CN107357959A - 一种高精度的叶片截面特征参数提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的叶片截面特征参数提取方法，采用三次NURBS曲线拟合闭合型线，并利用自相交法提取中弧线，使整个参数提取过程不依赖于测量数据的区域划分；采用迭代法精确提取前后缘，从而高精度地获得前缘点和后缘点；基于前后缘获得弦线，并将数据分为凹凸两段，从而采用简化方法求得最大厚度。通过本方法，可以稳定、高精度地提取叶片截面特征参数，对于叶片的加工误差检测以及叶片重建具有重要的实用价值。

Description

一种高精度的叶片截面特征参数提取方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种特征参数提取方法，尤其是一种高精度的叶片截面特征参数提取方法。

背景技术

叶片是燃气轮机的关键部件之一，广泛应用于发电、航空和舰船等领域。随着现代制造业的发展，对叶片的设计、生产和检测提出了越来越高的要求。叶片设计时，截面型线是关键。设计人员采用若干个特定高度的截面型线来控制整个叶片型面的三维轮廓，进而对叶片的气动、强度和振动等性能进行评估和校核。因此，无论对叶片加工进行误差检测，还是逆向工程中对叶片重建，都需要稳定、高精度地对截面型线特征参数进行提取。

叶片截面特征参数主要包括中弧线、前后缘半径、弦长、最大厚度等，这些参数对整个叶片的性能有非常重要的影响。其中，中弧线是叶片截面型线的内接圆圆心构成的一条连续曲线，是反映叶片气动性能的重要参数。叶型最大厚度是叶片截面型线最大内切圆的直径，是所有特征参数里要求精度最高的。

迄今为止，人们对叶片检测和截面型线特征参数的提取进行了大量的研究。现有的叶片型线特征参数提取方法，基本都需要预先将型线数据分为叶盆、叶背、前缘和后缘4部分进行处理，然后才能进行接下来的参数提取过程。常用的截面数据划分基于距离阈值法和凸包算法。距离阈值法可以简单高效地对理论型线数据进行区域划分，但是该方法强烈依赖于数据本身的距离设定和分布特点，对于采用不同测量手段得到的实测数据很难适用。凸包算法基本上能满足大部分叶片数据的区域划分，但是对于某些特殊叶片截面，凸包算法可能会引起区域划分紊乱，比如将原本属于叶背上的非凸点划分到叶盆上，导致后续的截面型线特征参数的提取精度较差甚至提取失败。目前对于中弧线、前后缘的圆心半径等数据的提取高度依赖于截面数据的区域划分，微小的划分误差都将对提取结果产生较大影响，并且一般很难得到完整的从前缘点到后缘点的中弧线。

综上所述，研究一种高精度的、更通用的叶片截面特征参数提取方法尤为重要，符合叶片检测的发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高精度的叶片截面特征参数提取方法，该方法使参数提取结果不依赖于预先的数据区域划分，不受测量数据分布特点的影响，能适用于更多种类的叶片；特征参数的提取具有更高的精度，为叶片重建和叶片加工误差的检测提供更有效的参考。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种高精度的叶片截面特征参数提取方法，包括以下步骤：

步骤一，对预处理后的型线实测数据进行闭合曲线拟合；

步骤二，利用闭合曲线求取中弧线；

步骤三，基于中弧线，采用迭代法精确提取前后缘尺寸；

步骤四，基于中弧线求取叶型的前缘点和后缘点，得到完整中弧线；

步骤五，基于前缘和后缘求取弦线和弦长；

步骤六，采用简化方法求取最大厚度。

进一步，以上步骤一中：型线实测数据的预处理为：读入叶片截面型线的实测数据，剔除粗大误差点，进行数据光顺和排序。

进一步，以上步骤一中：采用三次NURBS曲线，通过反求控制点对整个型线的数据进行闭合曲线拟合，与理论型线的设计方式一致。

进一步，以上步骤二中，针对闭合型线，利用求等距线自交点的方式高精度地提取出中弧线。

进一步，以上步骤三中，基于所提取的中弧线的切矢的连续变化性，先求得中弧线的端点切矢，并且以中弧线端点到原始测量点构成矢量，从所有原始测量点中找到测量点所构矢量与中弧线端点切矢近似成0°的测量数据点，且测量数据点的点数要大于5，初步拟合出前后缘圆弧的圆心C和半径R，然后采用距离阈值法，计算原始测量点到圆心C的距离，如果距离在R+δ范围内，则将该点划分到前缘数据数组或者后缘数据数组中，利用新的前后缘数据拟合得到新的更加准确的前后缘圆心和半径，其中δ为设定距离阈值；每一次迭代都基于前一次得到的圆心和半径，将获得更准确的前后缘数据以及圆心和半径；直到拟合圆心和半径不再变化时，则停止迭代，得到精确的前缘数据和尺寸。

进一步，以上步骤四中，完整中弧线包括前后缘的圆心以及前缘点和后缘点；其中，前缘点为利用中弧线上前缘圆心的切线与前缘圆弧求交点的方式获得，后缘点为利用中弧线上后缘圆心的切线与后缘圆弧求交点的方式获得。

进一步，以上步骤五中，弦线方向定义为前缘和后缘的公切线方向；将截面数据在弦线方向上投影，相距最远的两个投影点之间的距离为弦长。

进一步，以上步骤六中，求取最大厚度的简化方法的主要思想为：

基于完整中弧线，以前缘点和后缘点为界，将闭合曲线插值加密后的型线数据分为凸段和凹段；得到加密后的凸段数据记为P_1i(x_1i,y_1i)，凹段数据记为P_2j(x_2j,y_2j)；求取凸段数据与凹段数据之间的距离，表示为则叶片截面的最大厚度为max{min{d_i}}；点数较密时，即可得到精度高的最大厚度提取结果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用三次NURBS曲线，对叶片截面型线数据进行闭合拟合，并采用自相交法以较高的精度提取闭合型线的中弧线，然后基于中弧线进行后续其他特征参数的提取。该特征参数提取方法不需要预先对截面数据进行区域划分，不受限于测量点的疏密、凹凸等分布特点，避免了叶片数据区域划分的误差或失败对特征参数提取过程的影响，因而该参数提取方法具有更好的通用性和精度。

进一步，本发明通过迭代法精确提取前后缘尺寸，并基于精度较高的前后缘圆弧和中弧线求取前缘点和后缘点，基于前缘和后缘求取弦线和弦长。整个过程环环相扣，可实现参数提取的完全自动化，并且保证了提取结果的高精度。

附图说明

图1为本发明叶片截面特征参数提取算法流程图；

图2为本发明中各截面型线特征参数定义的示意图；

图3为本发明提取的前后缘、完整中弧线、弦线和最大内切圆。

具体实施方式

本发明的高精度的叶片截面特征参数提取方法，包括以下步骤：

步骤一，对预处理后的型线实测数据进行闭合曲线拟合；

其中型线实测数据的预处理为：读入叶片截面型线的实测数据，剔除粗大误差点，进行数据光顺和排序。

采用三次NURBS曲线，通过反求控制点对整个型线的数据进行闭合曲线拟合，与理论型线的设计方式一致。

步骤二，利用闭合曲线求取中弧线；具体为：针对闭合型线，利用求等距线自交点的方式高精度地提取出中弧线。

步骤三，基于中弧线，采用迭代法精确提取前后缘尺寸；具体为：

基于所提取的中弧线的切矢的连续变化性，先求得中弧线的端点切矢，并且以中弧线端点到原始测量点构成矢量，从所有原始测量点中找到测量点所构矢量与中弧线端点切矢近似成0°的测量数据点，且测量数据点的点数要大于5，初步拟合出前后缘圆弧的圆心C和半径R，然后采用距离阈值法，计算原始测量点到圆心C的距离，如果距离在R+δ范围内，则将该点划分到前缘数据数组或者后缘数据数组中，利用新的前后缘数据拟合得到新的更加准确的前后缘圆心和半径，其中δ为设定距离阈值(δ一般取0.1mm)；每一次迭代都基于前一次得到的圆心和半径，将获得更准确的前后缘数据以及圆心和半径；直到拟合圆心和半径不再变化时，则停止迭代，得到精确的前缘数据和尺寸。

步骤四，基于中弧线求取叶型的前缘点和后缘点，得到完整中弧线；具体为：

完整中弧线包括前后缘的圆心以及前缘点和后缘点；其中，前缘点为利用中弧线上前缘圆心的切线与前缘圆弧求交点的方式获得，后缘点为利用中弧线上后缘圆心的切线与后缘圆弧求交点的方式获得。

步骤五，基于前缘和后缘求取弦线和弦长：

弦线方向定义为前缘和后缘的公切线方向；将截面数据在弦线方向上投影，相距最远的两个投影点之间的距离为弦长。

步骤六，采用简化方法求取最大厚度。求取最大厚度的简化方法的主要思想如下：

基于完整中弧线，以前缘点和后缘点为界，将闭合曲线插值加密后的型线数据分为凸段和凹段；得到加密后的凸段数据记为P_1i(x_1i,y_1i)，凹段数据记为P_2j(x_2j,y_2j)；求取凸段数据与凹段数据之间的距离，表示为则叶片截面的最大厚度为max{min{d_i}}；点数较密时(一般取插值间隔小于0.2mm)，即可得到精度高的最大厚度提取结果。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：

参见图1-3，本实施例具体包括以下步骤：

1)读入叶片截面型线的实测数据，剔除粗大误差点，进行数据光顺和排序；

2)对预处理后的型线实测数据采用三次NURBS曲线，通过反求控制点进行闭合曲线拟合；

3)利用自相交法高精度地提取出中弧线，包括以下步骤：

3.1)对于NURBS闭环拟合所得的叶片型线，在不同的偏置距离上求型线的精确等距线；设预处理后的型线实测点列共n个点，构造的NURBS曲线共n段，记为C_i(t)，每一段沿内法线方向的单位法矢记为N_i(t)，其中t为曲线参数，i＝1,2,…,n，设l为偏置距离，则等距线为C_i,r(t)＝C_i(t)+l*N_i(t)，i＝1,2,...n。

3.2)求每一条等距线的自交点；当取不同的偏置距离时，可能会出现无自交点、1个自交点、2个自交点、2个以上自交点这四种情况。依据叶盆和叶背曲线的凹凸性，保留1个自交点和2个自交点这两种情况下的自交点作为中弧线上的点。

3.3)对所有保留的自交点进行排序，插值形成光顺的中弧线。

4)基于中弧线，采用迭代法精确提取前后缘尺寸，包括以下步骤：

4.1)基于所提取的中弧线的切矢的连续变化性，取中弧线上最前端的两个点构成矢量，记为向量A，从端点的前面一个点指向端点，近似认为是前缘的半径方向；取中弧线的前端点与每个原始测量点构成矢量，记为向量B_i，从端点指向测量点；A与B_i所形成的夹角记为θ_i，在所有原始测量点中寻找θ_i∈[-20°～20°]的点记为初始前缘数据点Q_j，利用这些数据拟合出一个圆，这个圆的圆心和半径就是初始前缘圆心C₀和初始前缘半径R₀。

4.2)采用距离阈值法提取更精确的前缘数据：近似认为原始测量数据点与前缘圆心的距离与前圆半径相差小于0.1mm时，该测量点属于前缘；

4.3)利用新获得的前缘数据点拟合出一个圆，得到更精确的前缘圆心和前缘半径；

4.4)重复第二步和第三步，直到拟合圆心和半径不再变化时，则停止迭代，得到精确的前缘数据和前缘尺寸。

5)利用中弧线上前缘圆心的切线与前缘圆弧求交点的方式求得前缘点，利用中弧线上后缘圆心的切线与后缘圆弧求交点的方式求得后缘点，拟合包括了前后缘的圆心以及前缘点和后缘点的中弧线数据，得到完整中弧线。

6)求前缘和后缘的公切线为弦线方向；将截面数据在弦线方向上投影，相距最远的两个投影点之间的距离为弦长。

7)采用简化方法求取最大厚度：

基于完整中弧线，以前缘点和后缘点为界，将闭合曲线插值加密后的型线数据分为凸段和凹段；得到加密后的凸段数据记为P_1i(x_1i,y_1i)，凹段数据记为P_2j(x_2j,y_2j)；求取凸段数据与凹段数据之间的距离，可表示为则叶片截面的最大厚度为max{min{d_i}}。若选取插值间隔为0.1mm，对于理论最大厚度不小于10mm的叶片截面，提取得到的最大厚度的误差不大于0.5um。

Claims (8)

1.一种高精度的叶片截面特征参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对预处理后的型线实测数据进行闭合曲线拟合；

步骤二，利用闭合曲线求取中弧线；

步骤三，基于中弧线，采用迭代法精确提取前后缘尺寸；

步骤四，基于中弧线求取叶型的前缘点和后缘点，得到完整中弧线；

步骤五，基于前缘和后缘求取弦线和弦长；

步骤六，采用简化方法求取最大厚度。

2.根据权利要求1所述的高精度的叶片截面特征参数提取方法，其特征在于，步骤一中，型线实测数据的预处理为：读入叶片截面型线的实测数据，剔除粗大误差点，进行数据光顺和排序。

3.根据权利要求1所述的高精度的叶片截面特征参数提取方法，其特征在于，步骤一中，采用三次NURBS曲线，通过反求控制点对整个型线的数据进行闭合曲线拟合，与理论型线的设计方式一致。

4.根据权利要求1所述的高精度的叶片截面特征参数提取方法，其特征在于，步骤二中，针对闭合型线，利用求等距线自交点的方式高精度地提取出中弧线。

5.根据权利要求1所述的高精度的叶片截面特征参数提取方法，其特征在于，步骤三中，基于所提取的中弧线的切矢的连续变化性，先求得中弧线的端点切矢，并且以中弧线端点指向原始测量点构成矢量，从所有原始测量点中找到测量点所构矢量与中弧线端点切矢近似成0°的测量数据点，且测量数据点的点数要大于5，初步拟合出前后缘圆弧的圆心C和半径R，然后采用距离阈值法，计算原始测量点到圆心C的距离，如果距离在R+δ范围内，则将该点划分到前缘数据数组或者后缘数据数组中，利用新的前后缘数据拟合得到新的更加准确的前后缘圆心和半径，其中δ为设定距离阈值；每一次迭代都基于前一次得到的圆心和半径，将获得更准确的前后缘数据以及圆心和半径；直到拟合圆心和半径不再变化时，则停止迭代，得到精确的前缘数据和尺寸。

6.根据权利要求1所述的高精度的叶片截面特征参数提取方法，其特征在于，步骤四中，完整中弧线包括前后缘的圆心以及前缘点和后缘点；其中，前缘点为利用中弧线上前缘圆心的切线与前缘圆弧求交点的方式获得，后缘点为利用中弧线上后缘圆心的切线与后缘圆弧求交点的方式获得。

7.根据权利要求1所述的高精度的叶片截面特征参数提取方法，其特征在于，步骤五中，弦线方向定义为前缘和后缘的公切线方向；将截面数据在弦线方向上投影，相距最远的两个投影点之间的距离为弦长。

8.根据权利要求1所述的高精度的叶片截面特征参数提取方法，其特征在于，步骤六中，求取最大厚度的简化方法的主要思想为：

基于完整中弧线，以前缘点和后缘点为界，将闭合曲线插值加密后的型线数据分为凸段和凹段；得到加密后的凸段数据记为P_1i(x_1i,y_1i)，凹段数据记为P_2j(x_2j,y_2j)；求取凸段数据与凹段数据之间的距离，表示为则叶片截面的最大厚度为max{min{d_i}}；点数较密时，即可得到精度高的最大厚度提取结果。