一种叶片前后缘粗糙度评价方法与流程

1.本发明属于压气机及涡轮机叶片加工检测领域，涉及一种叶片前后缘粗糙度评价方法。


背景技术：

2.叶片表面质量参数在压气机及涡轮机性能众多影响因子中占据较大比重，其中表面粗糙度为叶片表面质量的关键特征参数。叶片前缘及后缘几何形状特殊，依据iso4287-2009等相关标准规范利用传统粗糙度评价方法无法评价叶片前后缘粗糙度参数，且在hb 5647-48中未明确指出叶片粗糙度检测方式，目前尚未产生有效的评定叶片前后缘特殊形状的粗糙度测量及评价方法。其中，对于曲率过大的表面轮廓，接触式粗糙度测量设备无法对其进行测量评价，非接触式粗糙度测量设备可对曲率较大的表面轮廓进行测量，但尚无成熟的粗糙度评价方法。若发生叶片前后缘表面质量参数超差，且无明确的检测手段及准确的评价方法，则不能进行粗糙度合格判定及确定工艺及设计迭代方向；在叶片批量化生产中，常采用经验、目测等手段检测叶片前后缘粗糙度，缺少准确的叶片前后缘粗糙度评价方法。


技术实现要素：

3.本发明主要目的是提供一种叶片前后缘粗糙度评价方法，能够实现针对具有叶片复杂曲面特征工件型面的前后缘位置进行表面粗糙度评定，优化叶片，改进叶片试制及加工工艺。本发明具有可靠性高、可操作性强，检测结果可信度高、测量误差小等特点。
4.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
5.本发明公开的一种叶片前后缘粗糙度评价方法，包括以下步骤：
6.步骤1：对采集得到的叶片型面测量点云ci(x
ci
，y
ci
，z
ci
)，进行数据分割得到叶片前后缘测量数据c
1i
(x
ci
，y
ci
，z
ci
)；
7.步骤2：利用旋转平移矩阵[r t]将叶片前缘及后缘测量数据c
1i
(x
ci
，y
ci
，z
ci
)转换到某一空间坐标平面中，得到对齐后的点云数据记为，di(x
di
，y
di
，1)；简化为di(x
di
，y
di
)；
[0008]
步骤3：步骤2中得到数据集di(x
di
，y
di
)，对叶片前后缘形状进行去除，得到数据集pdi(x
ei
，y
ei
)；
[0009]
步骤4：对数据集pdi(x
ei
，y
ei
)进行数据信号增强，得到增强后的数据集rdi(x
ri
，y
ri
)；
[0010]
步骤5：依据粗糙度标准规范针对数据集rdi(x
ri
，y
ri
)展开粗糙度参数评定，得到叶片前后缘粗糙度参数，即实现叶片复杂曲面特征工件型面的前后缘位置表面粗糙度评定。所述参数包括轮廓的算数平均偏差ra、轮廓最大高度rz和轮廓单元的平均宽度rsm。
[0011]
进一步地，所述叶片前后缘几何形状近似为a》2b的半椭圆形状。
[0012]
进一步地，步骤1所述数据分割方法为，连接叶片型面最长弦，截取最长弦两端各4％作为叶片前后缘部分。
[0013]
进一步地，所述步骤2所述利用旋转平移矩阵[r t]对齐的方法为：令c1中z向法向量kc＝1。即
[0014]
d[x
di
，y
di
，1，1]
t
＝[r t]
·
c1(x
ci
，y
ci
，z
ci
，1)
t
[0015][0016]
其中r为旋转矩阵，t为平移矩阵，θ为旋转角度。
[0017]
进一步地，所述步骤3中利用叶片前后缘理论值拟合b样条曲线f(x，y)。具体实现方法如下，
[0018]
针对前后缘离散点数据di(x
di
，y
di
)，计算各点弦长，添加控制点v0，v1，v2，...，vn，进行n次b样条插值，其中，令n＝3，则有：
[0019]
xi＝(1/6)[t
3vi+2
(x)+(-3t3+3t2+3t+1)v
i+1
(x)+(3t
3-6t2+4)vi(x)+(-t3+3t
2-3t+1)v
i-1
(x)
[0020]
yi＝(1/6)[t
3vi+2
(y)+(-3t3+3t2+3t+1)v
i+1
(y)+(3t
3-6t2+4)vi(y)+(-t3+3t
2-3t+1)v
i-1
(y)
[0021]
其中vi(x)，vi(y)为点的xi，yi坐标，t为弧长参数。
[0022]
进而求解相对于拟合曲线的偏差，其中，进而求解相对于拟合曲线的偏差pdi(x
ei
，y
ei
)＝di(x
di
，y
di
)-f(x，y)，得到xx
ei
为固定采样步长(0.5μm或0.25μm)，y
di
为误差值。因此离散数据集pdi(x
ei
，y
ei
)可简写为d(n)；
[0023]
进一步地，所述步骤4中，设计转换函数与离散数据集d(n)；进行卷积操作，得到增强后的数据集rd(n)。
[0024][0025]
进一步地，所述步骤5中，利用rsm与粗糙度评定长度的关系，选择λc轮廓滤波器与λs轮廓滤波器，以λc滤波得到的表面轮廓为粗糙度评定中线。
[0026]
有益效果：
[0027]
1、本发明公开一种叶片前后缘粗糙度评价方法，针对由三坐标精密测量机得到的叶片型面点云数据进行数据分割，对齐，将叶片前后缘三维点云数据集乘以旋转平移矩阵转化为二维点云数据集，其次剔除叶片型面轮廓得到叶片前后缘测量数据，并对该数据特征集进行信号增强处理，最后进行叶片前后缘粗糙度算法评价分析，计算得到ra、rz、rsm等粗糙度参数。进而实现对特殊复杂曲面工件的表面粗糙度参数评价。
[0028]
2、本发明公开一种叶片前后缘粗糙度评价方法，目前对于曲率过大的表面轮廓，接触式粗糙度测量设备无法对其进行测量评价，非接触式粗糙度测量设备可对曲率较大的表面轮廓进行测量，但尚无成熟的粗糙度评价方法。若发生叶片前后缘表面质量参数超差，且无明确的检测手段及准确的评价方法，本发明可实现叶片特殊型面粗糙度评价，填补叶片特殊几何特征型面前后缘位置表面粗糙度评价方法空白。
[0029]
3、本发明公开一种叶片前后缘粗糙度评价方法，针对目前在叶片批量化生产中，
常采用经验、目测等手段检测叶片前后缘粗糙度，缺少准确的叶片前后缘粗糙度评价方法，本发明提供了一种可靠性高、可操作性强，检测结果可信度高、测量误差小的粗糙度评价方法，进而可指导、优化、完善叶片设计、促进叶片试制及加工工艺的迭代更新。
附图说明
[0030]
图1：一种叶片前后缘粗糙度评价方法流程图；
[0031]
图2：叶片前后缘位置示意图；
[0032]
图3：叶片实测点云数据。
具体实施方式：
[0033]
下面结合附图对本发明的技术方案作以说明。
[0034]
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0035]
叶片型面测量点云ci(x
ci
，y
ci
，z
ci
)由三坐标测量机采集得到，如图1所示，本实施例公开的一种叶片前后缘粗糙度评价方法，具体实现步骤如下：
[0036]
步骤1：对采集得到的叶片型面测量点云ci(x
ci
，y
ci
，z
ci
)，进行数据分割得到叶片前缘及后缘测量数据c
1i
(x
ci
，y
ci
，z
ci
)；
[0037]
其中，连接叶片型面最长弦，截取最长弦两端各4％作为叶片前后缘部分，完成数据分割。
[0038]
步骤2：利用旋转平移矩阵[r t]将叶片前后缘测量数据c
1i
(x
ci
，y
ci
，z
ci
)转换到某一空间坐标平面中，得到对齐后的点云数据记为，di(x
di
，y
di
，1)；可简化为di(x
di
，y
di
)，其中
[0039]
利用旋转平移矩阵[r t]对齐的方法为：令c1中z向法向量kc＝1。即
[0040]
d[x
di
,y
di
,1,1]
t
＝[r t]
·
c1(x
ci
,y
ci
,z
ci
,1)
t
[0041][0042]
其中r为旋转矩阵，t为平移矩阵，θ为旋转角度。
[0043]
步骤3：考虑叶片前后缘几何形状特殊(曲率较大)，该表面轮廓对粗糙度评价结果准确性具有较大影响，利用数据集di(x
di
，y
di
)无法直接进行粗糙度参数评定，因此对叶片前后缘形状进行去除，得到数据集pdi(x
ei
，y
ei
)；具体实现方法如下：
[0044]
利用叶片前后缘理论值拟合b样条曲线f(x，y)，针对前后缘离散点数据di(x
di
，y
di
)，计算各点弦长，添加控制点v0，v1，v2，...，vn，进行n次b样条插值，其中，令n＝3，则有：
[0045]
xi＝(1/6)[t
3vi+2
(x)+(-3t3+3t2+3t+1)v
i+1
(x)+(3t
3-6t2+4)vi(x)+(-t3+3t
2-3t+1)v
i-1
(x)
[0046]
yi＝(1/6)[t
3vi+2
(y)+(-3t3+3t2+3t+1)v
i+1
(y)+(3t
3-6t2+4)vi(y)+(-t3+3t
2-3t+1)v
i-1
(y)
[0047]
其中vi(x)，vi(y)为点的xi，yi坐标，t为弧长参数。
[0048]
进而求解相对于拟合曲线的偏差，其中，进而求解相对于拟合曲线的偏差pdi(x
ei
，yei
)＝di(x
di
，y
di
)-f(x，y)，得到xx
ei
为固定采样步长(0.5μm或0.25μm)，y
di
为误差值。因此离散数据集pdi(x
ei
，y
ei
)可简写为d(n)；
[0049]
步骤4：考虑在点云数据采集过程中测量方法的影响，实测点云数据在反映真实工件表面轮廓时存在失真，因此针对数据集pdi(x
ei
，y
ei
)进行数据信号增强，得到增强后的数据集rdi(x
ri
，y
ri
)；
[0050]
设计转换函数与离散数据集d(n)；进行卷积操作，得到增强后的数据集rd(n)。
[0051][0052]
步骤5：依据粗糙度标准规范针对数据集rdi(x
ri
，y
ri
)展开粗糙度参数评定。得到叶片前后缘粗糙度参数；所述参数包括ra(轮廓的算数平均偏差)、rz(轮廓最大高度)和rsm(轮廓单元的平均宽度)。
[0053]
依据相关粗糙度标准规范，利用rsm与粗糙度评定长度的关系，选择λc轮廓滤波器与λs轮廓滤波器，以λc滤波得到的表面轮廓为粗糙度评定中线。
[0054]
应用所述一种叶片前后缘粗糙度评价方法实现叶片复杂曲面特征工件特殊型面的前后缘位置的粗糙度评定，满足叶片特殊几何特征型面前后缘位置表面粗糙度检测技术要求，解决相关工程技术问题。
[0055]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种叶片前后缘粗糙度评价方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：对采集得到的叶片型面测量点云c
i
(x
ci
，y
ci
，z
ci
)，进行数据分割得到叶片前后缘测量数据c
1i
(x
ci
，y
ci
，z
ci
)；步骤2：利用旋转平移矩阵[r t]将叶片前缘及后缘测量数据c
1i
(x
ci
，y
ci
，z
ci
)转换到某一空间坐标平面中，得到对齐后的点云数据记为，d
i
(x
di
，y
di
，1)；简化为d
i
(x
di
，y
di
)；步骤3：步骤2中得到数据集d
i
(x
di
，y
di
)，对叶片前后缘形状进行去除，得到数据集pd
i
(x
ei
，y
ei
)；步骤4：对数据集pd
i
(x
ei
，y
ei
)进行数据信号增强，得到增强后的数据集rd
i
(x
ri
，y
ri
)；步骤5：依据粗糙度标准规范针对数据集rd
i
(x
ri
，y
ri
)展开粗糙度参数评定，得到叶片前后缘粗糙度参数，即实现叶片复杂曲面特征工件型面的前后缘位置表面粗糙度评定；所述参数包括轮廓的算数平均偏差ra、轮廓最大高度rz和轮廓单元的平均宽度rsm。2.如权利要求1所述叶片前后缘粗糙度评价方法，其特征在于：所述叶片前后缘几何形状近似为a>2b的半椭圆形状。3.如权利要求1所述叶片前后缘粗糙度评价方法，其特征在于：所述步骤1数据分割方法为：连接叶片型面最长弦，截取最长弦两端各4％作为叶片前后缘部分。4.如权利要求1所述叶片前后缘粗糙度评价方法，其特征在于：所述步骤2所述利用旋转平移矩阵[r t]对齐的方法为：令c1中z向法向量k
c
＝1；即d[x
di
,y
di
,1,1]
t
＝[r t]
·
c1(x
ci
,y
ci
,z
ci
,1)
t
其中r为旋转矩阵，t为平移矩阵，θ为旋转角度。5.如权利要求1所述叶片前后缘粗糙度评价方法，其特征在于：所述步骤3中利用叶片前后缘理论值拟合b样条曲线f(x，y)；具体实现方法如下，针对前后缘离散点数据d
i
(x
di
，y
di
)，计算各点弦长，添加控制点v0，v1，v2，...，v
n
，进行n次b样条插值，其中，令n＝3，则有：x
i
＝(1/6)[t
3vi+2
(x)+(-3t3+3t2+3t+1)v
i+1
(x)+(3t
3-6t2+4)v
i
(x)+(-t3+3t
2-3t+1)v
i-1
(x)y
i
＝(1/6)[t
3vi+2
(y)+(-3t3+3t2+3t+1)v
i+1
(y)+(3t
3-6t2+4)v
i
(y)+(-t3+3t
2-3t+1)v
i-1
(y)其中v
i
(x)，v
i
(y)为点的x
i
，y
i
坐标，t为弧长参数；进而求解相对于拟合曲线的偏差，其中，进而求解相对于拟合曲线的偏差pd
i
(x
ei
，y
ei
)＝d
i
(x
di
，y
di
)-f(x，y)，得到xx
ei
为固定采样步长(0.5μm或0.25μm)，y
di
为误差值；因此离散数据集pd
i
(x
ei
，y
ei
)简写为d(n)。6.如权利要求1所述叶片前后缘粗糙度评价方法，其特征在于：所述步骤4中，设计转换函数与离散数据集d(n)；进行卷积操作，得到增强后的数据集rd(n)；
7.如权利要求1所述叶片前后缘粗糙度评价方法，其特征在于：所述步骤5中，利用rsm与粗糙度评定长度的关系，选择λ
c
轮廓滤波器与λ
s
轮廓滤波器，以λ
c
滤波得到的表面轮廓为粗糙度评定中线。

技术总结
本发明公开的一种叶片前后缘粗糙度评价方法，属于压气机及涡轮机叶片加工检测领域。本发明实现方法为：针对由三坐标精密测量机得到的叶片型面点云数据进行数据分割、对齐，将叶片前后缘三维点云数据集乘以旋转平移矩阵转化为二维点云数据集；剔除叶片型面轮廓得到叶片前后缘测量数据，并对该数据特征进行信号增强处理；进行叶片前后缘粗糙度算法评价分析，计算得到Ra、Rz、Rsm等粗糙度参数。所述叶片前后缘几何形状近似为a>2b的半椭圆形状。本发明能够实现针对具有叶片复杂曲面特征工件型面的前后缘位置进行表面粗糙度评定，优化叶片，改进叶片试制及加工工艺。本发明具有可靠性高、可操作性强，检测结果可信度高、测量误差小等特点。小等特点。小等特点。


技术研发人员：马鹏谋 张学仪 何小妹
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/9/20