一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法技术

本发明专利技术提供了一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法，有效解决点云数据处理中多个坐标系配准难度大费时费力、海量点云数据精简等问题，实现点云数据二维三角网格化。为了实现上述目的，采用以下技术方案：所用硬件包括激光测距传感器、高速摄像机、L型挡板、电控旋转台、电控升降台、计算机，所述激光测距传感器固定于L型挡板的一侧，激光测距传感器的水平轴线与所在地水平线平行，被测叶片正反面均在激光测距传感器的有效测距范围内；被测叶片固定在电控旋转台上，高速摄像机放置于激光测距传感器的位置，并进行操作：激光测距传感器获取被测叶片曲面点云数据；基于相邻三个采样点构成的外切圆半径点云数据精简；点云数据二维网格三角化。

【技术实现步骤摘要】
一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法
本专利技术属于叶轮机械叶片曲面重构领域，特别涉及一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法。
技术介绍
叶片是叶轮机械能量转化过程中最关键的部件，叶片曲面建模的精度直接决定所设计叶片的综合性能，包括效率、安全性能以及振动性能。长期以来，叶片的曲面建模一直是叶轮以及转轮设计及制造中的核心技术，同时又是叶片修补的首要步骤。因此，如何提高叶片曲面建模的速度以及精度始终是行业关注的热点问题。叶轮机械的叶片通常具有弯和扭的特征，截面、扭角以及弦长随着曲面造型缓慢变化，比如混流式水轮机的变截面X型叶片、轴流式水轮机以及离心泵叶片等由于设计变量众多、且变量之间往往具有关联，一直是行业面临的难点和痛点。近年来，随着现代测量技术的发展，基于光学测量原理的叶片曲面建模方法由于采样频率可控、采样数据量大、建模精度高等优势，正在逐步取代传统的样板法和三坐标法。但是基于光学测量原理的叶片曲面建模方法仍然处于发展阶段，有诸多需要提高的地方。其中，基于激光测距原理的点云数据获取方法由于激光的单色性良好、能量密度大、抗干扰能力强等优点，成为曲面重构过程中获取点云数据最有效的方法。然而，该方法为了保证建模精度，获取了大量点云数据，导致计算机在处理海量数据时面临计算量巨大、计算效率极低、计算硬件配置要求高、诸多方法不适等问题。为了解决点云数据处理中的多个坐标系配准难度大费时费力、点云数据精简等问题，专利技术了一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法，有效解决了点云数据处理中的多个坐标系配准难度大费时费力、海量点云数据精简等问题，实现了点云数据二维三角网格化，为接下来的三维投影以及曲面重建提供了准备。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法，其特征是，所用硬件包括激光测距传感器、高速摄像机、L型挡板、电控旋转台、计算机，所述L型挡板包括竖直板和水平板，竖直板固定于水平板的一端，所述激光测距传感器固定于水平板的另一端，激光测距传感器的水平轴线与所在地水平线平行，被测叶片正反面均在激光测距传感器的有效测距范围内；所述激光测距传感器同轴固定在电控升降台上，实现激光测距传感器在竖直方向的自由上下移动，其中的全反射镜片用于控制片状激光实现水平方向的发射，被测叶片固定在电控旋转台上，电控旋转台带动被测叶片旋转，实现被测叶片正反面的采样，高速摄像机放置于激光测距传感器的位置，对被测叶片拍摄后为激光测距传感器提供像素级的采样间隔；被测叶片的曲面按照XY、XZ、YZ三个平面方向投影，选取投影面积最大的一个方向正对激光测距传感器的探头平面，使用上述硬件进行如下操作：S1：激光测距传感器获取被测叶片曲面点云数据；S2：基于相邻三个采样点构成的外切圆半径点云数据精简；S3：点云数据二维网格三角化。所述曲面点云数据获取方式基于激光测距原理。脉冲激光测距所用激光功率较大，抗干扰能力较强，且其测距原理较为简单，因此适用于曲面重构过程中的点云数据获取。采用线激光对曲面进行逐点采样。激光测距传感器和被测叶片之间的相对位置对测距精度有明显的影响，因此要确保被测叶片整体处于激光测距传感器可有效检测范围内。大量的点云数据常常面临点云配准、导致大量无序数据和海量运算。此时，为较少不必要的坐标转换等问题，本专利技术将激光测距传感器和被测叶片的相对位置固定，通过对全反射的镜片的控制实现线激光发射方向的改变。发射方向从上到下进行。进一步地，所述S1具体步骤为：S11：测量激光测距传感器到L型挡板竖直部分的最小距离，首先将激光测距传感器固定L型挡板左部，水平发射线激光，测量激光测距传感器到L型挡板的最小距离，记为；S12：放置被测叶片，调整被测叶片与激光测距传感器之间的相对距离，将被测叶片同轴固定在电控旋转台上，并整体放置于激光测距传感器有效的测距范围内，测量激光测距传感器到所扫描的被测叶片的截面的最小距离，记为，判断是否大于，若，则固定L型挡板的竖直部分，若，则向右移动L型挡板的竖直部分，直到满足，公式如下：(1)(2)其中，为激光测距传感器到所扫描的被测叶片的截面的最小距离；为激光在空气中的传播速度；为从向被测曲面发射激光脉冲到激光接收器接收到反射激光脉冲的时间；为从向L型挡板竖直部分方向发射激光脉冲到激光接收器接收到反射激光脉冲的时间；S13：设置激光测距传感器初始仰角，若检测到激光测距传感器到所测截面最小距离，说明激光未照射在被测叶片上，下调仰角后再次测量，直至，以首次检测到时的仰角作为该次曲面重构的初始仰角，即为；S14：将高速摄像机放置于激光测距传感器所在的位置，拍摄一张被测叶片的照片，对其进行像素分析，获取单位像素的宽度和高度；S15：带状激光按照逐次递减高度从上到下移动扫描，带状激光的采样点按照间隔进行，从上至下的带状激光扫描依次编号为，两两之间互相平行，当最后检测到的时停止向下扫描，此时的激光测距传感器仰角作为该次曲面重构的结束仰角，即为；S16：在当对一个面完成扫描后，电控旋转台旋转180°，激光测距传感器仰角在之间变化，重复进行步骤S15，完成对被测叶片全方位的扫描。进一步地，所述S2具体步骤为：S21：精简原则为大曲率区域保留较多采样点，小曲率区域保留较少采样点，最终的激光采样点分布能够合理表达曲面特征，且占用最少的存储空间；S22：对所有点云数据进行二维投影，对于在同一截面上的采样点，随机选取一点，标记为，按照顺时针方向，点的序列依次增加，分别标记为，相邻的三个点为一组，建立三点之间的外切圆，半径依次标记为；S23：统计半径的分布，如果相邻两个圆的半径和差值在5%以内，则去除半径为的圆，同时去除建立该圆的三个点中位于中间的点；S24：遍历所有的点和圆，以此达到精简点云数据的目的，记录剩余采样点的编号，并重新按照X坐标从小到大的顺序依次从1开始编号，对于第i次测量上的剩余采样点，分别编号为,即为第i次测量上的最后的一个剩余采样点。对每一行中的采样点按照上述方法进行精简操作，公式如下，例如，对于第i次测量获取的点云数据，选取上第一个点云数据，第二个点云数据，和第三个点云数据，其坐标如下：(3)(4)(5)则点和点的距离记为，点和点的距离记为，点和点的距离记为，如下所示：(6)(7)(8)三个相邻点、和组成的外接圆为第i次测量数据组成的第一个外接圆，因此其半径表示为，公式如下：(9)。进一步地，所述S3具体步骤为：从开始，依次选取上部带状激光线上分布的采样点与下部带本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法，其特征是，所用硬件包括激光测距传感器、高速摄像机、L型挡板、电控旋转台、电控升降台、计算机，所述L型挡板包括竖直板和水平板，竖直板固定于水平板的一端，所述激光测距传感器固定于水平板的另一端，激光测距传感器的水平轴线与所在地水平线平行，被测叶片正反面均在激光测距传感器的有效测距范围内；所述激光测距传感器中的全反射镜片用于控制片状激光的发射方向，激光测距传感器固定在电控升降台上，被测叶片固定在电控旋转台上，电控旋转台带动被测叶片旋转，实现被测叶片正反面的采样，高速摄像机放置于激光测距传感器的位置，对被测叶片拍摄后为激光测距传感器提供像素级的采样间隔；被测叶片的曲面按照XY、XZ、YZ三个平面方向投影，选取投影面积最大的一个方向正对激光测距传感器的探头平面，使用上述硬件进行如下操作：/nS1：激光测距传感器获取被测叶片曲面点云数据；/nS2：基于相邻三个采样点构成的外切圆半径点云数据精简；/nS3：点云数据二维网格三角化。/n

【技术特征摘要】
1.一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法，其特征是，所用硬件包括激光测距传感器、高速摄像机、L型挡板、电控旋转台、电控升降台、计算机，所述L型挡板包括竖直板和水平板，竖直板固定于水平板的一端，所述激光测距传感器固定于水平板的另一端，激光测距传感器的水平轴线与所在地水平线平行，被测叶片正反面均在激光测距传感器的有效测距范围内；所述激光测距传感器中的全反射镜片用于控制片状激光的发射方向，激光测距传感器固定在电控升降台上，被测叶片固定在电控旋转台上，电控旋转台带动被测叶片旋转，实现被测叶片正反面的采样，高速摄像机放置于激光测距传感器的位置，对被测叶片拍摄后为激光测距传感器提供像素级的采样间隔；被测叶片的曲面按照XY、XZ、YZ三个平面方向投影，选取投影面积最大的一个方向正对激光测距传感器的探头平面，使用上述硬件进行如下操作：
S1：激光测距传感器获取被测叶片曲面点云数据；
S2：基于相邻三个采样点构成的外切圆半径点云数据精简；
S3：点云数据二维网格三角化。


2.根据权利要求1所述的一种叶轮机械叶片曲面网格化快速生成方法，其特征是，所述S1具体步骤为：
S11：测量激光测距传感器到L型挡板竖直部分的最小距离，首先将激光测距传感器固
定L型挡板左部，水平发射线激光，测量激光测距传感器到L型挡板的最小距离，记为；
S12：放置被测叶片，调整被测叶片与激光测距传感器之间的相对距离，将被测叶片同
轴固定在电控旋转台上，并整体放置于激光测距传感器有效的测距范围内，测量激光测距
传感器到所扫描的被测叶片的截面的最小距离，记为，判断是否大于，若，则固定L型挡板的竖直部分，若，则向右移动L型挡板的竖直
部分，直到满足，公式如下：

(1)

(2)
其中，为激光测距传感器到所扫描的被测叶片的截面的最小距离；为激光在空
气中的传播速度；为从向被测曲面发射激光脉冲到激光接收器接收到反射激光脉冲的时
间；为从向L型挡板竖直部分方向发射激光脉冲到激光接收器接收到反射激光脉冲的
时间；
S13：设置激光测距传感器初始仰角，若检测到激光测距传感器到所测截面最小距离，说明激光未照射在被测叶片上，下调仰角后再次测量，直至，
以首次检测到时的仰角作为该次曲面重构的初始仰角，即为；
S14：将高速摄像机放置于激光测距传感器所在的位置，拍摄一张被测叶片的照片，对
其进行像素分析，获取单位像素的宽度和高度；
S15：带状激光按照逐次递减高度从上到下移动扫描，带状激...

【专利技术属性】
技术研发人员：童哲铭，刘浩，童水光，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33