CN113091656B - 一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法及系统，该方法采用微积分原理，将扫描得到的通道内部截面分割成若干个连续的微小图形，使得每个微小图形都能近似为规则图形，从而图形分割带来的精度损失可以忽略不计，然后计算所有微小图形的面积，进而求和得到截面的总面积，可以适用于所有具有凸界面形状的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量，通用性好，并且基于微积分原理的图形分割，面积计算精度高。

Description

一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法及系统

技术领域

本发明涉及航空发动机封闭异型窄通道类零件的截面面积测量技术领域，特别地，涉及一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法及系统。

背景技术

在航空发动机中，封闭异形窄通道类零件的作用是将前端流经叶轮的气体动能转换成压力能，其特征截面的通道面积是最为关键的设计指标之一，它决定了是否能够有效地转化气体能量形态，并最终影响整台航空发动机的性能。而其通道截面为不规则几何形状，无法采用常规简单方法来计算面积。

目前，比较常用的方法是将截面分割为几个部分，并将其近似为可以采用常规方法计算的规则图形，最后对每个部分的面积做求和。但是，现有的封闭异形窄通道面积计算处理方法，主要存在以下几方面的不足：

a.通道截面的分割方法不具有普遍适用性，分割处理后的计算结果随通道截面形状的变化存在较大差异；

b.通道截面分割处理后的近似计算结果误差较大，使得数据的可信度较低，不能实现封闭异形窄通道面积与发动机性能影响的定量分析相关联；

c.获得测量数据后，需要将测量数据导出至第三方软件(如CAD软件)中进行后续处理，才能进行计算，过程较为繁琐。

发明内容

本发明提供了一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法及系统，以解决现有的封闭异型窄通道面积计算处理方法存在的适用性差、计算结果误差大的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法，该截面形状为凸截面，包括以下步骤：

步骤S1：扫描得到封闭异型窄通道类零件的通道内部截面轮廓；

步骤S2：将截面分割成若干个连续的微小图形；

步骤S3：对所有微小图形的面积进行计算并求和以得到截面面积。

进一步地，所述步骤S2具体为：

将测量坐标系的原点置于封闭的轮廓线内，然后在封闭的截面轮廓线上沿顺时针或逆时针连续选取若干个扫描测点，每一组相邻测点和坐标原点构成一个三角形，从而将截面分割成若干个连续的三角形。

进一步地，所述步骤S1中进行轮廓扫描时采取过扫描的方式以确保截面轮廓线闭合。

进一步地，所述步骤S3还包括以下内容：

当采用逆时针连续选取测点时，判断最后一个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，如果最后一个测点的Y轴坐标值比第一个测点小，则再判断倒数第二个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，进行逐一判断，直至一个测点的Y轴坐标值比第一个测点大，记录该测点的序号并将其作为目标测点，利用循环语句计算从第一个测点至目标测点之间的所有测点与坐标原点构成的所有三角形的面积以得到循环总面积，再计算目标测点、第一个测点与坐标原点构成的三角形面积，将两个面积相加即得到截面面积；

当采用顺时针连续选取测点时，判断最后一个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，如果最后一个测点的Y轴坐标值比第一个测点大，则再判断倒数第二个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，进行逐一判断，直至一个测点的Y轴坐标值比第一个测点小，记录该测点的序号并将其作为目标测点，利用循环语句计算从第一个测点至目标测点之间的所有测点与坐标原点构成的所有三角形的面积以得到循环总面积，再计算目标测点、第一个测点与坐标原点构成的三角形面积，将两个面积相加即得到截面面积。

进一步地，所述步骤S2还包括以下内容：

获取截面轮廓线的曲率分布情况，在曲率变化大的线段选取数量多的扫描测点，在曲率变化小的线段选取数量少的扫描测点。

进一步地，所述步骤S3中具体采用海伦公式分别计算所有三角形的面积，进而求和得到截面面积。

另外，本发明还提供一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统，包括：

扫描单元，用于扫描得到封闭异型窄通道类零件的通道内部截面轮廓；

图形分割单元，用于将截面分割成若干个连续的微小图形；

面积计算单元，用于对所有微小图形的面积进行计算并求和以得到截面面积。

进一步地，所述扫描单元采用五轴联动坐标测量机，所述图形分割单元和面积计算单元集成设置在处理器上，所述处理器采用DMIS程序来执行数据处理过程。

进一步地，所述图形分割单元通过将测量坐标系的原点置于封闭的轮廓线内，然后在封闭的截面轮廓线上沿顺时针或逆时针连续选取若干个扫描测点，每一组相邻测点和坐标原点构成一个三角形，从而将截面分割成若干个连续的三角形。

进一步地，还包括曲率计算单元，用于计算截面轮廓线的曲率分布情况，所述图形分割单元还用于根据所述曲率计算单元的计算结果选择扫描测点的分布情况，在曲率变化大的线段选取数量多的扫描测点，在曲率变化小的线段选取数量少的扫描测点。

本发明具有以下效果：

本发明的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法，采用微积分原理，将扫描得到的通道内部截面分割成若干个连续的微小图形，使得每个微小图形都能近似为规则图形，从而图形分割带来的精度损失可以忽略不计，然后计算所有微小图形的面积，进而求和得到截面的总面积，可以适用于所有具有凸界面形状的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量，通用性好，并且基于微积分原理的图形分割，面积计算精度高。

另外，本发明的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统同样具有上述优点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法的流程示意图。

图2是本发明优选实施例中在截面轮廓线上选取扫描测点的示意图。

图3是本发明另一实施例的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统的单元结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明的优选实施例提供一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法，该截面形状为凸截面，包括以下步骤：

步骤S1：扫描得到封闭异型窄通道类零件的通道内部截面轮廓；

步骤S2：将截面分割成若干个连续的微小图形；

步骤S3：对所有微小图形的面积进行计算并求和以得到截面面积。

可以理解，本实施例的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法，采用微积分原理，将扫描得到的通道内部截面分割成若干个连续的微小图形，使得每个微小图形都能近似为规则图形，从而图形分割带来的精度损失可以忽略不计，然后计算所有微小图形的面积，进而求和得到截面的总面积，可以适用于所有具有凸界面形状的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量，通用性好，并且基于微积分原理的图形分割，面积计算精度高。

其中，所述步骤S1中可以采用五轴联动坐标测量机来扫描封闭异型窄通道类零件的通道内部截面轮廓，考虑到封闭异形窄通道的形状较为特殊，其开口小、内腔大的结构特点使得测量的可触及性比较差，因此之前使用的常规三轴或四轴坐标测量机因测头无法在测量中进行“因地制宜”的摆动，使得需要将一条截面轮廓线打断成若干小段分别测量，过程极为繁琐，而且给测量数据本身也带来较大误差。而本发明通过采用五轴坐标测量机，可以实现测杆伸入异形窄通道后在开口处设置测针的“锚点”(即固定点)，让测杆绕锚点进行旋转扫描，从而在开口处测杆不发生干涉的情况下，可以精准扫描到通道内部的截面轮廓。

其中，所述步骤S2具体为：

将测量坐标系的原点置于封闭的轮廓线内，然后在封闭的截面轮廓线上沿顺时针方向或逆时针方向连续选取若干个扫描测点，每一组相邻测点和坐标原点可以构成一个三角形，从而将截面分割成若干个连续的三角形。

可以理解，封闭异形窄通道面积计算是建立在特征截面上的二维图形面积来进行计算的。具体地，如图2所示，以扫描得到的XY平面内的一条封闭轮廓线为例，在测量之前首先将测量坐标系的原点(X＝0，Y＝0)置于封闭轮廓线内，然后在封闭的截面轮廓线上沿逆时针方向连续选取若干个扫描测点，并测量得到轮廓线上所有测点的坐标，每一组相邻测点和坐标原点即可构成一个三角形，从而将截面分割成若干个连续的三角形，后续分别计算每个三角形的面积，然后进行求和计算即可得到截面面积。

具体地，在所述步骤S3中，采用海伦公式分别计算所有三角形的面积，然后求和即可计算得到封闭曲线所包围的面积，即截面面积。海伦公式的表达式为：

其中，p表示半周长，即p＝(a+b+c)/2，a、b、c分别表示三角形的三个边长，三角形的三个边长可以通过每一组相邻测点的坐标值换算得到。

另外，作为优选的，所述步骤S1中进行轮廓扫描时采取过扫描的方式以确保截面轮廓线闭合，进而确保截面面积扫描计算的准确度。坐标测量机的测头在扫描通道截面线时，为了保证曲线的闭合，通常会过扫描一小段，直至达到停止条件才停止扫描。但是，这样就会造成截面轮廓线有一小段重合区域。如果运用扫描原始数据中的所有测点来计算面积，则重合区域的点会使得计算出来的面积比实际面积略大，因此，在测量过程中如何把过扫点剔除掉，不参与面积计算，成为确保测量精度的关键因素。例如，图2中的扫描起始点为1，沿逆时针方向进行扫描，扫描终止点为31，即测点31为过扫点，如果不将其剔除掉，则会多计算一个三角形的面积，即图2中的填充区域的面积，而在实际情况下，重合区域的测点数量如果为多个，则会导致更大的面积计算误差。

因此，作为进一步优选的，所述步骤S3还包括以下内容：

当采用逆时针连续选取测点时，判断最后一个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，如果最后一个测点的Y轴坐标值比第一个测点小，则再判断倒数第二个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，进行逐一判断，直至一个测点的Y轴坐标值比第一个测点大，记录该测点的序号并将其作为目标测点，利用循环语句计算从第一个测点至目标测点之间的所有测点与坐标原点构成的所有三角形的面积以得到循环总面积，再计算目标测点、第一个测点与坐标原点构成的三角形面积，将两个面积相加即得到截面面积。

具体地，以图2中的扫描测点选取方式为例，先判断31号测点和1号测点在Y轴上的坐标值大小，31号测点的Y轴坐标值要大于1号测点，由于是采取的逆时针选取方式，意味着31号测点为过扫点，需要剔除。再判断30号测点的Y轴坐标值与1号测点的Y轴坐标值的大小，从图2中可以看出30号测点的Y轴坐标值比1号测点大，意味着30号测点不是过扫点。此时，将30号测点作为目标测点，利用循环语句计算1号测点到30号测点之间的所有测点与坐标原点构成的三角形的面积，即计算1号、2号、3号、4号等直至30号测点与坐标原点构成的三角形的面积，从而得到循环后的总面积。由于采用的是循环语句计算方式，故而会漏掉30号测点、1号测点和坐标原点构成的这个三角形的面积，此时再单独计算这个三角形的面积，并将其与循环后的总面积相加即可得到整个封闭轮廓线包围的面积，即截面面积。

而当采用顺时针连续选取测点时，判断最后一个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，如果最后一个测点的Y轴坐标值比第一个测点大，则再判断倒数第二个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，进行逐一判断，直至一个测点的Y轴坐标值比第一个测点小，记录该测点的序号并将其作为目标测点，利用循环语句计算从第一个测点至目标测点之间的所有测点与坐标原点构成的所有三角形的面积以得到循环总面积，再计算目标测点、第一个测点与坐标原点构成的三角形面积，将两个面积相加即得到截面面积。

可以理解，本发明通过比较倒数序号的测点的Y轴坐标值与1号测点的Y轴坐标值的大小来判断该倒数测点是否为过扫点，可以快速、准确地剔除掉过扫点，降低了误差，确保了面积计算结果的精准度，并且采取循环语句来计算面积，计算效率高。

另外，作为优选的，所述步骤S2还包括以下内容：

获取截面轮廓线的曲率分布情况，在曲率变化大的线段选取数量多的扫描测点，在曲率变化小的线段选取数量少的扫描测点。

具体地，可以通过测量轮廓线上各个扫描测点的坐标值来获取截面轮廓线的曲率分布情况，在曲率变化大的线段选取数量多的扫描测点，进一步地降低图形分割带来的精度损失，以提高计算精度，在曲率变化小的线段选取数量少的扫描测点，以提高测量效率。本发明可以根据轮廓线的曲率变化自定义设置数据点的分布密度，即提高了计算精度，同时提高了测量效率。

另外，本发明的具体执行过程采用DMIS程序来实现，DMIS作为几何测量领域的通用型编程语言，具有良好的开放性与扩展性，其本身具备功能强大的函数库，给后期数据处理计算也提供了很好的基础，实现了测量与处理计算在同一款软件中完成，免去了数据转移等繁琐过程。本发明采用DMIS程序来执行，利用了程序中的变量，具有高度通用性，无需将测量数据导出至第三方软件，测量完成即可得到最终结果，大大提升了测量计算效率。

另外，本发明中实际测量得到的是离散测点，而非连续样条曲线，这一点与在CAD软件中进行正向设计时有所不同。因此，在通道截面轮廓线的分割与面积计算时，本发明以微积分原理为指导，但又未完全采用微积分法进行计算，原因在于：1)、将测量得到的离散测点拟合成样条曲线的过程本身会产生插值计算，这一步就会产生误差，对于提高面积计算精度助益不大；2)、采用样条曲线计算通道面积需要用到积分器，这会影响DMIS程序的执行效率，从而会影响测量效率。

为了验证本发明的测量方法的精准度，本申请还进行了对比试验。具体地，以直径为200mm的标准环规进行测试，利用本发明的计算方法得到的面积为31414.1417，而用公式和计算器计算下来的面积为31414.2723，差值仅为0.13，误差小于万分之0.05。可以理解，如果不采用标准环规，意味着本发明中的图形分割所带来的精度损失会更小，最终的误差结果则必然会小于万分之0.05，足以证明本发明的测量方法具有较高的精准度。

本发明的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法具有普遍适用性，适用于所有凸截面形状。但对于某些凹截面形状，因在不规则图形分割过程中，可能导致若干微小三角形的部分面积落在图形之外，会导致最终结果的误差。但凹截面形状在航空零件的通道中几乎不存在，因此对于凹截面形状的面积分割计算，不在本发明的考虑范围之内。

另外，如图3所示，本发明还提供一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统，其优选采用如上所述的截面面积测量方法，包括：

扫描单元，用于扫描得到封闭异型窄通道类零件的通道内部截面轮廓；

图形分割单元，用于将截面分割成若干个连续的微小图形；

面积计算单元，用于对所有微小图形的面积进行计算并求和以得到截面面积。

可以理解，本实施例的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统，采用微积分原理，将扫描得到的通道内部截面分割成若干个连续的微小图形，使得每个微小图形都能近似为规则图形，从而图形分割带来的精度损失可以忽略不计，然后计算所有微小图形的面积，进而求和得到截面的总面积，可以适用于所有具有凸界面形状的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量，通用性好，并且基于微积分原理的图形分割，面积计算精度高。

其中，所述扫描单元采用五轴联动坐标测量机，所述图形分割单元和面积计算单元集成设置在处理器上，所述处理器采用DMIS程序来执行数据处理过程。

另外，所述图形分割单元具体通过将测量坐标系的原点置于封闭的轮廓线内，然后在封闭的截面轮廓线上沿顺时针或逆时针连续选取若干个扫描测点，每一组相邻测点和坐标原点构成一个三角形，从而将截面分割成若干个连续的三角形。

另外，所述封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统还包括曲率计算单元，用于计算截面轮廓线的曲率分布情况，所述图形分割单元还用于根据所述曲率计算单元的计算结果选择扫描测点的分布情况，在曲率变化大的线段选取数量多的扫描测点，在曲率变化小的线段选取数量少的扫描测点。其中，所述曲率计算单元和面积计算单元可以集成为一个计算单元。

可以理解，本实施例的系统中的各个单元的执行过程与上述方法实施例中的各个步骤相对应，故具体内容在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法，该截面形状为凸截面，其特征在于，

包括以下步骤：

步骤S1：扫描得到封闭异型窄通道类零件的通道内部截面轮廓；

步骤S2：将截面分割成若干个连续的微小图形；

步骤S3：对所有微小图形的面积进行计算并求和以得到截面面积；

所述步骤S2具体为：

将测量坐标系的原点置于封闭的轮廓线内，然后在封闭的截面轮廓线上沿顺时针或逆时针连续选取若干个扫描测点，每一组相邻测点和坐标原点构成一个三角形，从而将截面分割成若干个连续的三角形；

所述步骤S1中进行轮廓扫描时采取过扫描的方式以确保截面轮廓线闭合；

所述步骤S3还包括以下内容：

当采用逆时针连续选取测点时，判断最后一个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，如果最后一个测点的Y轴坐标值比第一个测点小，则再判断倒数第二个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，进行逐一判断，直至一个测点的Y轴坐标值比第一个测点大，记录该测点的序号并将其作为目标测点，利用循环语句计算从第一个测点至目标测点之间的所有测点与坐标原点构成的所有三角形的面积以得到循环总面积，再计算目标测点、第一个测点与坐标原点构成的三角形面积，将两个面积相加即得到截面面积；

当采用顺时针连续选取测点时，判断最后一个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，如果最后一个测点的Y轴坐标值比第一个测点大，则再判断倒数第二个测点和第一个测点在Y轴上的坐标值大小，进行逐一判断，直至一个测点的Y轴坐标值比第一个测点小，记录该测点的序号并将其作为目标测点，利用循环语句计算从第一个测点至目标测点之间的所有测点与坐标原点构成的所有三角形的面积以得到循环总面积，再计算目标测点、第一个测点与坐标原点构成的三角形面积，将两个面积相加即得到截面面积。

2.如权利要求1所述的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法，其特征在于，

所述步骤S2还包括以下内容：

获取截面轮廓线的曲率分布情况，在曲率变化大的线段选取数量多的扫描测点，在曲率变化小的线段选取数量少的扫描测点。

3.如权利要求1所述的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量方法，其特征在于，

所述步骤S3中具体采用海伦公式分别计算所有三角形的面积，进而求和得到截面面积。

4.一种封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统，采用如权利要求1所述的截面面积测量方法，其特征在于，包括：

扫描单元，用于扫描得到封闭异型窄通道类零件的通道内部截面轮廓；

图形分割单元，用于将截面分割成若干个连续的微小图形；

面积计算单元，用于对所有微小图形的面积进行计算并求和以得到截面面积。

5.如权利要求4所述的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统，其特征在于，

所述扫描单元采用五轴联动坐标测量机，所述图形分割单元和面积计算单元集成设置在处理器上，所述处理器采用DMIS程序来执行数据处理过程。

6.如权利要求5所述的封闭异型窄通道类零件的截面面积测量系统，其特征在于，

还包括曲率计算单元，用于计算截面轮廓线的曲率分布情况，所述图形分割单元还用于根据所述曲率计算单元的计算结果选择扫描测点的分布情况，在曲率变化大的线段选取数量多的扫描测点，在曲率变化小的线段选取数量少的扫描测点。

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