一种叶片叶根倒角圆半径参数测量方法技术

本发明专利技术公开的一种叶片叶根倒角圆半径参数的测量方法，属于航空发动机测试领域。本发明专利技术通过测量获取叶根区域的三维坐标点，生成三维网格数据，构造初始截平面并进行空间旋转，截平面与三维网格数据相交构造拟合圆，利用三维点云数据迭代逼近拟合的方法计算半径，实现对叶片叶根倒角圆半径参数测量。本发明专利技术使用叶片三维模型结合接触式或非接触式测量方式扫描叶根倒角圆区域，没有增加硬件成本和人员成本，减少测具的使用，测量效率高，能够满足批量测量的需求。本发明专利技术通过构造网格拓扑关系、交点点集、拟合圆等关系能够进一步提高测算的精度和操作便利性。本发明专利技术适合于各类风扇、压气机、涡轮和整体叶盘叶片的叶根倒角圆半径的测量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种叶片叶根倒角圆半径参数测量方法


[0001]本专利技术涉及一种叶片叶根倒角圆半径参数的测量方法，属于航空发动机测试领域。

技术介绍

[0002]为了满足叶片气动和结构要求，航空发动机和燃气轮机叶片呈现较为复杂的几何形状，其中叶型是复杂的封闭自由曲面，缘板为非标准的回转面，在叶根相交位置形成了一个不规则的圆角特征进行过渡。这既是加工过程必然会留下的特征，也是为了满足叶片离心应力设计要求所必须的特征。由于该圆角位置截面收缩(扩张)变化剧烈，导致风扇和压气机叶片机加工和涡轮叶片凝固加工难度大，几何尺寸难以控制。
[0003]目前叶根倒角圆半径用直接方法很难实现测量，且测量精度难以保证，通常采用R规进行简单检测。存在以下突出问题：
①
R规设计为离散间隔的尺寸，通过目视观察，只能用于大致判断倒角圆半径合格性，无法准确测量实际值；
②
对操作存在一定要求，测量位置应垂直于倒角圆延伸方向，实际测量中没有参考对象，难以找到最佳位置，因此很难保证测量的准确性。测量中存在的问题导致叶根倒角圆半径偏差对叶片气动性能和强度的影响无法准确判断。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要目的是提供一种叶片叶根倒角圆半径参数的测量方法，通过获取局部区域的三维坐标点，通过测量得到叶根区域的三维网格数据，构造初始截平面并进行空间旋转，截平面与三维网格数据相交构造拟合圆，利用三维点云数据进行迭代逼近拟合的方法计算半径，所述拟合圆半径最小位置为该测量点的倒角圆半径值，实现对叶片叶根倒角圆半径参数精密测量。本专利技术具有测量过程简便、工作效率高、测量精度高的优点。本专利技术适合于各类风扇、压气机和涡轮叶片、整体叶盘叶片的叶根倒角圆半径的测量。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的一种叶片叶根倒角圆半径参数的测量方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：根据被测叶片叶根结构特点导入叶片三维模型，建立叶片测量坐标系，通过测量得到叶根区域的三维网格数据，即测量得到完整的叶片叶根倒角圆区域三维坐标点云数据。
[0008]测量得到叶根区域的三维网格数据通过接触式测量设备或非接触测量设备。所述接触式测量设备优选三坐标测量机，所述非接触测量设备选用三维结构光扫描仪。
[0009]使用接触式测量方法时，使用三坐标测量软件曲线或曲面测量功能测量倒角圆全部区域，测量点间距不大于倒角圆半径的1/10。使用测头半径小于标称倒角圆半径的测针。
[0010]使用非接触式测量方法时，实际测量时测量范围一般大于叶根倒角圆区域，基于叶片三维模型选取保留叶根倒角圆区域范围内的实测点云数据，删除范围外的数据。
[0011]叶片三维模型的叶型、缘板和倒角圆特征通过不同的建模过程构造，在测量软件
中不同特征被识别为若干独立的参数化曲面，被识别为若干独立的参数化曲面通过目视进行区分。
[0012]叶片测量坐标系沿叶展方向为Z轴，沿进气边方向(前缘)指向排气边方向(后缘)为X轴或Y轴。
[0013]步骤二：基于Delaunay三角剖分方法，使用三角形将所有点进行相互连接，构造三维网格数据，建立拓扑关系。
[0014]步骤三：构造初始截平面，选取测量点P
M
，根据网格拓扑关系，将测量点P
M
、邻域点中Z值最大点P
Zmax
、邻域点中Z值最小点P
Zmin
共同构造初始截平面PLN
S0
。
[0015]测量点应在倒角圆区域沿Z轴方向的中间位置，且避开倒角圆半径突变的边缘位置。
[0016]邻域指测量点的一阶邻域，即在网格拓扑关系中与测量点通过直线连接的点。
[0017]步骤四：通过截平面PLN
S
与所有三角网格各边的相交关系构造交点点集PTS
C
，将点集PTS
C
按最小二乘法拟合圆，计算半径。
[0018]删除点集PTS
C
首尾点得到
[0019]PTS
C
＝[x y z][0020]其中x、y、z均为n
×
1的列向量。
[0021]点集PTS
C
所有点均在一个平面上，平面方程表述如下
[0022]Ax+By+Cz+D＝0
[0023]将平面方程进行变换之后得到
[0024][0025]使用最小二乘法计算平面的法矢
[0026][0027]通过转轴和转角来构造旋转矩阵，使得采样点所在平面平行于XOY平面。法矢n的第三项是法矢和Z轴的夹角余弦值，对应的夹角通过反三角函数算出
[0028]θ＝cos
‑1(C)
[0029]法矢叉乘Z轴得到所需的转轴
[0030][0031]构造旋转矩阵的公式如下
[0032][0033]对采样点进行旋转
[0034]Protate＝(R(ν,θ)
×
p
T
)
T
[0035]平面圆的公式为
[0036](x
‑
D)2+(y
‑
E)2＝F
[0037]展开并移项获得
[0038][0039]将Protate代入，再利用SVD法，即求得圆心
[0040][0041]圆半径
[0042]R＝mean(Protate(3))
[0043]步骤五：设置旋转步距和范围，过测量点P
M
对初始截平面PLN
S0
进行空间旋转得到截平面PLN
Si
，重复上述步骤四；
[0044]首先建立局部坐标系，以测量点为局部坐标系原点，各轴线方向与叶片测量坐标系一致；过测量点建立一平面PLN
T
，PLN
T
法矢量与测量点法矢量Nvm一致，与初始截平面PLN
S0
相交得到直线LIN0；以直线LIN0为旋转轴，将初始截平面PLN
S0
的法矢量与测量点法矢量Nvm转至垂直关系；再以测量点法矢量Nvm为旋转轴，旋转找到半径最小位置。平面旋转按以下方法计算：
[0045]在空间中，任意一个平面用：Ax+By+Cz+D＝0进行表示，其法向量为：n＝(A,B,C)。在三维中，通过旋转角θ和所围绕的单位向量方向来定义。
[0046][0047]夹角余弦为：
[0048][0049]根据旋转角和旋转矩阵对平面进行旋转。
[0050]以测量点法矢量为旋转轴旋转寻找到最小半径位置时，旋转范围不超过90
°
，旋转方向为沿半径减小的方向。
[0051]测量点法矢量Nvm为测量点所有一阶邻域三角面片单位法矢量N
fk
的加权平均，权值为各三角面片面积，设权重影响因子为x
k
，且测量点邻域共有个m三角形，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种叶片叶根倒角圆半径参数的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：根据被测叶片叶根结构特点导入叶片三维模型，建立叶片测量坐标系，通过测量得到叶根区域的三维网格数据，即测量得到完整的叶片叶根倒角圆区域三维坐标点云数据；步骤二：基于Delaunay三角剖分方法，使用三角形将所有点进行相互连接，构造三维网格数据，建立拓扑关系；步骤三：构造初始截平面，选取测量点P
M
，根据网格拓扑关系，将测量点P
M
、邻域点中Z值最大点P
Zmax
、邻域点中Z值最小点P
Zmin
共同构造初始截平面PLN
S0
；步骤四：通过截平面PLN
S
与所有三角网格各边的相交关系构造交点点集PTS
C
，将点集PTS
C
按最小二乘法拟合圆，计算半径；步骤五：设置旋转步距和范围，过测量点P
M
对初始截平面PLN
S0
进行空间旋转得到截平面PLN
Si
，重复上述步骤四；步骤六：重复上述步骤五，遍历所有方向后，利用三维点云数据进行迭代逼近拟合的方法计算半径，确定半径最小位置，所述拟合圆半径最小位置为该测量点的倒角圆半径值，实现对叶片叶根倒角圆半径参数精密测量。2.如权利要求1所述的一种叶片叶根倒角圆半径参数的测量方法，其特征在于：步骤一中，使用接触式测量方法时，使用三坐标测量软件曲线或曲面测量功能测量倒角圆全部区域，测量点间距不大于倒角圆半径的1/10；使用测头半径小于标称倒角圆半径的测针；使用非接触式测量方法时，实际测量时测量范围大于叶根倒角圆区域，基于叶片三维模型选取保留叶根倒角圆区域范围内的实测点云数据，删除范围外的数据；叶片三维模型的叶型、缘板和倒角圆特征通过不同的建模过程构造，在测量软件中不同特征被识别为若干独立的参数化曲面，被识别为若干独立的参数化曲面通过目视进行区分；叶片测量坐标系沿叶展方向为Z轴，沿进气边方向指向排气边方向为X轴或Y轴。3.如权利要求1所述的一种叶片叶根倒角圆半径参数的测量方法，其特征在于：步骤三中，测量点应在倒角圆区域沿Z轴方向的中间位置，且避开倒角圆半径突变的边缘位置；邻域指测量点的一阶邻域，即在网格拓扑关系中与测量点通过直线连接的点。4.如权利要求1所述的一种叶片叶根倒角圆半径参数的测量方法，其特征在于：步骤四中，删除点集PTS
C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一璋，何小妹，张学仪，蔡项宇，王卓然，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：