WO2010097076A1 - Verfahren zum automatisierten erzeugen eines flächenmodells eines objekts - Google Patents

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Harald SCHÖNENBORN
Johannes Barner
David Grossmann
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MTU Aero Engines AG
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    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three-dimensional [3D] modelling for computer graphics
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation

Definitions

  • the invention relates to a method for the automated production of a surface model of an object, in particular a blade of a turbomachine, in particular a compressor and / or turbine blade.
  • the blades of turbomachinery are all slightly different due to production or operation. These differences will be made available for analytical investigations such as FEM (Finite Element Method) and CFD (Computational Fluid Dynamics). For this purpose, it is necessary to measure the actual geometry of the blades, prepare them accordingly and make them available for further processing programs (CAD systems, Computer Aided Design). So far, no established method is known that completely covers this need. In addition, the known methods are usually only interactive feasible.
  • the object of the invention is therefore to provide a method with which a surface model of an object can be created without the interposition of a user from measured data, which can be fed to analytical examinations.
  • the method according to the invention for the automated production of a surface model of an object, in particular a blade of a turbomachine comprises at least the following steps:
  • CAD high-quality
  • Figure 1 is a flow chart of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a graphic representation of a triangulated point cloud in the form of a
  • FIGS. 3a-3c show an image sequence for illustrating the iterative filling of a hole in the triangulation
  • FIGS. 4a, 4b show the curvature estimation in the case of a triangulated point cloud
  • FIG. 5 shows the decomposition (segmentation) of an object into individual areas
  • FIGS. 7a, 7b show the construction of a clearly assignable object structure
  • FIG. 8 shows the union of the parameterized surfaces into a total
  • FIG. 1 shows a flowchart of the method according to the invention for the automated generation of a CAD model of an object.
  • an object is an example Blade of a turbomachine selected, but this is not to be understood as limiting the process to such an object.
  • the starting point of the method is data in the form of a point cloud, which originate from a measurement of the surface of a turbine blade (see FIG. 2).
  • the measurement can be carried out by means of an optical method, as described in DE 10 2005 054 373 A1, or else by a tactile method.
  • the measurement data is read in and prepared by creating a linked data structure and correcting errors in the data.
  • the result is a linking of the data in a faultless object structure of points, edges and triangles; a faultless triangulated point cloud.
  • the foot of the blade is widened with a triangulated block, which is oriented on the overall structure of the associated disk.
  • the curvature concepts of parameterized 2-dimensional manifolds are discretized and estimated with different methods adapted to the actual object geometry (here: blade geometry), as shown in FIGS. 4a, 4b.
  • a smoothing of the discrete curvatures is achieved by a local approximation using second order surfaces.
  • the resulting curvatures are examined and compared for curvature-based segmentation.
  • the triangulated point cloud of the turbine blade is curvature-based and automatically decomposed into its components or known regions (eg transition radius, pressure side, suction side, etc.), as in FIG illustrated.
  • the known regions of this example are designated individually: blade tip 10, blade surface 12, blade edge 14 and rounding 16 on the blade root.
  • each triangle of the triangulated point cloud can be uniquely assigned to one of these areas. The algorithm thus serves to construct a clearly assignable blade topology.
  • FIGS. 7a, 7b show the construction of a clearly assignable object structure (object topology) by means of the definition of points according to unique criteria using the example of a guide vane. The same is possible in principle for other objects with known areas into which a triangulated point cloud can be dismantled.
  • the known areas at the edges are smoothed as part of an optimization of the segmentation (see FIG. 6b with reference to FIG. 6a).
  • special functionals have been developed which generate smooth boundary polygons directly on the triangulation by the projection of approximating curves of the discrete data onto the triangulation.
  • the optimized areas are parameterized with suitable, topology-independent methods.
  • the surface repatriation of the individual areas is effected by approximating the corresponding points by means of parameterized surfaces from geometric modeling (CAGD, Computer Aided Geometry Design).
  • CAGD Computer Aided Geometry Design
  • the surface approximation is specially adapted by the assignability of the areas to the geometry and the desired surface smoothness and achieves a very high accuracy and stability.

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Abstract

Ein Verfahren zum automatisierten Erzeugen eines Flächenmodells eines Objekts, insbesondere einer Schaufel einer Turbomaschine, umfasst wenigstens folgende Schritte: - Vermessen der Oberfläche des Objekts; - Bereitstellen der aus der Vermessung erhaltenen Daten in Form einer fehlerfreien Punktwolke, wobei die Daten in Form einer triangulierten Punktwolke bereitgestellt werden; - Diskretisierung und Untersuchung von Krümmungen der triangulierten Punktwolke; - Segmentierung der triangulierten Punktwolke auf Basis der Ergebnisse der Krümmungsuntersuchungen; - Aufbau einer eindeutig zuordenbaren Objekttopologie; und - Erzeugung eines parametrisierten Flächenmodells.

Description

Verfahren zum automatisierten Erzeugen eines Flächenmodells eines Objekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Erzeugen eines Flächenmodells eines Objekts, insbesondere einer Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere einer Verdichter- und/oder Turbinenschaufel.
Die Schaufeln von Turbomaschinen sind fertigungs- oder betriebsbedingt alle leicht unterschiedlich. Diese Unterschiede sollen für analytische Untersuchungen wie FEM (Finite- Elemente-Methode) und CFD (Computational Fluid Dynamics, numerische Strömungsmechanik) zugänglich gemacht werden. Dafür ist es notwendig, die Ist-Geometrie der Schaufeln messtechnisch zu erfassen, entsprechend aufzubereiten und für die weiterverarbeitenden Programme (CAD-Systeme, Computer Aided Design) zur Verfügung zu stellen. Bislang ist kein etabliertes Verfahren bekannt, das diesen Bedarf vollständig abdeckt. Zudem sind die bekannten Verfahren meist nur interaktiv durchführbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ohne Zwischenschaltung eines Benutzers aus Messdaten ein Flächenmodell eines Objekts erstellt werden kann, das analytischen Untersuchungen zuführbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum automatisierten Erzeugen eines Flächenmodells mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum automatisierten Erzeugen eines Flächenmodells eines Objekts, insbesondere einer Schaufel einer Turbomaschine, umfasst wenigstens folgende Schritte:
- Vermessen der Oberfläche des Objekts;
- Bereitstellen der aus der Vermessung erhaltenen Daten in Form einer fehlerfreien Punktwolke, wobei die Daten in Form einer triangulierten Punktwolke bereitgestellt werden;
- Diskretisierung und Untersuchung von Krümmungen der triangulierten Punktwolke;
- Segmentierung der triangulierten Punktwolke auf Basis der Ergebnisse der Krümmungsuntersuchungen;
- Aufbau einer eindeutig zuordenbaren Objekttopologie; und Erzeugung eines parametrisierten Flächenmodells. Grundlegende Techniken, die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können, sind in der Dissertation "Segmentierung und Approximation großer Punktwolken" von Wilhelm Wilke, TU Darmstadt (2002) beschrieben. Weitere grundlegende Informationen sind im „Handbook of Computer Aided Geometrie Design" von G. Farin, J. Hoschek und M.- S. Kim, Elsevier Science B. V. (2002) zu finden.
Gemäß der Erfindung werden auf der Basis von Messdaten mehrere Schritte automatisiert durchgeführt, um ein vollständiges und qualitativ hochwertiges (CAD-) Flächenmodell zu erhalten. Im Falle einer Beschaufelung einer Turbomaschine können anhand der automatisiert erstellten CAD-Modelle reale Geometrien dargestellt und nachgerechnet werden. Damit können z. B. Bauteilabweichungen und Beschädigungen schnell beurteilt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 2 eine grafische Darstellung einer triangulierten Punktwolke in Form einer
Triangulation und einer zusammenhangslosen Punktwolke
Figuren 3a-3c eine Bildfolge zur Illustration des iterativen Füllens eines Loches in der Triangulation;
Figuren 4a, 4b die Krümmungsabschätzung bei einer triangulierten Punktwolke;
Figur 5 die Zerlegung (Segmentierung) eines Objekts in einzelne Bereiche;
Figuren 6a, 6b die Glättung der Ränder der segmentierten Bereiche
Figuren 7a, 7b den Aufbau einer eindeutig zuordenbaren Objektstruktur;
Figur 8 die Vereinigung der parametrisierten Flächen zu einem Gesamt-
Flächenverbund.
In Figur 1 ist ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zum automatisierten Erzeugen eines CAD-Modells eines Objekts dargestellt. Als Objekt ist beispielhaft eine Schaufel einer Turbomaschine gewählt, was jedoch nicht als Einschränkung des Verfahrens auf ein solches Objekt zu verstehen ist.
Ausgangspunkt des Verfahrens sind Daten in Form einer Punktwolke, die aus einer Vermessung der Oberfläche einer Turbinenschaufel stammen (siehe Figur 2). Die Vermessung kann mithilfe eines optisches Verfahrens, wie in der DE 10 2005 054 373 A1 beschrieben, oder auch eines taktilen Verfahrens erfolgt sein. Die Messdaten werden eingelesen und aufbereitet, indem eine verknüpfte Datenstruktur erstellt wird und Fehler in den Daten behoben werden. Ergebnis ist eine Verlinkung der Daten in einer fehlerfreien Objektstruktur aus Punkten, Kanten und Dreiecken; einer fehlerfreien triangulierten Punktwolke.
Um eine "wasserdichte" Oberfläche zu garantieren, werden Löcher (Bereiche ohne Daten, hauptsächlich an den Schaufelkanten, beispielsweise Lücken) bei der Datenaufbereitung erkannt und mit einer aufspannenden und verfeinerten Triangulierung geschlossen. Abschließend erfolgt eine Glättung der auf diese Weise neu hinzugefügten Bereiche anhand der umgebenden Struktur, ohne dass zusätzliche Informationen über die Schaufelgeometrie, z. B. die Krümmung, benötigt werden. Insbesondere wird dafür ein Diskretisierung von geometrischen Flüssen auf Mannigfaltigkeiten benutzt. Die Glättung erfolgt in mehreren Iterationsschritten und erreicht an den Rändern eine "beliebig" einstellbare Stetigkeit, wie in der Bildfolge der Figuren 3a-c beispielhaft dargestellt.
Im Falle der Vermessung einer Turbinenschaufel wird für spätere Berechnungen der Fuß der Schaufel mit einem triangulierten Block, welcher sich an der Gesamtstruktur der zugehörigen Scheibe orientiert, erweitert.
Anschließend werden, basierend auf speziell gewichteten Normalenvektoren der triangulierten Punktwolke, die Krümmungsbegriffe von parametrisierten 2-dimensionalen Mannigfaltigkeiten (topologische Flächen) diskretisiert und mit verschiedenen, der konkreten Objektgeometrie (hier: Schaufelgeometrie) angepassten Methoden abgeschätzt, wie in den Figuren 4a, 4b dargestellt. Insbesondere wird eine Glättung der diskreten Krümmungen durch eine lokale Approximation mittels Flächen 2. Ordnung erreicht. Die resultierenden Krümmungen werden im Hinblick auf eine krümmungsbasierte Segmentierung untersucht und verglichen.
Gemäß einem eigens hierfür entwickelten Algorithmus wird die triangulierte Punktwolke der Turbinenschaufel krümmungsbasiert und automatisch in deren Bestandteile bzw. bekannte Bereiche (z. B. Übergangsradius, Druckseite, Saugseite, etc.) zerlegt, wie in Figur 5 illustriert. In der Darstellung der Figur 6a sind die bekannten Bereiche dieses Beispiels einzeln bezeichnet: Schaufelspitze 10, Schaufelfläche 12, Schaufelkante 14 und Verrundung 16 am Schaufelfuß. Mithilfe des Algorithmus ist jedes Dreieck der triangulierten Punktwolke eindeutig einem dieser Bereiche zuordenbar. Der Algorithmus dient somit zum Aufbau einer eindeutig zuordenbaren Schaufeltopologie.
Die Figuren 7a, 7b zeigen am Beispiel einer Leitschaufel den Aufbau einer eindeutig zuordenbaren Objektstruktur (Objekttopologie) mittels Festlegung von Punkten nach eindeutigen Kriterien. Entsprechendes ist grundsätzlich auch für andere Objekte mit bekannten Bereichen möglich, in die eine triangulierte Punktwolke zerlegbar ist.
Vor der Flächenrückführung werden im Rahmen einer Optimierung der Segmentierung die bekannten Bereiche an den Rändern geglättet (siehe Figur 6b in Bezug zu Figur 6a). Dafür wurden spezielle Funktionale entwickelt, welche mit der Projektion von approximierenden Kurven der diskreten Daten auf die Triangulation glatte Randpolygonzüge direkt auf der Triangulierung erzeugen. Die optimierten Bereiche werden mit geeigneten, topologieunabhägigen Verfahren parametrisiert. Dann erfolgt die Flächenrückführung der einzelnen Bereiche durch die Approximation der zugehörigen Punkte mittels parametrisierter Flächen aus der geometrischen Modellierung (CAGD, Computer Aided Geometrie Design). Die Flächenapproximation wird durch die Zuordenbarkeit der Bereiche an die Geometrie und die gewünschte Oberflächenglätte speziell angepasst und erreicht eine sehr hohe Genauigkeit und Stabilität.
Abschließend erfolgt eine Vereinigung der parametrisierten Flächen zu einem Gesamt- Flächenverbund (CAD-Modell), wie in Figur 8 dargestellt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum automatisierten Erzeugen eines Flächenmodells eines Objekts, insbesondere einer Schaufel einer Turbomaschine, mit wenigstens folgenden Schritten
- Vermessen der Oberfläche des Objekts;
Bereitstellen der aus der Vermessung erhaltenen Daten in Form einer fehlerfreien Punktwolke, wobei die Daten in Form einer triangulierten Punktwolke bereitgestellt werden;
- Diskretisierung und Untersuchung von Krümmungen der triangulierten Punktwolke; Segmentierung der triangulierten Punktwolke auf Basis der Ergebnisse der Krümmungsuntersuchungen;
- Aufbau einer eindeutig zuordenbaren Objekttopologie; und Erzeugung eines parametrisierten Flächenmodells.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Vermessung erhaltenen Daten im Rahmen einer Aufbereitung zu einer fehlerfreien Objektstruktur verlinkt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen einer Aufbereitung der bei der Vermessung erhaltenen Daten Löcher erkannt und mit einer aufspannenden und verfeinerten Triangulierung geschlossen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Schließung der Löcher neu hinzugefügten Bereiche in mehreren Iterationsschritten anhand der umgebenden Struktur geglättet werden, ohne dass zusätzliche Informationen über die Schaufelgeometrie einbezogen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf speziell gewichteten Normalenvektoren der triangulierten Punktwolke die Krümmungsbegriffe von parametrisierten 2-dimensionalen Mannigfaltigkeiten diskretisiert, mittels der Approximation von Flächen zweiter Ordnung geglättet und mit der Objektgeometrie angepassten Methoden abgeschätzt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die triangulierte Punktwolke krümmungsbasiert und automatisch in bekannte Bereiche segmentiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine eindeutig zuordenbare Objekttopologie aufgebaut wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen einer Optimierung der Segmentierung die Bereiche an den Rändern mit speziellen Funktionalen, welche glatte Randpolygonzüge direkt auf der Triangulierung erzeugen, geglättet und mit topologieunabhägigen Verfahren parametrisiert werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flächenrückführung der Bereiche durch Approximation der zugehörigen Punkte mittels parametrisierter Flächen aus einer geometrischen Modellierung erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die parametrisierten Flächen zu einem Gesamt-Flächenverbund, insbesondere einem CAD-Modell, zusammengefügt werden.
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