领域

本发明属于叶片加工技术领域，更具体地，涉及一种用于确定叶片的加工弯曲度误差的方法。

背景技术

叶片在航空（如飞机发动机的整体叶轮）、核电（如汽轮机叶片）、舰船（如大型螺旋桨桨叶）等关系国计民生的行业中被广泛应用。叶片型面一般为复杂曲面，加工工序比较复杂，其型面品质对发动机的性能起着决定性的影响，享有航空发动机、汽轮机的“心脏“的美誉。叶片作为复杂曲面类零部件的一种典型的代表，其设计和制造技术代表国家制造业的核心竞争力，事关国民经济建设、社会发展和国防安全。

由于叶片这一类零件具有强扭曲、薄壁件、易变形、低损伤等技术特点，如何快速高效地检测其多轴数控加工质量一直是先进制造领域的前沿难点问题。尤其因为叶片型面是三维复杂曲面，描述的参数众多，精度要求高，从叶顶到叶根每个截面的型线都不相同，所以叶片型面测量是叶片测量中的难点。

目前，国内外主要采用人工卡板测量法和三坐标测量机（CMM）测量法来对叶片型面进行检测。这两种方法都是离线式检测方法，对毛坯、半成品、矫正件和成品进行检测，其测量速度慢、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。随着光学测量技术的发展，采用非对称结构克服了表面反光问题，使得非接触式测量精度高达μm级、测速超过万点/秒。采用激光扫描仪、结构光测量仪等非接触式测量设备进行叶片型面的检测，可以克服传统人工卡板测量法和CMM测量法的不足，并且可以实现叶片型面的在机检测，因而正成为叶片类复杂曲面型面精密检测的重要手段。然而，受夹具-刀具等障碍物和机床内部测量空间狭小等因素限制，光学传感器与测量目标相距较远。非接触式测量是以二维图像为输入，应用立体视觉、相位轮廓术等计算第三维坐标值，受测量距离限制，直接采集的反映叶片表面性状的点云同设计曲面在三维坐标下可能存在不同的尺度形变。

此外，从目前叶片生产厂家的测量方式来看，大都偏重于叶片型线误差的检测，忽略了叶片在加工过程中的加工弯曲度误差的分析，而叶片的加工弯曲度对流经叶片的气体的流动状况等方面有重要影响。因此，在对叶片型面加工质量进行分析评估的过程中，有必要构思新的便于操作的方法，来更为准确地获取叶片在加工过程中的弯曲度误差结果。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种用于确定叶片加工过程中的弯曲度误差的方法，该方法可以快速、准确、稳定地测量叶片在加工过程中所产生的弯曲度误差，并将所测得的叶片型面弯曲度误差结果作为评价叶片加工质量好坏的重要指标，相应地，对满足叶片加工的“加工-测量”一体化过程具备重要意义。

按照本发明，提供了一种用于确定叶片加工弯曲度误差的方法，该方法包括：

（1）为待测量的叶片建模，对该叶片测量模型依次截取n个截面并获取各个截面的形心O_ci(x_ci，y_ci，z_ci)，然后将所述n个截面中位于第一和最后的截面的形心O_c1(x_c1，y_c1,z_c1)、O_cn(x_cn，y_cn，z_cn)相连，由此获得方向向量为S_c(x_cn-x_c1,y_cn-y_c1,z_cn-z_c1)的直线L_c，其中x_ci，y_ci，z_ci分别表示第i个截面的形心在模型坐标系中的x、y、z坐标值，i=1,2,…,n；

（2）对作为比较基准的叶片设计模型同样依次截取n个截面并获取各个截面的形心O_si(x_si，y_si，z_si)，然后将所述n个截面中位于第一和最后的截面的形心O_s1(x_s1，y_s1,z_s1)、O_sn(x_sn，y_sn，z_sn)相连，由此获得方向向量为S_s(x_sn-x_s1,y_sn-y_s1,z_sn-z_s1)的直线L_s，其中x_si，y_si，z_si分别表示第i个截面的形心在模型坐标系中的x、y、z坐标值，i=1,2,…,n；

（3）对待测量叶片的所述n个截面分别计算其形心与所述直线L_c之间的距离d_ci=|S_c×S_ci1|/|S_c|，其中S_c表示所述直线L_c的方向向量，S_ci1表示将第i个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量，并对叶片设计模型的所述多个截面分别计算其形心与所述直线L_s之间的距离d_si=|S_s×S_si1|/|S_s|，其中S_s表示所述直线L_s的方向向量，S_si1表示将第i个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量；

（4）利用步骤（3）所计算出的d_ci、d_si，相应计算得出待测量叶片的各个截面的弯曲度误差d_i=d_ci-d_si，由此确定叶片在加工过程中的弯曲度误差。

通过以上构思，由于将待测量叶片的多个截面的形心作为评判弯曲度误差的参考指标，图形形心能够准确地反映出各个截面的图形特性，并且形心的获取相对而言比较稳定且易于执行，因此按照本发明的方法能够更为快速、准确地用于确定叶片的加工弯曲度误差。此外，由于对整体的流程而言，通过采用了离散分布的点数据来计算弯曲度误差，与经过曲面拟合后再计算弯曲度误差的方式相比，能够在减少计算步骤的同时保证最终测量结果的精确性。

作为进一步优选地，所述对叶片测量模型和叶片设计模型分别获取其各个截面的形心的过程包括：

（i）获得所述截面的点云，并按照逆时针排序方式提取凸包；

（ii）将所述截面分割成m个呈现为三角形的基本图形，并根据这些基本图形的形心及面积来相应计算出截面的初始形心，其具体操作为：从所提取的凸包中取其一点作为所有三角形的固定点，然后按照逆时针方向依次取随后相邻的两点作为构成三角形的另外两点，由此获得多个三角形；对这些三角形分别计算其形心及面积，并按照下列公式求出截面的初始形心坐标（X₁，Y₁）： $X=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j{x}_j}{A},$ $Y=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j{y}_j}{A},$ $A=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j,$ 其中X、Y分别表示截面形心的x坐标值和y坐标值，x_j、y_j分别表示第j个三角形形心的x坐标值和y坐标值，A_j表示第j个三角形的面积，j=1,2,…,m，A表示所述m个三角形的面积之和；

（iii）将步骤（i）所获得的截面点云减去所述凸包，然后加上所述凸包上距离最大的两点由此构成新的点集，对该新的点集重复执行步骤（ii）中获得多个三角形并根据这些三角形共同求出形心的操作，由此相应获得新的形心坐标（X₂，Y₂）；

（iv）通过下列表达式求出最终确定的截面形心坐标（X_C，Y_C）：X_C=A₁X₁-A₂X₂，Y_C=A₁Y₁-A₂Y₂，其中A₁、A₂分别表示在步骤（ii）和（iii）中所计算出的三角形面积之和，X₁、X₂和Y₁、Y₂分别表示在步骤（ii）和（iii）中所计算出的形心的x坐标值和y坐标值。

通过以上构思的形心确定方式，一方面通过采用三角形来分隔叶片的截面，这样能够减少随后的点运算的复杂程度，并易于执行分隔操作；另一方面通过在所获得的初始形心位置的基础上，增加了能够反映叶片型面凹面和凸面特性的点数据来构建三角形，由此提高了所获得的三角形形心的精确度，进而能够较大程度地提高最终确定的截面形心位置的精确度。

作为进一步优选地，分别为待测量叶片和叶片设计模型所截取的多个截面包括叶片根部的截面和叶片顶部的截面。

由于叶片根部和叶片顶部通常作为叶片设计及检测的基本部位，通过对这些基本部位获取相应的截面并执行形心的计算以确定叶片的加工弯曲度误差，这样能够更大程度地提高加工弯曲度误差计算的准确性，并尽可能反映叶片型面自身的特性。

作为进一步优选地，所述叶片为工业发动机用叶片。

由于工业发动机用叶片自身的结构复杂，相对难以测量，因此一般会对其采用非接触式的测量来确定其型面特性，通过本发明，直接对测量获得多个离散点数据进行相应计算，这样在保证测量精度的同时能够减少数据运算的复杂度，因而尤其适用于对工业发动机叶片的加工弯曲度误差进行测量。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于改善叶片加工质量的方法，该方法包括按照以上方式所获得的加工弯曲度误差，来相应调整叶片加工过程中的加工参数，由此完成对叶片加工质量的改善过程。

通过本发明的用于确定叶片的加工弯曲度误差的方法及其相应的加工质量改善方法，与现有技术相比，其优点主要体现为：

1、通过将待测量叶片的多个截面的形心作为评判弯曲度误差的参考指标，并能够直接对叶片测量所获得的离散点进行处理和计算，这样与经过曲面拟合后再计算弯曲度误差的方式相比，能够在减少计算步骤的同时保证最终测量结果的精确性；

2、通过构建三角形来分割截面，能够以简单易操作的方式减少随后的点数据运算量，此外，由于在构建三角形的过程中增加能够反映叶片型面凹面和凸面特性的点数据，这样能提高所获得的三角形形心的精确度，相应提高最终确定的截面形心位置的精确度；

3、按照本发明的用于确定叶片的加工弯曲度误差的方法，由于在操作过程中考虑叶片自身的结构特征，并采用了对待测量的叶片进行建模、获取点云并提取凸包、获取反映各个截面特性的形心、图形分隔等技术手段，并能解决现有技术中未考虑从加工弯曲度角度来确定叶片型面特性的技术问题，相应获取快速、准确、稳定地测量叶片的加工弯曲度误差的技术效果，因此适用于譬如工业用发动机叶片之类的叶片零件的加工并有助于改善其制造效果并提高成品质量。

附图说明

图1为用于显示叶片在加工过程中的弯曲度误差的结构示意图；

图2为按照本发明的方法所获得的用于计算叶片弯曲度误差的点云示意图；

图3为按照本发明的利用三角形方式来切割截面并计算其形心的示意图；

图4为按照本发明的用于确定叶片加工过程中的弯曲度误差的方法的流程图。

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。

从目前叶片生产厂家的测量方式来看，大都偏重于叶片型线误差的检测，忽略了叶片在加工过程中的加工弯曲度误差的分析，而叶片的加工弯曲度对流经叶片的气体的流动状况等方面有重要影响。因此，在本发明中，希望通过构思一种新的便于操作的方法，以便在对叶片型面加工质量进行分析评估的过程中，更为准确地获取叶片在加工过程中的弯曲度误差结果。

图1为用于显示叶片在加工过程中的弯曲度误差的结构示意图。如图1所示，通过将待测量的叶片截取多个截面后，叶片的最上、最下截面的形心点A、B构成一条直线AB，通过分析叶片各个截面的形心C到直线AB的距离，即可反映待测量截面的各个截面的弯曲度程度d。由此，本发明构思通过分别计算出测量数据模型与设计模型对应的弯曲度，然后求出这两个弯曲度的多个差值，从而最终可确定反映叶片整体弯曲度误差程度的结果。

按照本发明，提供了一种用于确定叶片加工弯曲度误差的方法，除了如图4所示的主要步骤之外，该方法具体包括以下过程：

首先，为待测量的叶片建模，对建模后所获得的该叶片测量模型依次截取n个截面譬如9个截面，并获取各个截面的形心O_c1(x_c1，y_c1,z_c1)，O_c2(x_c2，y_c2,z_c2)，…，O_c9(x_c9，y_c9,z_c9)。然后，将这9个截面中位于第一和最后的截面的形心例如O_c1(x_c1，y_c1,z_c1)、O_c9(x_c9，y_c9,z_c9)相连，由此获得方向向量为S_c(x_c9-x_c1,y_c9-y_c1,z_c9-z_c1)的直线L_c；

接着，对作为比较基准的叶片设计模型同样依次截取n个截面譬如9个截面，并获取各个截面的形心O_s1(x_s1，y_s1,z_s1)，O_s2(x_s2，y_s2,z_s2)，…，O_s9(x_s9，y_s9,z_s9)，然后将这9个截面中位于第一和最后的截面的形心O_s1(x_s1，y_s1,z_s1)、O_s9(x_s9，y_s9,z_s9)相连，由此获得方向向量为S_s(x_s9-x_s1,y_s9-y_s1,z_s9-z_s1)的直线L_s；

接着，对待测量叶片的所述n个截面分别计算其形心与所述直线L_c之间的距离d_ci=|S_c×S_ci1|/|S_c|，其中S_c表示所述直线L_c的方向向量，S_ci1表示将第1、2、…、9个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量，并对叶片设计模型的所述多个截面分别计算其形心与所述直线L_s之间的距离d_si=|S_s×S_si1|/|S_s|，其中S_s表示所述直线L_s的方向向量，S_si1表示将第1、2、…、第9个截面和第1个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量；

最后，利用所计算出的d_ci、d_si，相应计算得出待测量叶片的各个截面的弯曲度误差d_i＝d_ci-d_si，由此确定叶片在加工过程中的弯曲度误差。

通过以上构思，由于将待测量叶片的多个截面的形心作为评判弯曲度误差的参考指标，而图形形心能够准确地反映出各个截面的图形特性，并且形心的获取相对而言比较稳定且易于执行，因此按照本发明的方法能够更为快速、准确地用于确定叶片的加工弯曲度误差。此外，由于对整体的流程而言，通过采用了离散分布的点数据来计算弯曲度误差，与经过曲面拟合后再计算弯曲度误差的方式相比，能够在减少计算步骤的同时保证最终测量结果的精确性。

如图3所示，在一个优选实施例中，本发明提出的对叶片测量模型和叶片设计模型分别获取其各个截面的形心的过程具体包括：

第一步，获得所述截面的点云，并按照逆时针排序方式提取凸包。

第二步，将所述截面分割成m个呈现为三角形的基本图形，并根据这些基本图形的形心及面积来相应计算出截面的初始形心，其具体操作为：从所提取的凸包中取其一点、譬如图3中位于最右侧的点作为所有待构造的三角形的固定点，然后按照逆时针方向依次取凸包上随后相邻的两点作为构成三角形的另外两点，由此获得多个三角形。对这些三角形，可以通过查表或其他常规方式可容易地分别计算出其形心及面积，并按照下列公式求出截面的初始形心坐标（X₁，Y₁）：

其中X、Y分别表示截面形心的x坐标值和y坐标值，x_j、y_j分别表示第j个三角形形心的x坐标值和y坐标值，A_j表示第j个三角形的面积，j=1,2,…,m，A表示所述多个三角形的面积之和，根据该公式所计算出的初始形心坐标被定义为（X₁，Y₁），以便与后续的计算结果（X₂，Y₂）相区别。

第三步，将所获得的截面点云减去所述凸包，然后加上所述凸包上距离最大的两点（也即能够反映叶片型面凹面和凸面特性的点）由此构成新的点集，对该新的点集重复执行以上步骤按照三角形分隔法获得多个三角形并根据这些三角形以及上述计算公式求出形心的操作，由此相应获得新的截面形心坐标（X₂，Y₂）。

最后，通过下列表达式求出最终确定的截面形心坐标（X_C，Y_C）：X_C＝A₁X₁-A₂X₂，Y_C＝A₁Y₁-A₂Y₂，其中A₁、A₂分别表示在第二步和第三步中所计算出的三角形面积之和，X₁、X₂分别表示在第二步和第三步中所计算出的形心的x坐标值，Y₁、Y₂分别表示在第二步和第三步中所计算出的形心的y坐标值。

通过以上构思的形心确定方式，一方面通过采用三角形来分隔叶片的截面，这样能够减少随后的点运算的复杂程度，并易于执行分隔操作；另一方面通过在所获得的初始形心位置的基础上，增加了能够反映叶片型面凹面和凸面特性的点数据来构建三角形，由此提高了所获得的三角形形心的精确度，进而能够较大程度地提高最终确定的截面形心位置的精确度。

经过较多的实验和实践表明，本发明尤其适用于工业发动机叶片的加工弯曲度误差计算，并能够根据所获得的计算结果来调整叶片加工参数，相应改善工业发动机叶片的加工质量和性能。

以下为共截取了包括叶片底面和顶面在内的9个截面，并运用本发明提出的方法所得到的叶片加工弯曲度误差的实际结果数值，如图2和下表所示：

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。

Claims (5)

1.一种用于确定叶片加工弯曲度误差的方法，该方法包括：

（1）为待测量的叶片建模，对该叶片测量模型依次截取n个截面并获取各个截面的形心O_ci(x_ci,y_ci,z_ci)，然后将所述n个截面中位于第一和最后的截面的形心O_c1(x_c1,_yc1,z_c1)、O_cn(x_cn,_ycn,z_cn)相连，由此获得方向向量为S_c(x_cn-x_c1,_ycn-_yc1,z_cn-z_c1)的直线L_c，其中x_ci,_yci,z_ci分别表示第i个截面的形心在模型坐标系中的x、y、z坐标值，i=1,2,...,n；

（2）对作为比较基准的叶片设计模型同样依次截取n个截面并获取各个截面的形心O_si(x_si,y_si,z_si)，然后将所述n个截面中位于第一和最后的截面的形心O_s1(x_s1,y_s1,z_s1)、O_sn(x_sn,y_sn,z_sn)相连，由此获得方向向量为S_s(x_sn-x_s1,y_sn-y_s1,z_sn-z_s1)的直线L_s，其中x_si,y_si,z_si分别表示第i个截面的形心在模型坐标系中的x、y、z坐标值，i=1,2,...,n；

（3）对待测量叶片的所述n个截面分别计算其形心与所述直线L_c之间的距离d_ci＝|S_c×S_ci1|/S_c|，其中S_c表示所述直线L_c的方向向量，S_ci1表示将第i个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量，并对叶片设计模型的所述n个截面分别计算其形心与所述直线L_s之间的距离d_si＝|S_s×S_si1|/|S_s|，其中S_s表示所述直线L_s的方向向量，S_si1表示将第i个截面和第一个截面的形心分别相连所获得直线的方向向量；

（4）利用步骤（3）所计算出的d_ci、d_si，相应计算得出待测量叶片的各个截面的弯曲度误差d_i＝d_ci-d_si，由此确定叶片在加工过程中的弯曲度误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对叶片测量模型和叶片设计模型分别获取其各个截面的形心的过程包括：

（i）获得所述截面的点云，并按照逆时针排序方式提取凸包；

（ii）将所述截面分割成m个呈现为三角形的基本图形，并根据这些基本图形的形心及面积来相应计算出截面的初始形心，其具体操作为：从所提取的凸包中取其一点作为所有三角形的固定点，然后按照逆时针方向依次取随后相邻的两点作为构成三角形的另外两点，由此获得多个三角形；对这些三角形分别计算其形心及面积，并按照下列公式求出截面的初始形心坐标（X₁，Y₁）： $X=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j{x}_j}{A},Y=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j{y}_j}{A},A=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j,$ 其中X、Y分别表示截面形心的x坐标值和y坐标值，x_j、y_j分别表示第j个三角形形心的x坐标值和y坐标值，A_j表示第j个三角形的面积，j=1,2,...,m，A表示所述m个三角形的面积之和；

（iii）将步骤（i）所获得的截面点云减去所述凸包，然后加上所述凸包上距离最大的两点由此构成新的点集，对该新的点集重复执行步骤（ii）中获得多个三角形并根据这些三角形共同求出形心的操作，由此相应获得新的形心坐标（X₂，Y₂）；

（iv）通过下列表达式求出最终确定的截面形心坐标（X_C，Y_C）：X_C＝A₁X₁-A₂X₂，Y_C＝A₁Y₁-A₂Y₂，其中A₁、A₂分别表示在步骤（ii）和（iii）中所计算出的三角形面积之和，X₁、X₂和Y₁、Y₂分别表示在步骤（ii）和（iii）中所计算出的形心的x坐标值和y坐标值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对待测量叶片和叶片设计模型所截取的n个截面各自包括叶片根部的截面和叶片顶部的截面。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述叶片为工业发动机用叶片。

5.一种用于改善叶片加工质量的方法，该方法包括按照如权利要求1-4任意一项所述的方法而获得的加工弯曲度误差，来相应调整叶片加工过程中的加工参数，由此完成对叶片加工质量的改善过程。

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