CN111400667B - 一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统 - Google Patents

一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111400667B
CN111400667B CN202010247950.XA CN202010247950A CN111400667B CN 111400667 B CN111400667 B CN 111400667B CN 202010247950 A CN202010247950 A CN 202010247950A CN 111400667 B CN111400667 B CN 111400667B
Authority
CN
China
Prior art keywords
point set
blade
points
aviation
blade profile
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010247950.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111400667A (zh
Inventor
李文龙
金福权
蒋诚
冯胜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202010247950.XA priority Critical patent/CN111400667B/zh
Priority to EP20904298.5A priority patent/EP3910504A4/en
Priority to PCT/CN2020/095990 priority patent/WO2021196408A1/zh
Publication of CN111400667A publication Critical patent/CN111400667A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111400667B publication Critical patent/CN111400667B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/18—Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2200/00—Mathematical features
    • F05D2200/10—Basic functions
    • F05D2200/14—Division
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2200/00—Mathematical features
    • F05D2200/20—Special functions
    • F05D2200/21—Root
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/121—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the leading edge of a stator vane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/122—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the trailing edge of a stator vane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/304—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the trailing edge of a rotor blade

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Probability & Statistics with Applications (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Image Analysis (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统，属于航空叶片检测领域，其中方法包括：对航空叶片的叶型轮廓测点集中所有点进行曲率估计，基于曲率分布在叶型轮廓测点集中进行降采样，利用采样叶型轮廓测点随机进行拟合圆，实现叶型轮廓分割，得到前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集；分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带范围和线性约束，构建目标匹配函数，求解目标匹配函数，得到最优位姿；利用最优位姿对航空叶片进行刚体变换，将刚体变换后的航空叶片与设计叶片进行比较，判断航空叶片叶型是否合格。本发明航空叶片与设计叶片的匹配结果更真实，进而提高叶片检测的准确率。

Description

一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统
技术领域
本发明属于航空叶片检测领域，更具体地，涉及一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统。
背景技术
航空发动机作为世界公认的结构最复杂，技术门槛最高的工业产品，一直被誉为工业皇冠上的明珠，而航空叶片作为航空发动机的核心部件，其直接影响航空发动机的气动性能，因此对其进行精确的型面质量控制尤为重要。目前，在航空叶片的叶型检测中，多是基于等公差带约束的匹配方法，即叶型轮廓测点与叶型轮廓设计模型进行匹配，然后判断各点误差值是否超差，超差则航空叶片叶型不合格，否则合格。这种方法难以对叶片叶型前缘、后缘、叶盆及叶背进行不同的精度控制，且由于叶型前缘、后缘、叶盆及叶背的测点密度不均，在等公差约束下的匹配常常会导致匹配结果失真，即向叶盆及叶背方向滑移，进而导致叶型前缘后缘超过公差，误报叶型不合格。
由此可见，现有技术存在匹配结果失真、误报叶型不合格的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统，由此解决现有技术存在匹配结果失真、误报叶型不合格的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法，包括如下步骤：
(1)对航空叶片的叶型轮廓测点集中所有点进行曲率估计，得到曲率分布，基于曲率分布在叶型轮廓测点集中进行降采样，得到采样叶型轮廓测点；
(2)利用采样叶型轮廓测点随机进行拟合圆，实现叶型轮廓分割，得到前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集；
(3)在设计叶片的轮廓测点集中搜索叶型轮廓测点集中每个点的最近点，组成最近点集，利用叶型轮廓测点集和最近点集进行无约束匹配，得到初始位姿，分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带范围和线性约束，构建目标匹配函数，将初始位姿作为初始值，求解目标匹配函数，得到最优位姿；
(4)利用最优位姿对航空叶片进行刚体变换，将刚体变换后的航空叶片与设计叶片进行比较，判断航空叶片叶型是否合格。
进一步地，曲率估计的具体实现方式为：
对航空叶片的叶型轮廓测点集中点pi，利用pi及其相邻两点pi-1、pi+1拟合二次曲线，计算二次曲线在pi处的一阶导数y′及二阶导数y″，进而求得pi的曲率
Figure GDA0003236277890000021
进一步地，降采样的具体实现方式为：
计算叶型轮廓测点集中离散点间的曲率和，使得相邻采样间隔k1和k2满足关系
Figure GDA0003236277890000022
κi表示叶型轮廓测点集中第i个点的曲率。
进一步地，步骤(2)包括：
(21)设置最大拟合次数kmax，从采样叶型轮廓测点中随机抽取3个点最小二乘拟合圆，随后将其余点代入判断是否位于该圆内，并记录在该圆上的点数量ni，重复进行kmax次拟合，选择其中规模最大的两个圆，即为拟合得到的前缘和后缘，得到前缘的圆心(x,yl)及半径rl，后缘的圆心(xt,yt)及半径rt；
(22)利用前缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索前缘点集，利用后缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索后缘点集，进而得到叶盆点集和叶背点集。
进一步地，前缘点集和后缘点集的搜索方法相同，所述搜索方法为：基于前缘的圆心(xl，yl)、半径rl及给定半径误差阈值δr，在叶型轮廓测点集中搜索所有满足rl-δr≤|d|≤rl+δr的点，得到前缘点集，d为前缘的圆心与叶型轮廓测点集中点的距离。
进一步地，目标匹配函数的具体构建方式为：
分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带上限
Figure GDA0003236277890000031
与下限
Figure GDA0003236277890000032
j＝1、2、3、4，1代表前缘点集，2代表后缘点集，3代表叶盆点集，4代表叶背点集，引入4个范围取值在0-1的变量η1，η2，η3，η4将分段约束转换为线性约束，即
Figure GDA0003236277890000033
Figure GDA0003236277890000034
i＝ηjsj，sj为分割叶型轮廓的四个分界点的序号，对于序号为(s1，s2)之间的点，i＝η1s1+η2s2，且η1+η2＝1，其他分界点之间i的计算方法与之一致，R是旋转矩阵，t是平移矩阵，pi是叶型轮廓测点，qi是pi在设计叶片的轮廓测点集中的最近点，进而构建目标匹配函数
Figure GDA0003236277890000035
其中，n为叶型轮廓测点集中点的总数，λ1为第一线性约束g1(R，t)的拉格朗日乘子，λ2是第二线性约束g2(R，t)的拉格朗日乘子。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测系统，包括：
预处理模块，用于对航空叶片的叶型轮廓测点集中所有点进行曲率估计，得到曲率分布，基于曲率分布在叶型轮廓测点集中进行降采样，得到采样叶型轮廓测点；
分割模块，用于利用采样叶型轮廓测点随机进行拟合圆，实现叶型轮廓分割，得到前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集；
函数构建模块，用于在设计叶片的轮廓测点集中搜索叶型轮廓测点集中每个点的最近点，组成最近点集，利用叶型轮廓测点集和最近点集进行无约束匹配，得到初始位姿，分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带范围和线性约束，构建目标匹配函数，将初始位姿作为初始值，求解目标匹配函数，得到最优位姿；
检测模块，用于利用最优位姿对航空叶片进行刚体变换，将刚体变换后的航空叶片与设计叶片进行比较，判断航空叶片叶型是否合格。
进一步地，预处理模块包括：
曲率估计模块，用于对航空叶片的叶型轮廓测点集中点pi，利用pi及其相邻两点pi-1、pi+1拟合二次曲线，计算二次曲线在pi处的一阶导数y′及二阶导数y″，进而求得pi的曲率
Figure GDA0003236277890000041
降采样模块，用于计算叶型轮廓测点集中离散点间的曲率和，使得相邻采样间隔k1和k2满足关系
Figure GDA0003236277890000042
κi表示叶型轮廓测点集中第i个点的曲率。
进一步地，分割模块包括：
拟合模块，用于设置最大拟合次数kmax，从采样叶型轮廓测点中随机抽取3个点最小二乘拟合圆，随后将其余点代入判断是否位于该圆内，并记录在该圆上的点数量ni，重复进行kmax次拟合，选择其中规模最大的两个圆，即为拟合得到的前缘和后缘，得到前缘的圆心(x，yl)及半径rl，后缘的圆心(xt，yt)及半径rt；
搜索模块，用于利用前缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索前缘点集，利用后缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索后缘点集，进而得到叶盆点集和叶背点集。
进一步地，函数构建模块中目标匹配函数的具体构建方式为：
分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带上限
Figure GDA0003236277890000043
与下限
Figure GDA0003236277890000051
j＝1、2、3、4，1代表前缘点集，2代表后缘点集，3代表叶盆点集，4代表叶背点集，引入4个范围取值在0-1的变量η1，η2，η3，η4将分段约束转换为线性约束，即
Figure GDA0003236277890000052
Figure GDA0003236277890000053
i＝ηjsj，sj为分割叶型轮廓的四个分界点的序号，对于序号为(s1，s2)之间的点，i＝η1s1+η2s2，且η1+η2＝1，其他分界点之间i的计算方法与之一致，R是旋转矩阵，t是平移矩阵，pi是叶型轮廓测点，qi是pi在设计叶片的轮廓测点集中的最近点，进而构建目标匹配函数
Figure GDA0003236277890000054
其中，n为叶型轮廓测点集中点的总数，λ1为第一线性约束g1(R，t)的拉格朗日乘子，λ2是第二线性约束g2(R，t)的拉格朗日乘子。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明对叶型轮廓测点进行曲率估计，对叶型轮廓进行曲率采样，结合叶片叶型前缘及后缘曲率进行随机一致性拟合圆，得到前缘、后缘，并分割叶型轮廓，由此分割的结果较为准确，建立叶型轮廓测点的最近点集，对叶型轮廓测点与设计轮廓测点进行无约束匹配，获得初始位姿，构建基于变公差带约束的目标匹配函数；以无约束匹配中获取的位姿作为初值，求解变公差带约束的叶型匹配最优位姿，由此求解的最优位姿较准确，使得后续航空叶片与设计叶片的匹配结果更真实，进而提高叶片检测的准确率。
(2)本发明分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带范围和线性约束，构建目标匹配函数，基于变公差约束的叶型匹配方法，可以针对叶片叶型前缘、后缘、叶盆及叶背的不同要求，进行精确控制，同时也能有效改善等公差约束匹配中存在的滑移等失真问题，提高叶片检测的准确率。
(3)本发明在采样时，计算叶型轮廓测点集中离散点间的曲率和，使得相邻采样间隔k1和k2满足一定关系，进而实现在高曲率区域多采样，低曲率区少采样。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的航空叶片叶型曲率分布图；
图3是本发明实施例提供的曲率采样示意图；
图4是本发明实施例提供的拟合后缘的圆。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法，包括如下步骤：
(1)对航空叶片的叶型轮廓测点集中所有点进行曲率估计，得到曲率分布，基于曲率分布在叶型轮廓测点集中进行降采样，得到采样叶型轮廓测点；
(2)利用采样叶型轮廓测点随机进行拟合圆，实现叶型轮廓分割，得到前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集；
(3)在设计叶片的轮廓测点集中搜索叶型轮廓测点集中每个点的最近点，组成最近点集，利用叶型轮廓测点集和最近点集进行无约束匹配，得到初始位姿，分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带范围和线性约束，构建目标匹配函数，将初始位姿作为初始值，求解目标匹配函数，得到最优位姿；
(4)利用最优位姿对航空叶片进行刚体变换，将刚体变换后的航空叶片与设计叶片进行比较，判断航空叶片叶型是否合格。
本发明实例中，航空叶片叶型轮廓测点由包括但不限于三坐标测量机、点激光位移传感器及面阵扫描仪采集，设计叶片的轮廓测点由点、线段、圆弧及样条曲线的坐标信息或控制参数给出。
进一步地，曲率估计的具体实现方式为：
对航空叶片的叶型轮廓测点集中点pi，利用pi及其相邻两点pi-1、pi+1拟合二次曲线，计算二次曲线在pi处的一阶导数y′及二阶导数y″，进而求得pi的曲率
Figure GDA0003236277890000071
取pi-1(xi-1，yi-1)，pi(xi，yi)，pi+1(xi+1，yi+1)三点拟合二次曲线y＝ax2+bx+c，则通过求解矩阵方程AC＝y即可求解参数a、b、c，其中
Figure GDA0003236277890000072
随后计算二次曲线在pi处的一阶导数y′＝2axi+b及二阶导数y″＝2a，进而求得该点的曲率
Figure GDA0003236277890000073
叶片叶型的曲率分布如图2。
进一步地，降采样的具体实现方式为：
计算叶型轮廓测点集中离散点间的曲率和，使得相邻采样间隔k1和k2满足关系
Figure GDA0003236277890000074
κi表示叶型轮廓测点集中第i个点的曲率。如图3所示，pi至pi+k1之间的曲率和与pi+k1至pi+k2之间的曲率和相等。
进一步地，步骤(2)包括：
(21)设置最大拟合次数
Figure GDA0003236277890000075
其中，
Figure GDA0003236277890000076
为组合数，n为采样后轮廓测点的规模，如图4所示，从采样叶型轮廓测点中随机抽取3个点最小二乘拟合圆，随后将其余点代入判断是否位于该圆内，并记录在该圆上的点数量ni，重复进行kmax次拟合，选择其中规模最大的两个圆，即为拟合得到的前缘和后缘，得到前缘的圆心(x，yl)及半径rl，后缘的圆心(xt，yt)及半径rt；
(22)利用前缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索前缘点集，利用后缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索后缘点集，进而得到叶盆点集和叶背点集。
进一步地，前缘点集和后缘点集的搜索方法相同，所述搜索方法为：基于前缘的圆心(xl，yl)、半径rl及给定半径误差阈值δr，δr＝0.05rl，在叶型轮廓测点集中搜索所有满足rl-δr≤|d|≤rl+δr的点，得到前缘点集，d为前缘的圆心与叶型轮廓测点集中点的距离。
在对设计叶片的轮廓曲线进行均匀离散得到离散点集Q，随后在点集Q上建立kdTree TQ，搜索叶型轮廓测点pi对应的最近点qi，进而得到叶型轮廓测点最近点集Qnear。
建立无约束目标匹配函数
Figure GDA0003236277890000081
其中di＝Rpi+t-qi是叶型轮廓测点pi到其最近点qi的距离，R是旋转矩阵，t是平移矩阵，对目标匹配函数E(R，t)进行变换可得E(R，t)＝mintrace(RC)，其中
Figure GDA0003236277890000082
是叶型轮廓测点中心，
Figure GDA0003236277890000083
是最近点集Qnear的中心，对C进行SVD分解，可以求得初始位姿，即无约束匹配的旋转矩阵R0及平移矩阵t0。
建立带约束的目标匹配函数
Figure GDA0003236277890000084
Figure GDA0003236277890000085
分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带上限
Figure GDA0003236277890000086
与下限
Figure GDA0003236277890000087
j＝1、2、3、4，1代表前缘点集，2代表后缘点集，3代表叶盆点集，4代表叶背点集，引入4个范围取值在0-1的变量η1，η2，η3，η4将分段约束转换为线性约束，即
Figure GDA0003236277890000088
Figure GDA0003236277890000089
i＝ηjsj，sj为分割叶型轮廓的四个分界点的序号，对于序号为(s1，s2)之间的点，i＝η1s1+η2s2，且η1+η2＝1，其他分界点之间i的计算方法与之一致，R是旋转矩阵，t是平移矩阵，pi是叶型轮廓测点，qi是pi在设计叶片的轮廓测点集中的最近点，随后基于拉格朗日乘子法，将其转换为无约束的目标匹配函数
Figure GDA0003236277890000091
其中，n为叶型轮廓测点集中点的总数，λ1为第一线性约束g1(R，t)的拉格朗日乘子，λ2是第二线性约束g2(R，t)的拉格朗日乘子。将初始位姿作为无约束的目标匹配函数的初始值，最后求解可得到最优位姿，即最优的刚体平移矩阵R*及t*。
本发明方法适用于各种形式的航空叶片叶型的轮廓匹配。
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 (10)

1.一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对航空叶片的叶型轮廓测点集中所有点进行曲率估计，得到曲率分布，基于曲率分布在叶型轮廓测点集中进行降采样，得到采样叶型轮廓测点；
(2)利用采样叶型轮廓测点随机进行拟合圆，实现叶型轮廓分割，得到前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集；
(3)在设计叶片的轮廓测点集中搜索叶型轮廓测点集中每个点的最近点，组成最近点集，利用叶型轮廓测点集和最近点集进行无约束匹配，得到初始位姿，分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带范围和线性约束，构建目标匹配函数，将初始位姿作为初始值，求解目标匹配函数，得到最优位姿；
(4)利用最优位姿对航空叶片进行刚体变换，将刚体变换后的航空叶片与设计叶片进行比较，判断航空叶片叶型是否合格。
2.如权利要求1所述的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法，其特征在于，所述曲率估计的具体实现方式为：
对航空叶片的叶型轮廓测点集中点pi，利用pi及其相邻两点pi-1、pi+1拟合二次曲线，计算二次曲线在pi处的一阶导数y′及二阶导数y″，进而求得pi的曲率
Figure FDA0002433506540000011
3.如权利要求1或2所述的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法，其特征在于，所述降采样的具体实现方式为：
计算叶型轮廓测点集中离散点间的曲率和，使得相邻采样间隔k1和k2满足关系
Figure FDA0002433506540000012
Ki表示叶型轮廓测点集中第i个点的曲率。
4.如权利要求1或2所述的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
(21)设置最大拟合次数kmax，从采样叶型轮廓测点中随机抽取3个点最小二乘拟合圆，随后将其余点代入判断是否位于该圆内，并记录在该圆上的点数量ni，重复进行kmax次拟合，选择其中规模最大的两个圆，即为拟合得到的前缘和后缘，得到前缘的圆心(xl，yl)及半径rl，后缘的圆心(xt，yt)及半径rt；
(22)利用前缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索前缘点集，利用后缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索后缘点集，进而得到叶盆点集和叶背点集。
5.如权利要求4所述的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法，其特征在于，所述前缘点集和后缘点集的搜索方法相同，所述搜索方法为：基于前缘的圆心(xl，yl)、半径rl及给定半径误差阈值δr，在叶型轮廓测点集中搜索所有满足rl-δr≤|d|≤rl+δr的点，得到前缘点集，d为前缘的圆心与叶型轮廓测点集中点的距离。
6.如权利要求1或2所述的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法，其特征在于，所述目标匹配函数的具体构建方式为：
分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带上限
Figure FDA0002433506540000021
与下限
Figure FDA0002433506540000022
1代表前缘点集，2代表后缘点集，3代表叶盆点集，4代表叶背点集，引入4个范围取值在0-1的变量η1，η2，η3，η4将分段约束转换为线性约束，即
Figure FDA0002433506540000023
Figure FDA0002433506540000024
i＝ηjsj，sj为分割叶型轮廓的四个分界点的序号，对于序号为(s1，s2)之间的点，i＝η1s1+η2s2，且η1+η2＝1，其他分界点之间i的计算方法与之一致，R是旋转矩阵，t是平移矩阵，pi是叶型轮廓测点，qi是pi在设计叶片的轮廓测点集中的最近点，进而构建目标匹配函数
Figure FDA0002433506540000031
其中，n为叶型轮廓测点集中点的总数，λ1为第一线性约束g1(R，t)的拉格朗日乘子，λ2是第二线性约束g2(R，t)的拉格朗日乘子。
7.一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测系统，其特征在于，包括：
预处理模块，用于对航空叶片的叶型轮廓测点集中所有点进行曲率估计，得到曲率分布，基于曲率分布在叶型轮廓测点集中进行降采样，得到采样叶型轮廓测点；
分割模块，用于利用采样叶型轮廓测点随机进行拟合圆，实现叶型轮廓分割，得到前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集；
函数构建模块，用于在设计叶片的轮廓测点集中搜索叶型轮廓测点集中每个点的最近点，组成最近点集，利用叶型轮廓测点集和最近点集进行无约束匹配，得到初始位姿，分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带范围和线性约束，构建目标匹配函数，将初始位姿作为初始值，求解目标匹配函数，得到最优位姿；
检测模块，用于利用最优位姿对航空叶片进行刚体变换，将刚体变换后的航空叶片与设计叶片进行比较，判断航空叶片叶型是否合格。
8.如权利要求7所述的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测系统，其特征在于，所述预处理模块包括：
曲率估计模块，用于对航空叶片的叶型轮廓测点集中点pi，利用pi及其相邻两点pi-1、pi+1拟合二次曲线，计算二次曲线在pi处的一阶导数y′及二阶导数y″，进而求得pi的曲率
Figure FDA0002433506540000032
降采样模块，用于计算叶型轮廓测点集中离散点间的曲率和，使得相邻采样间隔k1和k2满足关系
Figure FDA0002433506540000033
κi表示叶型轮廓测点集中第i个点的曲率。
9.如权利要求7或8所述的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测系统，其特征在于，所述分割模块包括：
拟合模块，用于设置最大拟合次数kmax，从采样叶型轮廓测点中随机抽取3个点最小二乘拟合圆，随后将其余点代入判断是否位于该圆内，并记录在该圆上的点数量ni，重复进行kmax次拟合，选择其中规模最大的两个圆，即为拟合得到的前缘和后缘，得到前缘的圆心(xl，yl)及半径rl，后缘的圆心(xt，yt)及半径rt；
搜索模块，用于利用前缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索前缘点集，利用后缘的圆心及半径在叶型轮廓测点集中搜索后缘点集，进而得到叶盆点集和叶背点集。
10.如权利要求7或8所述的一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测系统，其特征在于，所述函数构建模块中目标匹配函数的具体构建方式为：
分别为前缘点集、后缘点集、叶盆点集和叶背点集设置公差带上限
Figure FDA0002433506540000041
与下限
Figure FDA0002433506540000042
1代表前缘点集，2代表后缘点集，3代表叶盆点集，4代表叶背点集，引入4个范围取值在0-1的变量η1，η2，η3，η4将分段约束转换为线性约束，即
Figure FDA0002433506540000043
Figure FDA0002433506540000044
i＝ηjsj，sj为分割叶型轮廓的四个分界点的序号，对于序号为(s1，s2)之间的点，i＝η1s1+η2s2，且η1+η2＝1，其他分界点之间i的计算方法与之一致，R是旋转矩阵，t是平移矩阵，pi是叶型轮廓测点，qi是pi在设计叶片的轮廓测点集中的最近点，进而构建目标匹配函数
Figure FDA0002433506540000045
其中，n为叶型轮廓测点集中点的总数，λ1为第一线性约束g1(R，t)的拉格朗日乘子，λ2是第二线性约束g2(R，t)的拉格朗日乘子。
CN202010247950.XA 2020-03-31 2020-03-31 一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统 Active CN111400667B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010247950.XA CN111400667B (zh) 2020-03-31 2020-03-31 一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统
EP20904298.5A EP3910504A4 (en) 2020-03-31 2020-06-13 METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING AN AIRCRAFT ENGINE BLADE PROFILE BASED ON VARIABLE TOLERANCE ZONE RESTRICTIONS
PCT/CN2020/095990 WO2021196408A1 (zh) 2020-03-31 2020-06-13 一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010247950.XA CN111400667B (zh) 2020-03-31 2020-03-31 一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111400667A CN111400667A (zh) 2020-07-10
CN111400667B true CN111400667B (zh) 2021-11-02

Family

ID=71429360

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010247950.XA Active CN111400667B (zh) 2020-03-31 2020-03-31 一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3910504A4 (zh)
CN (1) CN111400667B (zh)
WO (1) WO2021196408A1 (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113393428B (zh) * 2021-05-31 2023-07-25 华中科技大学无锡研究院 一种航空发动机叶片进排气边缘形状检测方法
CN113591236B (zh) * 2021-07-02 2024-09-06 华中科技大学 一种航空叶片横截面型线轮廓参数评价方法和系统
CN113867258B (zh) * 2021-09-18 2023-09-01 华中科技大学 一种基于在机测量的航空叶片加工定位方法
CN114048558B (zh) * 2021-10-26 2023-03-31 西北工业大学 一种具有非均匀轮廓误差的压气机叶型造型方法
CN114943752B (zh) * 2022-05-31 2024-03-29 河南埃尔森智能科技有限公司 一种基于曲率特征描述的自适应轮廓模板识别配准方法
CN115146401B (zh) * 2022-06-07 2024-02-23 西北工业大学 空心涡轮叶片陶瓷型芯检测截面线点云外轮廓过滤方法
CN115841548B (zh) * 2023-02-21 2023-05-12 陕西空天信息技术有限公司 一种叶片模型的计算机辅助生成方法及系统
CN116202874B (zh) * 2023-05-05 2023-07-14 青岛宇通管业有限公司 一种排水管材柔韧性测试方法及系统
CN117372554B (zh) * 2023-09-14 2024-06-04 华中科技大学 一种基于径向基函数的三坐标叶片截面重构方法
CN116992600B (zh) * 2023-09-26 2023-12-15 南京航空航天大学 一种多约束的叶片截面线分区特征点获取方法
CN117387701B (zh) * 2023-12-13 2024-04-19 南通纳科达聚氨酯科技有限公司 风机叶片前缘保护膜的施工质量检测方法
CN118279336B (zh) * 2024-06-04 2024-10-15 苏州翰微材料科技有限公司 一种用于航空发动机叶片尺寸的智能化测量方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105739440A (zh) * 2016-04-29 2016-07-06 南京航空航天大学 一种宽弦空心风扇叶片的自适应加工方法
US9499253B1 (en) * 2010-09-09 2016-11-22 Groem Brothers Aviation, Inc. Composite rotor blade for a reaction drive rotorcraft
CN106372291A (zh) * 2016-08-29 2017-02-01 西北工业大学 一种公差约束下的叶片余量优化模型建立及求解方法
CN106407502A (zh) * 2016-08-19 2017-02-15 西安交通大学 一种基于最佳匹配的叶片截面型线轮廓参数评价方法
CN107451378A (zh) * 2017-09-05 2017-12-08 电子科技大学 一种三坐标测量叶片截面采样点提取方法
CN108536932A (zh) * 2018-03-26 2018-09-14 华中科技大学 基于互扭约束条件下的航空叶片积叠轴垂直度计算方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011101097A1 (de) * 2011-05-10 2012-11-15 Mtu Aero Engines Gmbh Prüfung einer Schaufelkontur einer Turbomaschine
CN103148784B (zh) * 2013-03-14 2016-01-20 哈尔滨鹰瑞达科技开发有限公司 一种大型叶片全尺寸检测方法
CN103486996B (zh) * 2013-08-14 2016-01-20 西北工业大学 未知cad模型的航空发动机叶片型面测量方法
CN103411574B (zh) * 2013-08-14 2016-01-20 西北工业大学 航空发动机叶片型面三坐标测量方法
CN103761389B (zh) * 2014-01-20 2016-08-17 北京航空航天大学 一种复杂曲面的分层光顺方法
CN106021782A (zh) * 2016-05-31 2016-10-12 西北工业大学 基于中弧线的叶片前后缘拟合及截面线光滑重构方法
CN106354927B (zh) * 2016-08-29 2019-05-10 西北工业大学 一种精锻叶片前后缘自适应加工优化模型的构建方法
CN110851967B (zh) * 2019-10-31 2023-04-18 山西大学 非完整测量数据下的空心涡轮叶片精铸蜡型模型重构方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9499253B1 (en) * 2010-09-09 2016-11-22 Groem Brothers Aviation, Inc. Composite rotor blade for a reaction drive rotorcraft
CN105739440A (zh) * 2016-04-29 2016-07-06 南京航空航天大学 一种宽弦空心风扇叶片的自适应加工方法
CN106407502A (zh) * 2016-08-19 2017-02-15 西安交通大学 一种基于最佳匹配的叶片截面型线轮廓参数评价方法
CN106372291A (zh) * 2016-08-29 2017-02-01 西北工业大学 一种公差约束下的叶片余量优化模型建立及求解方法
CN107451378A (zh) * 2017-09-05 2017-12-08 电子科技大学 一种三坐标测量叶片截面采样点提取方法
CN108536932A (zh) * 2018-03-26 2018-09-14 华中科技大学 基于互扭约束条件下的航空叶片积叠轴垂直度计算方法

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Accurate model construction of deformed aero-engine blades for remanufacturing;Cheng Su 等;《The International Journal of Avanced Manufacturing Technology(2020)》;20200131;第1-13页 *
Interference-Free Inspection Path Generation for Impeller Blades Using an On-Machine Probe;Wen-long Li 等;《IEEE/ASME TRA NSACTIONS ON MECHATRONICS》;20170630;第22卷(第3期);第1-9页 *
一种区域公差约束的叶片模型配准方法;敬石开 等;《计算机集成制造系统》;20100430;第16卷(第4期);第1-4页 *
一种曲面特征保持的航空叶片点云精简方法;李启东 等;《中国机械工程》;20140831;第25卷(第16期);第1-9页 *
带公差约束的数字样板叶型检测方法;胡述龙 等;《航空学报》;20130117;第34卷(第10期);第1-8页 *
考虑区域公差约束的叶片几何形状分析方法;江泽鹏 等;《航空制造技术》;20151231;第1-4页 *
航空发动机叶片型面轮廓自动测量设备控制系统设计与技术实现;李凯;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅱ辑》;20180915;第1-16页 *
航空发动机精锻叶片自适应加工工艺几何模型构建;冯亚洲;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士) 工程科技Ⅱ辑》;20200215;第1-24页 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021196408A1 (zh) 2021-10-07
EP3910504A4 (en) 2022-04-06
CN111400667A (zh) 2020-07-10
EP3910504A1 (en) 2021-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111400667B (zh) 一种基于变公差带约束的航空叶片型面检测方法和系统
CN106407502B (zh) 一种基于最佳匹配的叶片截面型线轮廓参数评价方法
CN111368462B (zh) 一种基于曲率估计的航空叶片型面检测方法和系统
CN111028220B (zh) 一种点云铆钉齐平度自动检测方法
CN106446343B (zh) 一种径流叶轮直纹叶片参数化型线的自动提取方法
CN113487533B (zh) 一种基于机器学习的零件装配质量数字化检测系统及方法
CN105260709A (zh) 基于图像处理的水表检定方法、装置及系统
CN111539070B (zh) 基于实测数据的翼身对接间隙分布控制方法
CN111862054B (zh) 一种铆钉轮廓点云提取方法
CN109727446A (zh) 一种用电数据异常值的识别与处理方法
CN111028238B (zh) 一种基于机器人视觉的复杂异形曲面三维分割方法及系统
CN107729926A (zh) 一种基于高维空间变换的数据扩增方法、机器识别系统
US11941329B2 (en) Method for analyzing fuselage profile based on measurement data of whole aircraft
CN111046532A (zh) 一种基于肘形判据的同调机群聚类识别方法
CN104050660A (zh) 一种测量工件圆形边缘的方法
CN113591236A (zh) 一种航空叶片横截面型线轮廓参数评价方法和系统
CN114936389A (zh) 一种叶片截面线的中弧线构造与几何特征分割方法
CN111260776A (zh) 一种自适应正态分析的三维形貌重建方法
CN118081767A (zh) 一种铸件机器人后处理加工自主编程系统及方法
CN111563904B (zh) 一种基于三维特征描述子的机翼叉耳点云分割方法
CN110009035B (zh) 一种基于图像匹配的测风站群空间聚类方法
CN110120008A (zh) 一种基于局部曲率信息的人工蜂群点云配准方法
CN114091751A (zh) 一种基于t样条的螺旋桨叶自适应测点规划方法
CN115146742A (zh) 适用于场群控制的海上风电场机组分组与旗舰机选取方法
CN116400724A (zh) 一种输电线路无人机智能巡检方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200710

Assignee: WUHAN POWER3D TECHNOLOGY Ltd.

Assignor: HUAZHONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022420000110

Denomination of invention: A method and system for aero blade profile inspection based on variable tolerance zone constraints

Granted publication date: 20211102

License type: Common License

Record date: 20220930