CN103411574A - 航空发动机叶片型面三坐标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机叶片型面三坐标测量方法，用于解决现有叶片型面三坐标测量方法精度低的技术问题。技术方案是基于对能代表叶片型面主轴方向曲率分布特点的若干条曲线的提取，计算曲线控制点集以确定叶片测量截面；并基于曲率分布与容差控制，规划每条测量截面的最小控制点集，实现叶片型面的三坐标测量路径规划。本发明根据叶片型面曲率分布特点，规划出叶片测量截面，并基于曲率及容差控制规划每条测量截面的测点集，既降低了测量工作量，又保证了测量精度。避免了传统测量工作中根据经验规划测量截面，以及通过加密测量截面与测量点以保证测量精度而带来的工作量大量增加。

Description

航空发动机叶片型面三坐标测量方法

技术领域

本发明涉及一种叶片型面三坐标测量方法，特别涉及一种航空发动机叶片型面三坐标测量方法。

背景技术

在航空发动机领域，叶片是透平机械的最核心部件，叶片类零件的外形复杂曲面对航空发动机的气动性能有重要影响；要保证航空发动机的整体气动性能达到设计要求，发动机叶片类零件的型面尺寸精度要严格控制在给定公差内；为了定量的评判叶片的型面制造误差、对叶片测绘样件进行逆向建模、对模具成型类叶片进行成型变形分析或模腔逆向调整，都需要首先得到叶片型面数据；因此如何高效、精确的实现对叶片型面的数据采集，对叶片类零件的高精度制造、型面尺寸精度评价与模具成型类叶片型腔逆向调整都有着非常重要的意义。

目前叶片类零件常用测量方法主要有光学测量、CT断层扫描、三坐标测量，其中三坐标测量是接触式测量仪器的典型代表，具有精度高、通用性强、效率高、测量稳定的优点而被广泛使用；对于叶片类自由曲面型面，测量时一般根据“曲面-曲线-点集-测点集”的原则，将曲面的测量简化为对曲面上若干条截面线的有限个点的测量；目前已有方法在已知CAD模型的零件曲面上规划测量截面时一般以设计截面来确定测量截面；由测量截面曲线规划测点集时，主要采用等弧长采点或分段等弧长采点；由于叶片曲面为自由曲面，叶片型面各点处曲率分布不均，叶片测量方案的制定应考虑叶片型面曲率的分布特点，故现有的曲面测量方法显然存在明显的不足。

规划叶片型面测量路径时，叶片型面的测量截面越多、每条测量截面的测量点越多，测量精度一般就越高，然而过多的测量截面和测量点将严重影响测量效率；不但加重测量工作量，而且难以快速高效的得到叶片型面的检测数据。因此，叶片类自由曲面零件型面的测量应该根据叶片曲率分布特点，在保证整体测量结果精度的基础上，尽可能减少测量截面数量和每条测量截面的测点数。

发明内容

为了克服现有叶片型面三坐标测量方法精度低的不足，本发明提供一种航空发动机叶片型面三坐标测量方法。该方法基于对能代表叶片型面主轴方向曲率分布特点的若干条曲线的提取，计算曲线控制点集以确定叶片测量截面；并基于曲率分布与容差控制，规划每条测量截面的最小控制点集，实现叶片型面的三坐标测量路径规划。本发明根据叶片型面曲率分布特点，规划出叶片测量截面，并基于曲率及容差控制规划每条测量截面的测点集，既能降低测量工作量，又能保证测量精度。避免了传统测量工作中根据经验规划测量截面，以及通过加密测量截面与测量点以保证测量精度而带来的工作量大量增加；并可在计算机中预先评判叶片测量方案的合理性；为定量的评判叶片的型面制造误差、对叶片测绘样件进行逆向建模、对模具成型类叶片进行成型变形分析或模腔逆向调整快速、高效的提供准确的型面数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种航空发动机叶片型面三坐标测量方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、叶身截面线提取：将叶片CAD模型导入UG软件，以叶片设计数据所在平面沿着叶片CAD模型高度方向截取截面，得到叶片若干条叶型曲线。

步骤二、提取叶盆、叶背曲线中弧线。设M为叶背曲线上任一点，过M作叶背曲线法线，与叶盆曲线交予N点；以MN为直径，MN的中点O为初始圆心作圆，计算O点到叶盆曲线的最近点P，比较OP距离和初始圆半径R，若差值小于ε，则O点为内切圆圆心；否则采用二分法移动O点在直线MN上的位置，直到OP和R差值小于ε；将叶背曲线进行点离散，重复上述操作，得到一系列叶盆叶背曲线的内切圆圆心，对所求圆心点进行曲线拟合得到叶盆叶背曲线的中弧线。

步骤三、提取中弧面等参数曲线。对上述步骤得到的一族叶盆叶背曲线中弧线进行曲面拟合，得到叶盆叶背曲面的中弧面；提取中弧面在叶片主轴方向的若干条参数曲线。

步骤四、基于容差控制的等参数曲线最小控制点集提取。

第一步，基于容差控制，提取每条曲线最小控制点集。任取一条等参数曲线，以曲线的任一端点为起点，向前搜索一微小弧长，计算搜索始末点连线的中点到该段搜索曲线的距离d，设h为曲线弦公差，若|d-h|＜ε，则该点为控制点；若h-d＞ε，则继续向前搜索。搜索完毕，将搜索到的点拟合曲线，记原始参数曲线容差值为S；将拟合曲线进行一定数量的点离散，并计算出离散点到原始曲线的最大距离d_max，若|S-d_max|＞ε，则调整n，重复上述操作，直到|S-d_max|＜ε。

第二步，全体等参数曲线特征点集统一。取其中一条曲线为参考线，顺次过其上控制点作叶片主轴垂面与其余等参数曲线交于一点，计算其余曲线上离交点最近的控制点，如果该控制点与交点Z向坐标差值＜nr，n为自然数，r为测头半径，

ΔZ_min为第一小步所求每条曲线各控制点Z向坐标差值的最小值，则将该控制点以交点代替；如果两点Z向坐标差值＞nr，则将交点加入该曲线的控制点集；第一条参考曲线上控制点遍历结束，再以第二条曲线为参考线重复上述操作，直到所有参考线遍历结束，实现全体等参数曲线的控制点集统一。

第三步，基于容差控制的特征点集评判。以得到的控制点集拟合B样条曲线，设定原始参数曲线容差值为S；将拟合曲线进行一定数量的点离散，并计算出离散点到原始曲线的最大距离d_max，若|S-d_max|＞ε，则调整第二小步中n，直到|S-d_max|＜ε。

步骤五、初选测量截面评判。以步骤四所计算出的初选测量截面曲线拟合叶身实体，将拟合叶身实体与叶片设计模型进行比较，若三维偏差合格则确定测量截面，若三维偏差超出叶片型面尺寸公差，则步骤三中弧面的等参数曲线条数加1，重复步骤四操作，直到拟合叶身实体与叶片设计模型三维偏差满足要求。

步骤六、求取测量截面曲线最小控制点集。

第一步，将第四步求出的测量截面型线分为前缘、后缘、叶盆、叶背四段。根据设计数据，列出前后缘曲线的方程，然后将叶型曲线进行一定数量的点离散，以前后缘附近的离散点对曲线方程进行最小二乘拟合，得到前后缘曲线方程各参数值；根据叶盆叶背曲线上离散点到前后缘曲线方程的距离相对前后缘点呈突变趋势，得到叶盆、叶背曲线的起始点，进而实现叶型曲线的分段处理。

第二步，基于曲率大小及容差控制，提取每段曲线最小控制点集。对叶型曲线的四段分别进行步骤四第一步的操作，得到基于曲率及容差控制的曲线最小控制点集的提取。

对所有测量截面实施上述操作，完成叶身型面测量。

本发明的有益效果是：该方法基于对能代表叶片型面主轴方向曲率分布特点的若干条曲线的提取，计算曲线控制点集以确定叶片测量截面；并基于曲率分布与容差控制，规划每条测量截面的最小控制点集，实现叶片型面的三坐标测量路径规划。本发明根据叶片型面曲率分布特点，规划出叶片测量截面，并基于曲率及容差控制规划每条测量截面的测点集，既降低了测量工作量，又保证了测量精度。避免了传统测量工作中根据经验规划测量截面，以及通过加密测量截面与测量点以保证测量精度而带来的工作量大量增加；并可在计算机中预先评判叶片测量方案的合理性；为定量的评判叶片的型面制造误差、对叶片测绘样件进行逆向建模、对模具成型类叶片进行成型变形分析或模腔逆向调整快速、高效的提供准确的型面数据。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明航空发动机叶片型面三坐标测量方法的流程图。

图2是某发动机压气机叶片CAD模型。

图3是叶片叶身截面线提取。

图4是Z=80处截面叶盆叶背中弧线提取。

图5是中弧面等参数曲线提取。

图6是等参数曲线控制点集。

图7是Z=97mm测量截面线特征点集。

图8是叶片三坐标测量路径规划结果。

具体实施方式

参照图1-8。以某型号航空发动机压气机实验叶片为例详细说明本发明。

步骤1：将叶片CAD模型导入UG软件，沿叶片主轴方向，提取叶片设计数据所在平面与叶片CAD模型的交线，结果如图3所示。

步骤2：以Z=80处叶型曲线为例，根据设计数据提取叶盆叶背曲线中弧线；设M为叶背曲线上任一点，过M作叶背曲线法线与叶盆曲线交予N点；以MN为直径，MN的中点O为初始圆心，计算O点到叶盆曲线的最近点P，比较OP距离和初始圆半径R，若差值小于ε（ε为制定最小容差值，工程上一般取其为10^-3），则O点为内切圆圆心，求解结束，否则采用二分法移动O点在直线MN上的位置，直到OP和R差值小于ε。将叶背曲线进行一定数量的点离散，重复上述操作，可得到一系列叶盆叶背曲线的内切圆圆心点，对所求圆心点进行曲线拟合可得到叶盆叶背曲线的中弧线，结果如图4所示。

步骤3：对其余叶型曲线重复上述操作，可得到一系列叶盆叶背曲线中弧线，由全体中弧线可拟合出叶盆叶背曲面的中弧面；提取中弧面沿叶片主轴方向3条等参数曲线，结果如图5所示。

步骤4：对中弧面3条等参数曲线进行基于曲率分布及容差控制的最小控制点集提取，提取的步骤如下；

[1]任取一条等参数曲线，以曲线的任一端点为起点，向前搜索一微小弧长，计算搜索始末点连线的中点到该段搜索曲线的距离d，设h为曲线弦公差，若|d-h|＜ε，（h=nc，n为大于0的自然数，c为曲线弦公差单位变化值，考虑计算精度和效率，c设为0.005；ε为设定阈值，工程上一般设置为10^-3），则该点为控制点；若h-d＞ε，则继续向前搜索。搜索完毕，将搜索到的点拟合曲线，记原始参数曲线容差值为S；将拟合曲线进行一定数量的点离散，并计算出离散点到原始曲线的最大距离d_max，若|S-d_max|＞ε，则调整n，重复上述操作，直到|S-d_max|＜ε。

[2]取其中一条曲线为参考线，顺次过其上控制点作叶片主轴垂面与其余等参数曲线交于一点，计算其余曲线上离交点最近的控制点，如果该控制点与交点Z向坐标差值＜nr（n为自然数，r为测头半径，

ΔZ_min为第一小步所求每条曲线各控制点Z向坐标差值的最小值），则将该控制点以交点代替；如果两点Z向坐标差值＞nr，则将交点加入该曲线的控制点集；如此，第一条参考曲线上控制点遍历结束，再以第二条曲线为参考线重复上述操作，直到所有参考线遍历结束，即可初步实现全体等参数曲线的控制点集统一。

[3]以得到的控制点集拟合B样条曲线，设定原始参数曲线容差值为S；将拟合曲线进行一定数量的点离散，并计算出离散点到原始曲线的最大距离d_max，若|S-d_max|＞ε（ε为设计阈值，此处取10^-3），则调整第二小步中n，直到|S-d_max|＜ε。

中弧面等参数曲线弦公差（说明书图5从左到右顺序）第一条0.08，第二条0.10第三条0.08，得到控制点个数为20；三条曲线拟合误差均小于所给容差0.005mm。控制点提取结果如图6所示。

步骤5：由第四步所得初选测量截面拟合叶片实体，并延拓叶尖和叶根部分，用设计模型叶尖、叶根回转面修剪体；将拟合的实体与叶片设计模型进行型面3D比较，结果显示所选测量截面拟合误差最大值为0.015mm。

步骤6：以Z=97处叶型曲线为例，其控制点的提取步骤如下。

[1]本实施例中叶片前缘段为椭圆弧曲线，后缘段为圆弧曲线，叶盆叶背段为自由曲线。首先将叶型曲线离散为1000个点，设前缘满足二次多项式方程f(x,y)＝ax²+2bxy+cy²+2dx+2fy+g＝0，当b²-ac＜0时为椭圆曲线；设后缘满足方程

设有n个数据点p_i(x_i,y_i)，参与前后缘曲线拟合，建立拟合目标函数：

采用最小二乘拟合求得二次多项式方程系数后，可得到椭圆圆心坐标为（-32.1558，-30.4283），长轴为0.911，短轴为0.655，后缘圆心坐标为（42.1581,14.6512），半径为0.605。由叶盆叶背曲线向椭圆、圆引切线，切点即为前后缘起始点，进而可实现叶型曲线的分段。

[2]通过第一小步可将叶型曲线分为前缘、后缘、叶盆、叶背四段，分别对四段曲线实施步骤4中第一小步的操作，可得到基于曲率及容差控制的曲线最小控制点集提取，结果如图7所示。前后缘段弦公差为0.01，叶盆叶背为0.02，四段曲线控制点拟合误差均小于所给容差0.005mm。

步骤7：对其余测量截面曲线进行同样操作，即可得到基于曲率及容差控制的叶片型面三坐标测点集规划；结果如图8所示。

Claims (1)

1.一种航空发动机叶片型面三坐标测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、叶身截面线提取：将叶片CAD模型导入UG软件，以叶片设计数据所在平面沿着叶片CAD模型高度方向截取截面，得到叶片若干条叶型曲线；

步骤二、提取叶盆、叶背曲线中弧线；设M为叶背曲线上任一点，过M作叶背曲线法线，与叶盆曲线交予N点；以MN为直径，MN的中点O为初始圆心作圆，计算O点到叶盆曲线的最近点P，比较OP距离和初始圆半径R，若差值小于ε，则O点为内切圆圆心；否则采用二分法移动O点在直线MN上的位置，直到OP和R差值小于ε；将叶背曲线进行点离散，重复上述操作，得到一系列叶盆叶背曲线的内切圆圆心，对所求圆心点进行曲线拟合得到叶盆叶背曲线的中弧线；

步骤三、提取中弧面等参数曲线；对上述步骤得到的一族叶盆叶背曲线中弧线进行曲面拟合，得到叶盆叶背曲面的中弧面；提取中弧面在叶片主轴方向的若干条参数曲线；

步骤四、基于容差控制的等参数曲线最小控制点集提取；

第一步，基于容差控制，提取每条曲线最小控制点集；任取一条等参数曲线，以曲线的任一端点为起点，向前搜索一微小弧长，计算搜索始末点连线的中点到该段搜索曲线的距离d，设h为曲线弦公差，若|d-h|＜ε，则该点为控制点；若h-d＞ε，则继续向前搜索；搜索完毕，将搜索到的点拟合曲线，记原始参数曲线容差值为S；将拟合曲线进行一定数量的点离散，并计算出离散点到原始曲线的最大距离d_max，若|S-d_max|＞ε，则调整n，重复上述操作，直到|S-d_max|＜ε；

第二步，全体等参数曲线特征点集统一；取其中一条曲线为参考线，顺次过其上控制点作叶片主轴垂面与其余等参数曲线交于一点，计算其余曲线上离交点最近的控制点，如果该控制点与交点Z向坐标差值＜nr，n为自然数，r为测头半径，

ΔZ_min为第一小步所求每条曲线各控制点Z向坐标差值的最小值，则将该控制点以交点代替；如果两点Z向坐标差值＞nr，则将交点加入该曲线的控制点集；第一条参考曲线上控制点遍历结束，再以第二条曲线为参考线重复上述操作，直到所有参考线遍历结束，实现全体等参数曲线的控制点集统一；

第三步，基于容差控制的特征点集评判；以得到的控制点集拟合B样条曲线，设定原始参数曲线容差值为S；将拟合曲线进行一定数量的点离散，并计算出离散点到原始曲线的最大距离d_max，若|S-d_max|＞ε，则调整第二小步中n，直到|S-d_max|＜ε；

步骤五、初选测量截面评判；以步骤四所计算出的初选测量截面曲线拟合叶身实体，将拟合叶身实体与叶片设计模型进行比较，若三维偏差合格则确定测量截面，若三维偏差超出叶片型面尺寸公差，则步骤三中弧面的等参数曲线条数加1，重复步骤四操作，直到拟合叶身实体与叶片设计模型三维偏差满足要求；

步骤六、求取测量截面曲线最小控制点集；

第一步，将第四步求出的测量截面型线分为前缘、后缘、叶盆、叶背四段；根据设计数据，列出前后缘曲线的方程，然后将叶型曲线进行一定数量的点离散，以前后缘附近的离散点对曲线方程进行最小二乘拟合，得到前后缘曲线方程各参数值；根据叶盆叶背曲线上离散点到前后缘曲线方程的距离相对前后缘点呈突变趋势，得到叶盆、叶背曲线的起始点，进而实现叶型曲线的分段处理；

第二步，基于曲率大小及容差控制，提取每段曲线最小控制点集；对叶型曲线的四段分别进行步骤四第一步的操作，得到基于曲率及容差控制的曲线最小控制点集的提取；

对所有测量截面实施上述操作，完成叶身型面测量。

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