CN113997125A - 一种基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法，解决了线性摩擦焊整体叶盘各叶片存在位置差异带来的截面线在机测量出现异常点问题，以及由异常点引发的曲线拟合不光顺、叶片模型重构失真、模型处理效率低下等问题，通过在机测量的方式采集叶型截面线数据，自动配准，并自适应重构叶片的实际截面线，保证与实际叶片的误差，采用在机测量技术并自动配准，避免自适应加工中叶片找正步骤，提高加工效率。经过特征点误差提取和误差光顺步骤，保证重构的截面线与实际叶片的一致性，本发明的优点是：有较强的通用型和实用性，在为企业提升核心创新能力和研发效率的同时创造巨大的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于航空航天数控加工技术领域，尤其适用于航空发动机整体叶盘零件在线测量及模型重构的效率及精度提升。
背景技术
线性摩擦焊整体叶盘自适应加工时，叶片焊接段的加工表面与已完成的实际叶片表面要求光滑衔接。因此，需要根据已完成的叶片数据，构建自适应叶片，编制焊接段的加工程序，以保证叶型光滑过渡。自适应叶片一般通过若干组截面线放样的方式来创建，叶片截面线的重构精度，直接影响自适应叶片与实际叶型的吻合度，从而决定了自适应加工的质量，近年来，随着数控机床在机测量技术不断发展，其测量精度已能满足整体叶盘的制造精度要求，因此在线性摩擦焊整体叶盘的自适应加工中，可采用在机测量手段来采集叶型轮廓数据，并借助点云配准、误差光顺等技术完成叶型截面线的重构。
针对线性摩擦焊整体叶盘叶片截面线重构的方法，目前主要的技术手段为离线扫描获得实际叶片点云，将点云与截面求交投影，获得截面点并插值成截面线，以及通过三坐标测量机直接测量截面线点，再插值得到截面线，目前为止，尚没有公开的基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开一种基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法。
具体技术方案如下：
基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法，根据叶片规划截面线测量路径，执行在机测量，并对测量数据进行配准，自适应提取误差特征点和误差光顺，计算截面线点，插值得到截面线。
基于在机测量的叶片截面线自适应重构步骤如下：
1)导入igs或step格式的整体叶盘几何模型，指定需要测量的叶片曲面，定义为“测量叶片”；
2)设置在机测量探针半径R、测量截面H、测量点离散参数和测量过程参数，将测量叶片与截面H求交，得到理论截面线CN，根据设置的离散参数对截面线进行离散，获得理论测量点集
由测量点集和测量过程参数生成测量路径，完成叶片截面线测量路径的规划，如图2所示；
3)对测量路径进行后置处理，生成数控机床对应的测量NC文件，导入到机床中，执行在机测量，获得截面线的实测数据
截面线实测数据保存的是各个实测点的探针球心值，记为Pc。
4)根据测量叶片的理论曲面和截面线实测数据
应用迭代最近点算法，即ICP，计算实测数据与理论曲面的配准矩阵T，由于实测数据保存的是实测球心值，在使用ICP算法迭代计算时，将探针半径R考虑在内。
5)对理论截面线CN，提取前后缘尖点，记为Pfs、Pbs，以及前后缘与叶盆、叶背的分界点，分别记为Pfl、Pfr、Pbl、Pbr，作为前后缘段的误差特征点，然后分别截取Pfl、Pbl之间和Pfr、Pbr之间的曲线段，按照2mm的间隔等弧长离散，得到叶背和叶盆段的误差特征点，前后缘误差特征点和叶背、叶盆误差特征点，共同构成截面线误差特征点；如图3所示；
尖点的提取方法为应用定向包围盒技术，首先求完整截面线的定向包围盒，取前后缘处的极点作为尖点的近似解，然后在近似点附近根据曲率提取截面线的前后缘圆弧段，再求前后缘圆弧段的定向包围盒，圆弧曲线段的极点确定为尖点。
分界点的提取方法为首先计算尖点处的曲率，根据由尖点分别向左侧和右侧搜索，当搜索点的曲率小于等于尖点曲率的1/5时，取为前后缘与叶盆、叶背的分界点；
6)误差光顺
(1)将配准矩阵T应用到实测数据点集
得到变换后的实测球心点集
(2)实测球心点集拟合成实测曲线CAC；
(3)对截面线误差特征点逐点计算各特征点的误差，计算方法为根据特征点在理论截面线的切向Vt和特征点在理论曲面的法向Vn，构造特征点的法平面，法平面以Vt为法向，并通过特征点和Vn，将法平面与实测曲线CAC求交，交点与特征点的距离减去探针半径R，即为误差e；
(4)对叶盆、叶背特征点的误差进行统计滤波，剔除异常误差点；
(5)以相邻特征点作为区间首末点，按照正弦规律，以弧长作为参数，构造误差分段函数。
设区间的首末特征点分别为Pi、Pj，对应误差为ei、ej，曲线的区间弧长为L，区间内各点P到Pi的弧长为x，对应的误差为y，则误差计算函数为
(6)对截面线上非特征点的离散点，根据对应特征点区间，代入上述计算函数，可得到光顺的误差值。
7)对理论截面线CN按照弦高进行离散，并根据步骤(6)中的误差计算函数计算所有离散点对应的误差值，将离散点沿曲面法向平移误差距离，获得所有实际截面点，插值可得到成实际截面线，用于后续自适应叶片曲面建模。
本发明的优点是：基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法，通过在机测量的方式采集叶型截面线数据，自动配准，并自适应重构叶片的实际截面线，保证与实际叶片的误差，采用了在机测量技术并自动配准，避免了自适应加工中叶片找正步骤，提高了加工效率，同时经过特征点误差提取和误差光顺步骤，保证重构的截面线与实际叶片的一致性，提高了加工质量。
附图说明
图1为本发明的基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法流程图；
图2为本发明的叶片截面线测量路径示意图；
图3为本发明的截面线误差特征点示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明，如图所示，一种基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法，基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法，根据叶片规划截面线测量路径，执行在机测量，并对测量数据进行配准，自适应提取误差特征点和误差光顺，计算截面线点，插值得到截面线；
基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法流程图，如图1所示；
基于在机测量的叶片截面线自适应重构步骤如下：
1)导入igs或step格式的整体叶盘几何模型，指定需要测量的叶片曲面，定义为测量叶片1；
2)设置在机测量探针2半径R、测量截面H、测量点离散参数和测量过程参数，将测量叶片与截面H求交，得到理论截面线CN，根据设置的离散参数对截面线进行离散，获得理论测量点集
由测量点集和测量过程参数生成测量路径3，完成叶片截面线测量路径的规划，如图2所示。
3)对测量路径进行后置处理，生成数控机床对应的测量NC文件，导入到机床中，执行在机测量，获得截面线的实测数据
截面线实测数据保存的是各个实测点的探针球心值，记为Pc。
4)根据测量叶片的理论曲面和截面线实测数据
应用迭代最近点算法，即ICP，计算实测数据与理论曲面的配准矩阵T，由于实测数据保存的是实测球心值，在使用ICP算法迭代计算时，将探针半径R考虑在内。
5)对理论截面线CN，提取前后缘尖点，记为Pfs、Pbs，以及前后缘与叶盆、叶背的分界点，分别记为Pfl、Pfr、Pbl、Pbr，作为前后缘段的误差特征点，然后分别截取Pfl、Pbl之间和Pfr、Pbr之间的曲线段，按照2mm的间隔等弧长离散，得到叶背和叶盆段的误差特征点，前后缘误差特征点和叶背、叶盆误差特征点，共同构成截面线误差特征点，如图3所示。
尖点的提取方法为应用定向包围盒技术，首先求完整截面线的定向包围盒，取前后缘处的极点作为尖点的近似解，然后在近似点附近根据曲率提取截面线的前后缘圆弧段，再求前后缘圆弧段的定向包围盒，圆弧曲线段的极点确定为尖点。
分界点的提取方法为首先计算尖点处的曲率，根据由尖点分别向左侧和右侧搜索，当搜索点的曲率小于等于尖点曲率的1/5时，取为前后缘与叶盆、叶背的分界点；
6)误差光顺
(1)将配准矩阵T应用到实测数据点集
得到变换后的实测球心点集
(2)实测球心点集拟合成实测曲线CAC；
(3)对截面线误差特征点逐点计算各特征点的误差，计算方法为根据特征点在理论截面线的切向Vt和特征点在理论曲面的法向Vn，构造特征点的法平面，法平面以Vt为法向，并通过特征点和Vn，将法平面与实测曲线CAC求交，交点与特征点的距离减去探针半径R，即为误差e；
(4)对叶盆、叶背特征点的误差进行统计滤波，剔除异常误差点；
(5)以相邻特征点作为区间首末点，按照正弦规律，以弧长作为参数，构造误差分段函数。
设区间的首末特征点分别为Pi、Pj，对应误差为ei、ej，曲线的区间弧长为L，区间内各点P到Pi的弧长为x，对应的误差为y，则误差计算函数为
(6)对截面线上非特征点的离散点，根据对应特征点区间，代入上述计算函数，可得到光顺的误差值。
7)对理论截面线CN按照弦高进行离散，并根据步骤(6)中的误差计算函数计算所有离散点对应的误差值，将离散点沿曲面法向平移误差距离，获得所有实际截面点，插值可得到成实际截面线，用于后续自适应叶片曲面建模。
Claims (2)
1.一种基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，输入整体叶盘的CAD模型，指定需要测量的叶片；
步骤2，完成规划叶片截面线测量路径；设置在机测量探针半径R测量截面H、测量点离散参数和测量过程参数，将测量叶片与截面H求交，得到理论截面线CN,根据设置的离散参数对截面线进行离散，获得理论测量点集
由测量点集和测量过程参数生成测量路径，完成叶片截面线测量路径的规划；
步骤3，完成叶片截面线在机测量；
步骤4，完成截面线测量数据的配准；
步骤5，完成基于在机测量结果的误差特征点提取；对理论截面线CN，提取前后缘尖点，记为Pfs、Pbs，以及前后缘与叶盆、叶背的分界点，分别记为Pfl、Pfr、Pbl、Pbr，作为前后缘段的误差特征点，然后分别截取Pfl、Pbl之间和Pfr、Pbr之间的曲线段，按照2mm的间隔等弧长离散，得到叶背和叶盆段的误差特征点，前后缘误差特征点和叶背、叶盆误差特征点，共同构成截面线误差特征点；
尖点的提取方法为应用定向包围盒技术，首先求完整截面线的定向包围盒，取前后缘处的极点作为尖点的近似解，然后在近似点附近根据曲率提取截面线的前后缘圆弧段，再求前后缘圆弧段的定向包围盒，圆弧曲线段的极点确定为尖点。
分界点的提取方法为首先计算尖点处的曲率，根据由尖点分别向左侧和右侧搜索，当搜索点的曲率小于等于尖点曲率的1/5时，取为前后缘与叶盆、叶背的分界点；
步骤6，完成叶片截面线数据的误差光顺；
步骤7，完成基于在机测量的截面线重构；
步骤8，截面线重构数据输出，用于叶片曲面模型的重构。
2.根据权利要求1所述的基于在机测量的叶片截面线自适应重构方法，其特征在于，所述叶片截面线数据的误差光顺处理方法为：
(1)将配准矩阵T应用到实测数据点集
得到变换后的实测球心点集
(2)实测球心点集拟合成实测曲线CAC；
(3)对截面线误差特征点逐点计算各特征点的误差，计算方法为根据特征点在理论截面线的切向Vt和特征点在理论曲面的法向Vn，构造特征点的法平面，法平面以Vt为法向，并通过特征点和Vn，将法平面与实测曲线CAC求交，交点与特征点的距离减去探针半径R，即为误差e；
(4)对叶盆、叶背特征点的误差进行统计滤波，剔除异常误差点；
(5)以相邻特征点作为区间首末点，按照正弦规律，以弧长作为参数，构造误差分段函数。
设区间的首末特征点分别为Pi、Pj，对应误差为ei、ej，曲线的区间弧长为L，区间内各点P到Pi的弧长为x，对应的误差为y，则误差计算函数为
(6)对截面线上非特征点的离散点，根据对应特征点区间，代入上述计算函数，可得到光顺的误差值。
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