CN107526875B - 一种航空叶片型面加工误差可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空叶片型面加工误差可视化方法，具体包括：对加工后的叶片进行测量，并处理得到准确的叶身测量数据；对实测叶身型面进行重构；基于重构叶身模型纵向轮廓曲线，在Z轴方向上自适应的规划若干网格节点的等高面；在重构型面模型上构建具有节点层特征的网格模型；根据理论叶身型线，计算位于截面上各网格节点的轮廓度误差，并提取出各截面层的位置误差；根据叶身型面允差确定误差值与RGB颜色分量的映射关系，基于计算机图形库实现航空叶片型面加工误差的可视化显示。本发明的方法能够对叶片型面轮廓度误差、扭曲变形误差、掠变形误差、弯变形误差以及截面轮廓超差量进行准确、直观地可视化显示，可有效提高叶片型面质量评定效率。

Description

一种航空叶片型面加工误差可视化方法

技术领域

本发明属于质量检测领域，涉及航空发动机叶片加工质量检测，具体涉及航空叶片型面加工误差可视化方法。

背景技术

叶片是航空发动机的核心部件，其型面质量很大程度上决定了发动机的推进效率。随着发动机性能要求的不断提高，叶片型面检测技术在精度和效率方面也提出来更高的要求，而目前主要的叶片测量系统多以等高截面为分析单元，针对截面型线的各特征参数进行评定，缺乏对叶片整体型面加工误差准确、全面、直观地可视化分析，导致了目前叶片型面检测报告内容繁杂，截面检测信息之间相关性较差，工程技术人员难以根据检测结果对整体型面的超差和变形产生直观的认识，严重影响了叶片整体型面质量的检测效率。

在目前的误差检测结果可视化方法中，数模比对是最重要分析手段。目前市场上一些软件具备数模比对的功能，如Pro/ENGINEER软件中的“比较零件”模块；此外，部分文献资料也对数模比对方法进行了分析，如硕士论文“朱利敏.基于三角形网格的曲面匹配和误差分析.吉林大学,2012”中提出了基于三角形网格插值法的成形曲面和目标曲面的误差分析方法，在目标曲面上实现了曲面误差的可视化显示。但通过研究实践发现，上述通用的分析模块和现有可视化分析方法针对航空叶片型面加工误差进行可视化分析时，其结果的准确性和分析的效率都较低，并且对具有复杂自由曲面的薄壁叶片进行分析时，难以有效地对具有扭曲变形的叶身区域进行可视化分析。这主要是因为叶片其型面加工误差的构成复杂，不仅存在轮廓度误差还包含了扭曲变形误差、掠变形误差以及弯变形误差，且在叶身型面的加工质量要求中，也是通过给定各项误差的允差来实现对型面的质量控制，因此想要根据可视化云图直接对叶片型面质量进行评定，就必须分别对各项加工误差有针对性地进行可视化分析，而非直接校验综合误差，并且在实际工程应用中，叶片型面各区域的轮廓允差并不统一，通常情况下，叶片型面前后缘区域相对于叶盆、叶背区域有着更高的加工精度要求，因此想要准确地得到叶片型面各区域超差量的可视化信息，就必须综合考虑各区域允差要求，实现叶片型面加工误差的准确分析。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的叶片型面检测信息可视化程度低，以及传统的可视化分析方法不能对航空叶片型面加工误差进行高效、准确地分析的问题，提出了一种航空叶片型面加工误差可视化方法。

本发明的技术方案是：一种航空叶片型面加工误差可视化方法，具体包括如下步骤：

S1.对加工后的叶片进行测量，并处理得到准确的叶身测量数据；

S2.基于步骤S1中获得的测量数据，对实测叶身型面进行重构；

S3.基于重构叶身模型纵向轮廓曲线，在Z轴方向上自适应的规划若干网格节点的等高面；

S4.基于步骤S3中的等高截面，在重构型面模型上构建具有节点层特征的网格模型；

S5.根据步骤S3中的理论叶身型线，计算位于截面上各网格节点的轮廓度误差，并提取出各截面层的位置误差；

S6.根据叶身型面允差确定误差值与RGB颜色分量的映射关系，基于计算机图形库实现航空叶片型面加工误差的可视化显示。

进一步的，步骤S3的具体步骤如下：

S31.在重构模型的Z轴方向上均匀规划若干等高截面型线，提取该截面型线的前缘极值点，对提取的各极值点进行拟合，得到重构模型纵向轮廓曲线；

S32.根据轮廓曲线的曲率变化，确定其自适应特征点；

S33.根据特征点的Z值确定各等高截面，并结合理论模型确定各等高截面所对应的理论叶身型线。

进一步的，步骤S4的具体步骤如下：

S41.根据曲线特征点提取算法在重构模型顶层截面型线上提取出首层自适应网格节点；

S42.根据两相邻节点间的曲面v向参数线，对位于下一层截面上的节点进行规划，并根据最新节点构建相邻层网格单元，逐层循环，即可得到具有节点层特征的网格模型；

本发明的有益效果：本发明的叶身型面加工误差可视化方法，构建了具有节点层特征的自适应网格模型，采用了更符合叶片型面定义的截面分析法对叶片型面加工误差进行了分析，相对于传统的基于点-面距离的综合误差评价方法具有更高的分析效率，并且本发明的可视化分析方法对型面加工综合误差中的各项关键误差进行了单独分析，实现了对叶片轮廓度误差、扭曲变形误差、掠变形误差、弯变形误差的可视化显示，适用于大扭曲薄壁叶片型面的加工误差分析。此外，本发明方法还根据同一截面上自适应节点的疏密程度对节点所在区域进行了划分，可对叶身型面前、后缘区域与叶盆、叶背区域具有不同允差要求的航空叶片进行可视化分析，更符合叶片型面加工要求的实际情况。

附图说明

图1为本发明的叶身型面加工误差可视化方法流程示意图。

图2为本发明实施例中等高截面规划过程示意图。

图3为本发明实施例中首层网格节点规划结果图。

图4为本发明的网格模型构建原理图。

图5为本发明实施例中重构叶片的网格模型图。

图6为本发明的误差与RGB颜色分量的映射关系图。

图7为本发明实施例中叶片型面轮廓度误差可视化分析云图。

图8为本发明实施例中叶片型面扭曲变形误差可视化分析云图。

图9为本发明实施例中叶片型面掠变形误差可视化分析云图。

图10为本发明实施例中叶片型面弯变形误差可视化分析云图。

图11为本发明实施例中叶片型面某截面轮廓超差量可视化示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的具体实施例。需要说明的是：实施例中使用的叶片并不具备特殊性，本发明方法可通用于常规叶片的加工误差可视化分析。

本实施例以某型航空叶片为例，其叶身型面加工误差可视化分析方法的具体流程如图1所示，包括如下步骤：

S1：获取叶身型面测量数据

在这里具体可以通过接触式的坐标测量机采用等截面法对加工后的叶片进行测量，并对测量数据进行相应的预处理操作得到准确的叶身测量数据，即得到有序测量点集T_i，j，其中，i＝1，2…n；j＝1，2…m，n为测量截面层数，m为截面测量点数。

S2：叶身型面重构

基于步骤S1中的测量数据，采用双向非均匀有理B样条曲面整体插值法对实测叶身型面进行重构，即先根据测量型值点集T_i，j，通过反算算法求出其相应的控制点集，形成控制网格，最后通过正算算法即可完成实际叶身型面的重构。

S3：自适应规划网格节点等高面

基于重构叶身模型纵向轮廓曲线，在Z轴方向上自适应的规划若干网格节点的等高面，其具体步骤如下：

S31.在重构叶身型面数模的Z轴方向上均匀规划等高截面型线L_i(i＝0，1，…，h)，其中，h为规划层数，提取各截面型线的前缘极值点，设Q_i(i＝0，1，…，h)为得到的h+1个极值点，采用3次NURBS曲线对Q_i进行拟合生成纵向轮廓线C。

具体先采用弦长累积参数化法对Q_i进行参数化得到{u_i}，接着构建h+1个式(1)的线性方程组反求出控制顶点P_i。

其中，N_i，3(u)表示3次规范B样条基函数。

然后将得到的控制顶点P_i带入NURBS曲线定义式即可得到轮廓曲线C，其分段有理多项式矢函数为：

其中，w_i为各端点权因子，实施例中轮廓曲线C如图2中a所示。

S32.基于轮廓线C的曲率特征，采用曲线特征点提取算法规划拟合曲线特征点，确定其自适应特征点，具体为：首先在拟合曲线上等参数提取相对密集的搜索点集，再根据邻近点之间的最大允许间距和最小接收夹角对其进行选择，得到曲线相应特征点集。具体过程如下：

首先设定该曲线u向的最小寻找参数Δu，以及最小接收角γ的值，并计算邻近特征点之间的最大允许间距Maxdis＝L_c/h，其中，_Lc为曲线C的长度，设搜索点集中的元素为P_i，则：

P_i＝r(Δu*(i-1))(i＝1，2，…，1/Δu) (3)

设G_j(j＝1，…，k)为曲线特征点集，k为特征点数，也是截面规划层数，且G₁＝P₁，搜索点集的自适应精简算法如下：

①设N₁＝G_j＝P_i、N₀＝P_i-1、N₂＝P_i+1；

②计算点N₁与N₂之间的距离d，判断d与允许最大间距Maxdis的大小，若d＜Maxdis，则执行步骤③,若d≥Maxdis，则执行步骤④；

③计算直线N₁N₀与直线N₁N₂的夹角γ_t，若γ_t≥γ，则G_j+1＝N₂，i＝i+1，转至步骤⑤；若γ_t＜γ，则将N₂点的下一点P_i+s(s＝2，3，…)替换为当前N₂点，转至步骤②；

④提取N₂点的上一点

使

i＝i+s-1，转至步骤⑤；

⑤若i≤1/Δu-1，则j＝j+1转至步骤①，否则G_j+1＝P_1/Δu，结束运行。

说明：其中i＝1时，N₀为搜索点的最末点P_1/Δu。实施例中得到的曲线特征点G_j如图2中b所示。

S33.根据特征点G_j的Z值确定各等高截面的分布，且记截面高度为Z_j(j＝1，2，…，k)，并结合理论模型确定各等高截面所对应的理论叶身型线LN_j，实施例中得到的理论叶身型线LN_j如图2中c所示。

步骤S4：构建网格模型

基于步骤S3中的等高截面，在叶片型面重构模型上构建具有节点层特征的网格模型，其具体步骤如下：

S41.根据曲线特征点提取算法在重构模型顶层截面型线上提取出首层自适应网格节点，具体过程如下：

设重构曲面为S(u，v),根据步骤S3所确定的Z_j确定各等高截面的v向参数v_j，其中v₁＝0，v_k＝1，设P_i，j为重构曲面各等高截面上的型值点，则：

P_i，j＝S(u_i，v_j)(i＝1，2，…l，j＝1，2，…k) (4)

其中，l为截面型值点数，k为截面层数。

由公式(4)可知，顶层截面型值点为P_i，1，设重构曲面u向的最小寻找参数为Δu，且v_j＝v₁＝0，则其搜索点集P′_c，1为：

P′_c，1＝S(Δu*(c-1)，v₁)(c＝1，2，…1/Δu) (5)

再运用步骤S3中的搜索点集自适应精简算法即可提取出顶层节点P_i，1，同时将各节点对应的u向参数记为U_i，1，实施例中首层网格节点点集P_i，1，如图3所示。

S42.根据首层节点P_i，1，逐层构建网格模型，具体为：根据两相邻节点间的曲面u向参数线对位于下一层截面上的节点进行规划，并根据最新节点构建相邻层网格单元，逐层循环，得到具有节点层特征的网格模型。

具体实现算法如下：

①设点P_i，j＝S(u1，v_j)，点P_i+1，j＝S(u2，v_j)，其中，参数u1＝U_i，j，参数u2＝U_i+1，j；

②计算下一层对应网格节点P_i，j+1，设其u向参数为u3，若|u2-u1|≤5*Δu，则u3＝(u1+u2)*0.5；若|u2-u1|＞5*Δu，同时u1+u2≥1，则u3＝(u1+u2-1)*0.5，否则u3＝(3u2-u1-1)*0.5；确定参数u3之后，则P_i，j+1＝S(u3，v_j+1)，且记U_i，j+1＝u3。

③构建与点P_i，j+1相关的网格单元，连接点P_i，j、P_i+1，j、P_i，j+1以及点P_i，j、P_i，j+1、P_i-1，j+1构成三角网格单元组，其原理如图4所示。

④若i-l≤0成立，则i＝i+1，转至步骤①；否则执行下一层三角网格重构j＝j+1，转至步骤①，直至j＝k,则结束运行。

说明：当P_i，j为P_i，l时，此时P_i，j+1＝P_i，1。实施例中在重构模型上构建的具有节点层特征的网格模型如图5所示。

S5：叶片加工误差提取

准确地显示出叶身型面的各项加工误差能够直观地反映出其型面质量的制造水平，在完成对叶片型面重构模型的网格划分之后，其加工误差可视化分析还需进一步提取各网格节点的加工误差。叶片型面加工误差主要包括了轮廓度误差、扭曲变形误差、掠变形误差以及弯变形误差，其各项误差提取的主要过程如下：

(1)根据步骤S3中的截面高度Z_j提取位于该截面上的网格节点点集P_i，j，以及其对应的理论叶身型线LN_j。

(2)计算实际点集和理论曲线的形心，采用迭代最近点(ICP)算法实现点集P_i，j与理论曲线LN_j的最佳配准，得到各截面的扭曲误差TW_j、掠变形误差Xd_j以及弯变形误差Yd_j。

(3)完成配准后，采用分割逼近法求取各点P′_i，j到理论曲线LN_j的最小距离E_i，j。

S6：加工误差可视化

根据叶身型面加工要求确定误差值与RGB颜色分量的映射关系，基于计算机图形库实现叶片型面轮廓度误差、扭曲变形误差、掠变形误差、弯变形误差以及截面轮廓超差量的可视化显示；主要过程如下：

(1)节点区域划分

由于叶片型面叶盆、叶背区域与前缘、后缘区域的加工允差要求可能不一致，因此必须对各网格节点所在区域进行划分。由步骤S3可知，各层截面上的自适应节点点集为P_i，j，根据同一截面点集的疏密层度den_i，d对三角节点所在区域进行划分，其中，den_i，d由最大允许长度Maxdis内所包含的节点数进行确定，由den_i，d的大小可将各节点分为边缘节点与叶身节点两类。

(2)映射关系确定

根据叶身型面加工允许偏差，构建叶身型面各项提取误差与RGB颜色模式下的各颜色分量的映射关系，彩色云图映射关系如图6所示。

(3)轮廓度误差可视化分析

根据叶身型面轮廓度误差E_i，j与图6中的映射关系，设定各三角网格节点的颜色Color_i，j，再基于步骤四中所得到的节点层网格模型，运用计算机图形库以及模型显示的颜色插值机制，实现叶身型面加工误差可视化云图的绘制与显示。为直观地反映出各项误差，在此基于灰度云图对各项误差进行显示，实施例中叶身型面轮廓度误差云图如图7所示。

(4)扭曲变形误差可视化分析

根据扭曲变形误差TW_j的值确定叶片型面各层扭曲变形对应的颜色TColor_j，设定该层上所有节点颜色均为TColor_j，即可实现对扭曲变形误差的可视化显示，实施例中叶身型面扭曲变形误差云图如图8所示。

(5)掠变形误差可视化分析

根据掠变形误差Xd_j的值确定叶片型面各层掠变形对应的颜色XColor_j，设定该层上所有节点颜色均为XColor_j，即可实现对掠变形误差的可视化显示，实施例中叶身型面掠变形误差云图如图9所示。

(6)弯变形误差可视化分析

根据弯变形误差Yd_j的值确定叶片型面各层弯变形对应的颜色YColor_j，设定该层上所有节点颜色均为YColor_j，即可实现对弯变形误差的可视化显示，实施例中叶身型面弯变形误差云图如图10所示。

(7)截面轮廓超差量可视化分析

在截面理论曲线LN_j的基础上，根据其对应的截面网格节点P_i，j绘制出叶片实际截面轮廓，再根据各节点轮廓偏差E_i，j，并结合节点区域分布信息以及对应区域允差要求确定各节点的超差量dev_i，j，最后在实际轮廓上结合dev_i，j与公差曲线对截面超差量进行可视化显示。实施例中第35层截面如图11所示。

本发明的航空叶片型面加工误差可视化方法，不仅可以高效、准确地对叶片轮廓度误差、扭变形误差、掠变形误差以及弯变形误差进行可视化分析，而且还能够对叶片型面各截面轮廓超差量进行可视化显示。本发明提供的方法适用于叶片型面加工质量检测分析中，工程技术人员能够直接根据可视化分析云图对叶片整体型面的超差和变形做出直观的判断，可有效地提高叶片整体型面质量的检测效率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种航空叶片型面加工误差可视化方法，具体包括如下步骤：

S1.对加工后的叶片进行测量，并处理得到准确的叶身测量数据；

S2.基于步骤S1中获得的测量数据，对实测叶身型面进行重构；

S3.基于重构叶身模型纵向轮廓曲线，在Z轴方向上自适应的规划若干网格节点的等高面；

步骤S3的具体分步骤如下：

S31.在重构叶身型面数模的Z轴方向上均匀规划等高截面型线L_i，i＝0，1，…，h，其中，h为规划层数，提取各截面型线的前缘极值点Q_i，i＝0，1，…，h，采用3次NURBS曲线对Q_i进行拟合即可生成纵向轮廓线C；

S32.基于轮廓线C的曲率特征，采用曲线特征点提取算法规划拟合曲线特征点，确定其自适应特征点，具体为：首先在拟合曲线上等参数提取搜索点集，再根据邻近点之间的最大允许间距和最小接收夹角对其进行选择，得到曲线相应特征点集，具体过程如下：

首先设定该曲线u向的最小寻找参数Δu，以及最小接收角γ的值，并计算邻近特征点之间的最大允许间距Maxdis＝L_c/h，其中，L_c为曲线C的长度，设搜索点集中的元素为P_i，则：

P_i＝r(Δu*(i-1))，i＝1，2，…，1/Δu (3)

设G_j，j＝1，…，k，为曲线特征点集，k为特征点数，也是截面规划层数，且G₁＝P₁，搜索点集的自适应精简算法如下：

①设N₁＝G_j＝P_i、N₀＝P_i-1、N₂＝P_i+1；

②计算点N₁与N₂之间的距离d，判断d与允许最大间距Maxdis的大小，若d＜Maxdis，则执行步骤③，若d≥Maxdis，则执行步骤④；

③计算直线N₁N₀与直线N₁N₂的夹角γ_t，若γ_t≥γ，则G_j+1＝N₂，i＝i+1，转至步骤⑤；若γ_t＜γ，则将N₂点的下一点P_i+s替换为当前N₂点，其中，s＝2，3，…，转至步骤②；

④提取N₂点的上一点

使

i＝i+s-1，转至步骤⑤；

⑤若i≤1/Δu-1，则j＝j+1转至步骤①，否则G_j+1＝P_1/Δu，结束运行；

S33.根据特征点G_j的Z值确定各等高截面的分布，且记截面高度为Z_j，j＝1，2，…，k，

并结合理论模型确定各等高截面所对应的理论叶身型线LN_j；

S4.基于步骤S3中的等高截面，在重构型面模型上构建具有节点层特征的网格模型，具体步骤如下：

S5.根据步骤S3中的理论叶身型线，计算位于截面上各网格节点的轮廓度误差，并提取出各截面层的位置误差；

S6.根据叶身型面允差确定误差值与RGB颜色分量的映射关系，基于计算机图形库实现航空叶片型面加工误差的可视化显示。

2.根据权利要求1所述的航空叶片型面加工误差可视化方法，其特征在于，步骤S4的具体实现过程如下：

S41.根据曲线特征点提取算法在重构模型顶层截面型线上提取出首层自适应网格节点；

S42.根据两相邻节点间的曲面v向参数线，对位于下一层截面上的节点进行规划，并根据最新节点构建相邻层网格单元，逐层循环，即可得到具有节点层特征的网格模型。

3.根据权利要求2所述的航空叶片型面加工误差可视化方法，其特征在于，步骤S4的具体分步骤如下：

S41.根据曲线特征点提取算法在重构模型顶层截面型线上提取出首层自适应网格节点，具体过程如下：

设重构曲面为S(v，v)，根据步骤S3所确定的Z_j确定各等高截面的v向参数v_j，其中v₁＝0，v_k＝1，设P_i，j为重构曲面各等高截面上的型值点，则：

P_i，j＝S(u_i，v_j)，i＝1，2，…l，j＝1，2，…k (4)

其中，l为截面型值点数，k为截面层数；

由式(4)可知，顶层截面型值点为P_i，1，设重构曲面u向的最小寻找参数为Δu，且v_j＝v₁＝0，则其搜索点集P′_c，1为：

P′_c，1＝S(Δu*(c-1)，v₁)，c＝1，2，…1/Δu (5)

再运用步骤S3中的搜索点集自适应精简算法即可提取出顶层节点P_i，1，同时将各节点对应的u向参数记为U_i，1，首层网格节点点集设为P_i，1；

S42.根据首层节点P_i，1，逐层构建网格模型，具体为：根据两相邻节点间的曲面u向参数线对位于下一层截面上的节点进行规划，并根据最新节点构建相邻层网格单元，逐层循环，得到具有节点层特征的网格模型，具体实现算法如下：

①设点P_i，j＝S(u1，v_j)，点P_i+1，j＝S(u2，v_j)，其中，参数u1＝U_i，j，参数u2＝U_i+1，j；

②计算下一层对应网格节点P_i，j+1，设其u向参数为u3，若|u2-u1|≤5*Δu，则u3＝(u1+u2)*0.5；若|u2-u1|＞5*Δu，同时u1+u2≥1，则u3＝(u1+u2-1)*0.5，否则u3＝(3u2-u1-1)*0.5；确定参数u3之后，则P_i，j+1＝S(u3，v_j+1)，且记U_i，j+1＝u3；

③构建与点P_i，j+1相关的网格单元，连接点P_i，j、P_i+1，j、P_i，j+1以及点P_i，j、P_i，j+1、P_i-1，j+1构成三角网格单元组；

④若i-l≤0成立，则i＝i+1，转至步骤①；否则执行下一层三角网格重构j＝j+1，转至步骤①，直至j＝k，则结束运行。

4.根据权利要求1所述的航空叶片型面加工误差可视化方法，其特征在于，步骤S6所述的叶片型面加工误差的可视化分析包括：叶身型面轮廓度误差可视化云图分析、叶身型面扭曲变形误差可视化云图分析、叶身型面掠变形误差可视化云图分析、叶身型面弯变形误差可视化云图分析、叶片截面轮廓超差量可视化分析。

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