（机械设计及理论专业论文）基于ug叶片型面测量分析技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着电力工业的飞速发展，汽轮机、水轮机、燃气轮机等电力设备的需求不断增长，质 量要求日益严格。叶片作为上述设备中的关键零件，叶片型面的形状误差对二次流损耗有较 大的影响，这正是叶片型面的测量一直受到人们关注的原因。叶片其叶型的复杂造型，描述 的参数众多，从叶顶到叶根每个截面的型线都不相同，所以其型面测量也比较困难。 就叶片型面的测量方法而言，目前接触式测量在实际中使用较为普遍，但非接触测量以其 自身的优势已成为一个重要的发展方向。在三坐标测量机的测量中，由于叶片的测量基准与 设计基准不一致，测量坐标系统与设计坐标系统之间必须经过转换，即叶片的测量模型和c a d 模型的基准必须一致，才能够比较测量数据，因此叶片的定位校准必不可少。鉴于手工找正 费时费力，本文在研究叶片的叶根结构和参考同类研究成果的基础上发现：针对一些具有特 殊叶根结构的叶片，采用遗传算法进行初步优化，获得接近于全局最优的位置，然后使用最 小二乘法进行匹配，最终可以快速地实现叶片型面的对齐，而且对齐的精度较高，这种采用 遗传算法和最小二乘法相结合的方法比单纯使用最小二乘法的在对齐中寻优中有着更好的效 果。 针对目前在叶片生产企业中检测叶片加工质量时仅仅分析叶片型线误差这样单一指标， 本文在叶片型面加工质量的评估中做了改进，提出了新的叶片型面质量评估指标：倾斜度误 差、弯曲度误差和扭曲度误差，并对这些指标做了定义，这样可以更充分地利用测量数据， 得到更全面的叶片型面加工质量分析评估结果，利用本文开发的基于u g 的叶片型面质量评估 系统，可有效提高叶片型面检测效率。 本文详细介绍了基于u g 的叶片型面质量检测、评估的原理及其软件的开发过程，并对开 发出的软件进行了实例验证，主要包括以下内容：( 1 ) 在u g 中利用遗传算法和最小二乘法对 测量模型与c a d 模型对齐( 校正基准) ；( 2 ) 对叶片型面加工质量的评估中做了改进，提出了 新的叶片型面质量评估指标，除了型线误差外，还有扭曲度分析、倾斜度分析、弯曲度分析， 并再u g 环境下得到实现；( 3 ) 使用v c + + 6 o 、u g o p e na p i 以及u i s t y l e r 联合开发，完成了 叶片质量评估软件的界面设计。 关键词：叶片型面u g 遗传算法对齐评估二次开发 q a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，e l e c t r i c i t yi n d u s t r y i sd e v e l o p i n gr a p i d l y ，t h ed e m a n do fd y n a i i l o e q u j p m e n t s ，s u c ha ss t e a mt u r b i n e ，w a t e rt u r b i n e ，g a st u r b i n ea n ds oo n ，i si n c r e a s i 力g d a ya f t e rd a y ， s oi t i si m p o r t a n tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fd y n a m oe q u i p m e n t s a s t h ek e yp a r to ft h o s ee q u i p m e n t s ，s h a p ee r r o ro fb l a d e ss u r f a c eh a sag r e a ti n f l u e n c e o nt h ef l o wc u r r e n tl o s t ，i t i st h er e a s o nt h a tw ep u tm u c he m p h a s i so ni t b l a d e i sak i n do ff r e ef o r ms u r f a c ew i t hm a n yp a r a e t e r sa n dc o m p o u n dc o n f i g u r a t i o n t h e s u r f a c ec o n t o u r sd i f f e rf r o mb o t t o mt ot o pa te a c hs e c t i o n a tp r e s e n t ，c o n t a c tm e a s u r e m e n ti sw i d e l yu s e d ， b u tn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n ti s d e v e l o p i n gr a p i d l y d u r i n gt h em e a s u r e m e n to fb l a d eb yc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ， t h eb e n c h m a r ko fd e s i g na n dm e a s u r i n gi sn o tt h es a m e ， s oi t i sn e c e s s a r yt ot r a n s f e r t h em e a s u r i n gm o d e lt ot h ec a dm o d e lf o rc o m p a r i s o n g i v e nt r a n s f o r m a t i o nb yh a n d c o n s u m i n gm u c ht i m ea n de n e r g y ，a f t e rr e s e a r c ho ns o m eb l a d ew i t hs p e c i a lf e a t u r e s ， t h i st h e s i sc o m e st oc o n c l u s i o n ：f i r s t l ya d o p t i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h e l o c a t i o no fb l a d e ，t h e nm a t c h i n gt w os u r f a c e sw i t hl e a s ts q u a r ea l g o r i t h m ，a tt h i s c o n d i t i o nw ec a ng e th i g hp r e c i s i o no fr e g i s t r a t i o nc o m p a r i n gt ou s i n g1 e a s ts q u a r e a l g o r i t h mo n l y i ti sn o te n o u g ho n l yc o n c e r n e dw i t hs u r f a c ec o n t o u re r r o rw h e nc h e c k i n gt h e q u a 】i t yo fb l a d e ss u r f a c e m a k i n gf u l lu s eo ft h em e a s u r e dd a t af o r mt h ec m m ， m o r e b l a d e ss u r f a c ea u a l i t vi n d e x e sa r er a i s e d t h i sb l a d ec h e c k i n gs y s t e mp a v e st h ew a y f o ri m p r o v i n ge f f i c i e n c yo fm e a s u r i n ga n dm a c h i n i n gp r e c i s i o no ft h eb l a d e t h i sp a d e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fb l a d ec h e c k i n gs y s t e mb a s e do nu ga s w e l la sp r e s e n t sa p p l i c a t i o ne x a m p l e si nd e t a il i tm a i n l yi n c l u d e st h ef 0 1 1 0 w i n g a s p e c t s ： t h ef i r s ti st h er e g i s t r a t i o no fb l a d ew i t hg e n e t i ca l g o r i t h ma n dl e a s t s q u a r ea l g o r i t h m ； t h es e c o n di st h ei m p r o v e m e n to fb l a d eq u a l i t ye v a l u a t i o ni n d i c e s ， r a i s i n gn e wi n d i c e s ：l e a ne r r o r ， b o we r r o r ，t w i s te r r o r ；t h el a s ti st h ei n t e r f a c e d e s i g nb a s e do nv c + + 6 o ， u g 0 p e na p ia n du i s t y l e r k e y w o r d s ： b 1 a d e ss u r f a c e ，u g ， g e n e t i ca l g o r it h m ， r e g i s t r a t i o n ， e v a l u a t i o n f u r t h e rd e v e l o p m e n t i v l ， 独创性声明 v9 6 8 2 5 0 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：盟逸整日期：2 州绰 月工；日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：卫9 趣羝导师签名：骜丛叠 日期：w 年弓月哆同 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 电力为工业之母。进入2 1 世纪，使用可再生能源( 特别是太阳能和风能) 发电是未来电 力发展的主要方向，但可再生能源受环境影响大，利用难度也较大。核聚变能可为人类提供 取之不尽的清洁能源，但核能发电技术要到本世纪中叶才能进入商业化，因此煤、石油、天 然气等矿物能源在本世纪仍会占主导地位，不断提高发电设备的制造技术对国民经济的发展 有着非常重要的意义。叶片是汽轮机、水轮机、燃气轮机等发电设备中的关键零件，其承担 着将蒸汽的热能转化为机械能的重要任务，汽轮机运行中，叶片不仅要承受离心拉应力、蒸汽 弯曲应力及叶片振动所产生的动应力，某些级的叶片还要受到蠕变损伤、固体颗粒磨蚀或湿蒸 汽腐蚀等侵害，其工作条件非常复杂，叶片事故时有发生。统计资料表明，叶片事故约占汽轮机 n 1 事故率的1 3 “。，叶片事故不但降低了整个汽轮发电机组的可用率，还造成巨大的直接和间接 经济损失。叶片的质量是整台汽轮机质量的保证，叶片的形状误差对二次流有损耗有较大的 影响，直接影响着汽轮机的能量转化效率，这正是叶片型线的测量一直受到人们关注的原因。 叶片由于其叶型的复杂造型，描述的参数众多，从叶顶到叶根每个截面的型线都不相同，而 且差别较大、叶型的测量相对于那些用一、二个参数即可描述的普通零件，如圆柱、圆锥等 工件的形状测量要复杂得多，所以叶片型面测量是叶片测量中的难点。传统的办法是根据图 纸制造立体样板，检查型线，精度比较低，检查结果无法科学指导生产加工。水轮机、汽轮机、 燃气轮机制造业发展要求叶片加工测量数字化，精度越来越高，要求检测手段能够精确给出叶 片表面各点与设计理论叶片的误差，数字化测量是行业的发展方向。本文探讨的叶片测量主 要针对型面的测量及其测量数据分析处理。 1 2 叶片型面测量分析技术的研究现状与发展趋势 1 2 1 研究现状 随着航天、航空、造船、汽车和模具工业的飞速发展，对产品性能、外形等方面的要求越 来越高，使得自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛的应用，而对该类零件的精度检验 和反求都离不开对自由曲面的测量，所以对自由曲面测量中的一些关键问题进行研究有着重 r 1 要意义“。本世纪初，国内多数叶片加工企业还处于技术转型期，即从传统的加工工艺到五 轴联动数控加工过渡，从手工抛磨到数控砂带磨削过渡。叶片加工工艺在向着高效率、高精 度的方向发展。 以无锡叶片厂为例，该厂1 9 8 1 年起引进美国西屋电气公司电站叶片制造工艺和技术装 备，经过二十多年的努力，通过对引进技术的优化和设备基建的改造，扩大了生产规模，提 江南大学硕士学位论文 高了产品的市场占有率，大叶片国内市场已覆盖8 0 以上，l o 万千瓦以上机组后二级大叶片 已1 ( ) o 覆盖。进入2 1 世纪，该厂先后引进了四轴、五轴联动叶片加工中心以及大型龙门式 三坐标测量机，自2 0 0 4 年下半年开始，上述设备已经全部投入使用，产生了良好的经济效益。 目前该厂列叶片加工型面采用c m m 测量，在测量数据的处理上仍为手工找正分析，测量效率 较低。铣削加工后的叶片型面采用手工抛磨，劳动条件恶劣。因此提高叶片测量效率和数据 处理自动化程度，合理地评估叶片的加工指标是该厂的迫切需要。 1 现有加工检测工艺 叶片特殊的表面形状决定了其复杂的加工工艺。自上世纪九十年代末至今国内的叶片加 工企业大都处于技术转型期，从传统的仿型加工或普通的车铣加工到三轴、四轴数控铣削， 再到当前最为先进的五轴联动数控加工，其间经历了不到十年时间。受叶片形状、大小、表 面质量要求以及设备条件等因素的制约，大多数企业还是处于上述几种加工工艺共存的状态， 图l 一1 叶片现有加工测量流程图 第一章绪论 所以对于叶片从坯料到成品基本上要经历下面一系列工艺过程：锻造毛坯、磨削叶根、铣削 叶身、型面抛光、检验入库。叶片加工流程如图卜l 所示。 毛坯的锻造大多数依据各自厂家的加工能力留足加工余量，余量的大小还需视具体的叶 片形状和大小而定，最基本的原则是满足形状要求的情况下余量尽量小。锻造出的毛坯需要 浇注方箱，目的是使后续加工的装夹方便。 叶根是整个叶身的加工基准，因此叶根的加工精度要求很高。常见的加工方法是先在普 通的铣床上粗铣叶根，然后在叶根专用强力磨床上精磨以保证精度要求，最后还要在三坐标 测量机上检验叶根形状是否符合图纸要求。 叶身的加工根据厂家各自的加工条件有很多种工艺可供选择，比如采用仿型加工、普通 车铣加工、三轴或四轴数控机床，但是效率和精度最高的还是五轴联动数控加工技术。对图 纸给定的叶片形状，在高级三维软件里生成c a d 模型，并使用c a m 模块仿真加工得出刀位位 置文件，对刀位文件进行后置处理可直接生成加工中心所需的n c 程序。 为满足粗糙度要求，经数控铣削加工后的叶身必须进行表面抛光处理。国内常见的叶片 抛光方法大多还是采用砂轮或者砂带手工打磨，使用样板作为测量工具，工人的劳动环境比 较恶劣，而且劳动强度高，效率低。 最后还要检验型面的粗糙度是否满足要求，在切削力的作用下型面是否产生了扭曲等等， 并对叶片型面作适当的光洁处理。 2 现有检测工艺中的瓶颈问题 现有叶片检测工艺存在一些弊端，综合起来主要有下列几点： 型面测量方面 叶片型面测量缺乏高效便捷的测量手段和数据处理方法。样板测量方便但无法得到量化 的测量数据；c 删精度高，但效率低，且不适合现场测量，型面检验只能获得测点处的误差， 对于整个叶片型面，测量数据还是不算非常充分。随着激光测量仪的测量精度的提高，激光 仪也将成为一个重要的发展方向。 测量数据处理方面 叶片的型面的测量数据可以通过三坐标测量机来获得，目前通常的处理方法就是针对这 些数据，直接比较型面误差，这样没能够充分运用测量数据，分析的评估指标单一。目前分 析叶片型面误差还有一个较大困难，那就是叶片型面设计基准和测量基准不统一，这给下面 误差分析带来了麻烦，想要分析叶片型面，需要事先进行基准校正( 对齐) ，现在关于基准校 正主要还采用手工找正，这样费时费力，通过运行特定程序，利用计算机来自动对齐乃是今 后发展方向。 测量数据后处理及其评估结果的应用方面 目前有三种抛磨方式：手工抛磨，劳动强度大，但灵活有效，国内外许多厂家都在用； 自动抛磨，采用多轴数控砂带磨床或叶片抛磨机器人，设备成本高，操作复杂；免抛磨，采 用多轴加工中心精铣叶片型面，加工中心的加工效率降低。后两种应为叶片加工的发展方向。 对于型面要求较高的叶片，抛磨加工是必要的。对于后两种，c a d c a m 十分重要。为确保加 工的f 确安全，测量数据评估分析必不可少。目前再根据测量数据处理和评估结果来生成数 3 江南大学硕士学位论文 控砂带磨床加工参数这个方面仍是空白，主要原因是叶片型面的评估指标相对比较难获得， 许多指标需要进行处理和补偿，而且磨削加工运动关系复杂，编程量大，程序的可移植性差， 且很难做到通用。 1 2 2 发展趋势 1 改进的加工测量工艺 目前的叶片加工工艺基本上遵循图卜1 所示的流程，但随着多轴数控砂带磨削技术以及 测量技术的发展，在某些环节上可以采用比较先进的加工工艺或设备。在毛坯锻造方面，国 外的精锻技术可使锻造出来的毛坯直接进行抛磨处理，而省略了中间叶身型面的铣削加工， 降低了生产成本。如图卜2 中所示，在抛磨设备上，采用数控砂带磨床或者半自动砂带磨床 代替手工抛磨，工人的劳动环境和强度都有相当大的改善，当然抛光的效率和质量也相应得 到提高：测量工具上使用了精度较高的三坐标测量机( c 删) ，原有的加工工艺也使用c 删， 但主要是用来抽检，改进后的加工流程中c 埘为主要的且是唯一的测量工具。 图卜2 改进的叶片测量加工一体化流程图 2 测量中的关键技术研究 第一章绪论 根据叶片的cad 模型是否已知，可将叶片型面的测量分为cad 模型已知的测量和c a d 模型未知的测量。这两种测量的目的不同，测量的策略也有所不同前者主要是为了检验 和保证产品的精度要求，而后者主要是根据测量所获得的零件表面的测点数据来实现曲面重 建以便利用cad cam 技术进行模型修改、零件设计、数控加工指令的生成及误差分析等 处理，即逆向工程。本文就针对前面这类测量中的一些关键问题结合当前国内外的研究现状作 以下分析。 测点的自适应分布 对叶片型面进行测量时，采用等间距测量是最简单易行的测量方法，但为了保证测量准确 度就必须缩小测量间距，这使得测量效率显著降低并增加了后续的误差评定等工作的难度。一 种理想的方法就是使测点分布的疏密随曲面曲率变化而变化，曲率越大，测点应越密：反之测 越疏，从而较好地反映待测蓝面的几何形状信息，实现测点的自适应分布。 测量路径的优化 随着产品性能的日益提高，组成产品的零件的形状也日趋复杂，往往包含有凸台、深孔等 测量障碍区，测量中可能发生测头与待测零件发生碰撞或增加测量过程中的探测时间等问题。 如何进行测量路径的优化，使得测量头能够以尽可能短的路径安全而又高效地遍历待测曲面 的检测区域是叶片型面测量中的又一关键问题，该问题同人工智能领域中的旅行商问题类似。 传统的测量路径采用类似于曲面加工中的行切法和环切法的行扫描测量方式和环形扫描测量 方式。当存在测量障碍区时，这两种测量方式需要从测量障碍区上经过，所以空行程多。 3 测量数据后处理关键技术研究 叶片型面形状误差的评定 对于cad 模型已知的叶片型面形状误差的评估，由于叶片设计基准和测量基准不统一， 没有办法可以直接进行误差评定。目前主要问题是采取什么方法能有效地排除系统定位误差 的影响，保证获得自由曲面形状误差评定的可靠结果。该问题需要求解两个主要问题，一是求 坐标变换矩阵t ，使测量坐标系与曲面的设计坐标系保持一致。其中包括求解测点pij 分别 沿x 、y 、z 坐标的平移距离dx 、dy 、dz 和绕x 、y 、z 的旋转角度o 、b 、y 六个 未知变量：二是求pijt 在理论曲面上的投影。这两个问题均系非线性问题，必须通过迭代 方法求解，对每一个要测量的不同的自由曲面轮廓都要基于其cad 模型编制专门的计算 程序，该计算程序通常包括对非线性方程的数值计算和曲面上某点处一阶偏导数的计算，对其 r 口1 他不同c ad 模型的自由曲面并不通用“。 叶片型面型面加工质量的评定及其一体化 提出尽量合理和全面叶片型面加工质量评估指标，有效充分的利用测量数据。不仅仅分 析叶片型面形状误差，还需要根据叶片设计要求，叶片运行动态特性，对叶片型面加工进行 比较全面的评估。型面测量在叶片加工中是非常重要的环节，几乎贯穿了叶片加工的整个工 艺过程。目前，企业中加工与测量都是单独进行的，也就是我们所说的开环加工，而且测量 也大多是抽样检测。若把测量得到的型面误差，用来指导加工，进行误差补偿，可以形成一 种数据上的闭环加工，我们称之为加工测量一体化系统( 如图卜3 ) 。根据叶片型面加工质量 、- 江南大学硕士学位论文 评估报告，来设定叶片磨削加工的工艺参数，为整个叶片加工检测一体化中后道工序一叶片 数控砂带磨削加工研究奠定了基础，具有重要的现实意义。 1 3 1 研究内容 图卜3 叶片型面加工测量一体化硬件系统图 1 。3 本文的主要研究内容 本文结合国内外对自由曲面测量的方法和测量中的关键问题的研究进展作了分析研究， 就叶片型面的测量方法而言，虽然目前接触式测量在实际中使用较为普遍，非接触测量以其自 身的优势已成为一个重要的发展方向。对cad 模型已知的叶片型面测量方法相对比较固定， 其主要问题是寻找更为有效、可靠、迅捷的测量与评定方法：对cad 模型未知的叶片型面测 量，虽然在测量规划上已有一些可行的方法，但真正实现高效、安全而又可靠的测量，还有很多 问题亟待解决，比如：如何根据已测点的信息来有效地预测测头下一步的运动，解决测头对被 测曲面的运动跟随问题? 如何使测点分布的疏密与曲面的弯曲程度保持一致，并使测点数据便 于后续的曲面重构或其它处理等等。根据叶片厂的实际需求和对叶片加工技术研究与发展状 况的调研，本文确定了以下研究内容： 1 叶片型面加工质量评估的前序一叶片对齐 该厂现在主要还是依靠手工找正，但是效率太低了，每个叶片需要很长的找正时间，而 且工作人员劳动强度大，通过定的算法实现计算机找正基准，代替手工找正，提高叶片测 量的效率； 2 叶片型面的型线误差求取及分析 对测量数据进行处理，计算出型面误差，为误差的补偿加工打下了基础；同时对型面误差进 行分析，得到具体的误差指标，为工人的抛磨加工提供依据。不是仅仅提供叶片型面误差值， 且对误差值进行分析，主要是截面线数、单条截面线的点数、截面线之间的间隔、最大最小 6 第一章绪论 值、误差总值、算术平均值。 3 叶片型面加工质量的评估 叶片的质量指标不仅仅是叶片型面上的型线的误差，还有扭曲度、弯曲度、倾斜度等， 这些指标都是与整个汽轮机的的效率有很大的关系。目前的叶片加工工艺是一种开环系统， 本文将为研究叶片型面变压力磨削加工的打下坚实的基础，以测量结果指导自动抛磨加工， 为探讨叶片的测量与加工一体化的问题做了准备，为叶片的抛磨加工提供新的思路。 1 3 2 本文完成的研究工作 根据上述研究内容，本论文完成了以下四部分工作： 综合分析目前国内叶片型面检测的现状及其检测方法，并分析了各自优缺点。根据测 量得到的数据，并在第二章提出了相应的数据处理方法。 为了分析比较叶片型面加工质量，前提条件是叶片的设计坐标系要与测量坐标系重合， 本文应用遗传算法与最小二乘法结合来实现叶片对齐，为下面求解型面误差及其他评估 指标提供了基础。 对叶片型面测量误差计算与分析方法进行了研究，提出了计算方法，并在u g 环境下 开发了相应的误差分析处理模块。根据坐标测量机测得的型面数据进行曲面造型，自动 实现测量模型与c a d 模型对齐，完成型面误差计算并输出误差报告。 在u g 环境下开发叶片型面加工质量的评估，目前国内还很少有开发这个评估模块的， 这也是本文的创新之处。评估指标含有叶片的扭曲度、叶片弯曲度、叶片的倾斜度。 江南大学硕士学位论文 第二章叶片型面的测量及数据处理 2 1 叶片型面的测量方法 y 一 叶项型线 弓t 、 圹 一 m ，叶根型线 f 图21 典型的叶片型线 关于叶片型线的测量，尽管 目前已有不少测量方法，每种测 量方法都有各自的特点。但也都 存在着各自难以克服的缺陷。而 且生产实践对叶片测量仪器又 提出了不少新的要求。叶片三维 型面的评定是通过测量沿叶片 轴线方向等间距分布的若干截 面的型线来实现的。图2 一l 为叶 片典型的叶顶和叶根型线。目 前，国内外主要采用以下几种方 法测量叶片的叶型误差： 1 样板测量法 目前国内外叶片生产现场主要采用的样板测量方法。标准样板是根据叶片的 理论型线设计制造的与叶型线截面对应的母模量具。所谓标准样板法，是将标准 样模与实际叶片零件对应截面靠近，借助于照明灯光，根据样模与零件之间的透 光量的大小，估计对应型线误差值大小。这种测量方法的特点是操作简单、使用 方便，而且是全型线测量，这也正是这种测量方法被普遍使用和接受的原因。 不仅在国内使用，国外较先进的叶片生产单位也大量 使用，如美国的w e s t i n g h o u s e 公司德国的s i e m e n s 公 司奥地利的v e w 公司，日本的日特金属工业株式会社 等，也仍使用这种方法作为叶型测量的方法之一。但由 于标样准模法是一种定性测量方法，它只能凭经验定性 检测零件合格与否。无法给出实际误差的大小，更精确地 测量则需要借助于塞尺，如锥尺、标准线径的细铜丝 等。进行测量。而且由于叶片的每一截面的型线都不完 全相同。 图2 2 样板测量法示意图 因此对于同一叶片需要测量多少个截面就需要多少付对应的专用测量模板。 8 第二章叶片型面的测量及数据处理 所以，这种测量方法的使用并不十分方便。但如果只考虑快速测量和定性判别， 这种测量方法还是有很多优点。 2 三坐标测量机测量法 三坐标测量机是一种高精度的通用测量设备。自上世纪五十年代诞生第一台 坐标测量机以来，经过几十年的发展，坐标测量技术已日趋成熟，测量精度得到 极大提高，测量软件功能更加强大，操作界面也日益完善。三坐标机的出现，对 复杂零件的各种几何量测量带来巨大的影响，很多种几何量包括叶型的测量都可 以用三坐标机实现。目前对标准叶型的测量和对未知设计参数的叶片的测绘一 般都采用三坐标机进行。由于三坐标机是一种通用的点测量设备，对曲线和曲面 的测量显得效率比较低。尽管目前很多三坐标机都配置了专门的曲线曲面连续扫 描测量软件但仍然没有从根本上解决问题测量l 片中等大小的5 0 5 叶片仍 需要以小时计的时间。更重要的是三坐标机对使用环境的要求也很苛刻，用于现 场大量叶片的测量，还有很多问题。但是对叶型测量三坐标机测量法还是一种比 较精确的测量方法，通常测量精度可达1 0 u m 。 目前对于叶片的测量目前还主要是采用三坐标测量机来测量的。使用三坐标 测量机( c m m ) 分截面测量叶片，精度高，结果可以文本或者 i g s 文件的方式 输出，方便处理。c m m 的工作台通常都是固定的大理石板，小叶片可直接竖立在 工作台上，一次装夹便可完成测量；大叶片( 1 m 左右) 由于型面扭曲致使重心 偏离轴心，无法竖直放置，一般是在工作台上再增加两个v 型块，叶片支在两v 型块上( 如图2 3 ) ，由于c m m 的探针旋转角度有限，必须经过两次定位才能完 成测量， 但是这样增加了系统 误差。c m m 缺点是比较笨 重，受环境影响明显，只适 合实验室使用，且效率低， 测量一片中等大小的5 0 5 叶片仍需要以小时计算时 间，目前多数还是用作抽样 检验。 图2 3 叶片c 删测量示意图 3 激光扫描仪测量法 目前叶片型面测量的趋势是选用激光线扫描仪来检测叶片。激光线扫描是一 种在曲面测量中比较成熟的光学测量方法，目前英国、美国和中国台湾省已有商 品化的产品。由于采用线光源，速度比基于点的测量方式要快，每秒可测几百至几 9 江南大学硕士学位论文 千点，采用插值计算的方法，每秒测量点数可达1 00 0 0 以上。激光线扫描的测量 精度取决于c c d 的分辨率，一般可达到几十到一百微米之间。作为光学测量方法， 物体表面的光学特性对测量结果影响较大，对漫反射特性不好的材料，表面需作 喷涂处理。此外，光学测量方法在物体的棱边、变化陡峭的斜面处测量误差较大， 对凹陷的表面可能存在测量盲区。对于外形比较复杂的物体，需分片测量，然后组 合。经过激光线扫描得到物体表面的离散点集，由离散点集重构物体表面的一般 分为去噪、生成点集边界、网格化、曲面生成、数据输出等步骤。这是激光线扫 描数据的一般处理流程。对于多片测量数据，还需要通过坐标变换进行组合。与 其他测量方法相比，光学测量方法在物体表面棱边处的测量误差较大，由于边缘 r 一7 1 数据的失真，造成棱边特征提取和边界生成的困难”。 图2 4 叶片型面的检测流程 为了能够实现快速地对叶片进行测量，比较误差，可以清楚知道叶片还有那 些地方没有符合要求，需要再加工，这就要求实现生产加工中的叶片与理想c a d 模型同一点的比较，然而由于基准不对齐，没有办法比较，所以首先是要使得叶 片的设计基准与测量的基准重合，然后比较各个点的误差，得到误差报告，反馈 给m e t a b o 六轴联动机床，控制加工参数( 转换为压力参数) ，构成一个闭环控制 系统，这样叶片的加工精度可以得到较大的提高( 上面图2 4 是激光扫描仪测量 法的检测流程) 。 l o 第二章叶片型面的测量及数据处理 2 2 数据处理 产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，一方面，无论是接触式的数控测 量机还是非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数据误差，尤其是尖锐边和 产品边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏 离原曲面。同时由于实物几何和测量手段的制约，在数据测量时，会存在部分盲 区和缺口，给后续的造型带来影响。另外，由于激光扫描的应用，曲面测量时会 产生海量的数据点，这样在造型之前应对数据进行精简。 2 2 1 异常点( 误差点) 处理 依据测量点的布置情况，测量数据可分为两类：截面测量数据和散乱点。 对于截面测量数据，常用的检查方法是蒋这些测量数据点显示在图形终端上，或 者生成曲线曲面，采用半交互半自动的方法对测量数据进行检查、调整。对于散 乱测量数据点，由于拓扑关系散乱，执行光顺处理十分困难，只能通过图形终端 人工交互检查、调整。 等截面数据扫描通常是根据被测量对象的几何形状，锁定一个坐标轴进行 数据扫描，这样得到的数据是一个二维数据点集，由于数据量大，测量时不可能 对一个点重复测量，这样容易产生测量误差，在曲面造型中，数据中的“跳点” 和“坏点”对曲线的光顺性影响较大。通常由于测量设备的标定参数发生改变和 测量环境突然变化造成，对人工手动测量，还会由于操作误差而使数据失真。因 此测量数据的预处理首先是从数据点集中找出可能存在的“跳点”。如果在统一 截面的数据扫描中，存在一个点与其相邻的点偏距较大，我们可以这样的点是“跳 点”，判断“跳点”的方法有： 1 直观检查法：通过图形终端，用肉眼直接将截面数据点集偏离较大的点 或存在于屏幕上的孤点剔除。这种方法适合于数据的初步检查，可以从数据点集 终筛选出一些偏差比较大的异常点。 2 曲线检查法：通过截面的数据的首末数据点，用最小二乘法拟合得到一 条拟合曲线，曲线的阶次可以根据曲面截面的形状设定，通常为3 4 阶，然后 分别计算中间数据点到样条曲线的距离，如果大于给定的误差，就认为是坏点， 应以剔除。 3 弦高差方法：连接检查点前后两点，计算需要判断的点到该弦的距离， 同样如果距离大于给定的允差，则认为该点是坏点，应以剔除。这种方法适合于 测量点均布且点较密集的场合，特别是在曲率变化较大的位置。 江南大学硕士学位论文 2 2 2 数据插补 由于实物拓扑结构以及测量机的限制，一方面在实物数字化时会存在一些探 头无法测到的区域，另外一种情况则是实物零件中经常存在经裁剪或“布尔减” 运算等生成的外形特征。如表面凹边、孔及槽使曲面出现缺口，这样在造型时就 会出现数据“空白”现象，这样的情况使逆向建模变得困难，一种可选的解决办 法是通过数据插补的方法来补齐“空白”处数据，最大限度获得实物剪裁前的信 息，这将有助于模型重建工作，并使恢复的模型更加准确。目前用于数据插补的 方法或技术主要有实物填充法、造型设计法、曲面插值补充法。 1 实物填充法 在测量之前，将凹边、孔及槽等区域用一种填充物填充好，要求填充表面尽 量平滑、与周围区域光滑连接。填充物要求有一定的可塑性，在常温下则要求有 一定的刚度性。实践中，可以采用生石膏、加水后将孔或槽的缺口补好，在短时 间内固化，等其表面较硬时就可以开始测量，测量完毕后，将填充物去除，再测 出孑l 或槽的边界，用来确定剪裁边界。 2 造型设计法 在实践中，如果实物的缺口区域难以用实物填充，可以在模型重建过程中运 用c a d 软件或逆向造型软件的曲面编辑功能，如果延伸( e x t e n d ) 、连接( c o n n e c t ) 和插入( i n s e r t ) 等功能，根据实物外形曲面的几何特征，设计出相应的曲面，再 经过剪裁，离散出须插补的曲面，得到测量点。 3 曲线、曲面插值补充法 曲线、曲面插值补充法主要用于插补区域面积不大，周围数据信息完善场合。 其中曲线插补主要适用于具体规则数据点或采用截面扫描测量的曲面，而曲面插 补既适用于规则数据点也适用于散乱点，曲面类型包括参数曲面、b 样条曲面和 三角曲面等。 曲线拟合插补 首先利用己得到的测量数据拟合得到截面曲线，根据曲面的几何形状，利用 曲线编辑功能，选择曲线切向延拓、抛物线延拓和弦向延拓等不同方式，将曲线 延拓通过需插补的区域，然后再离散曲线形成点列，补充到空白区域，对特征边 界处，数据不整齐的情况也采用此方法进行数据的整形处理。 曲面拟合插补 曲面拟合插补的方法和曲线相同，也是首先根据曲面特征，拟合出覆盖缺口 或空洞区域的一张曲面，再离散曲面形成点补充测量数据，如空白区域处于拟合 曲面之外，相应地，也是利用曲面编辑功能，将曲面延拓通过需插补的区域，进 行数据补充。 第二章叶片型面的测量及数据处理 无论是基于曲线还是曲面插补，两种情况下得到数据点都需要在生成曲面后 根据曲面的光顺和边界情况反复调整，以达到最佳插补效果。 2 2 3 测量面重构的关键技术 根据图纸给定的数据构造出的叶片三维实体称之为叶片的c a d 模型，由测量 数据构造出的叶片三维模型称之为叶片的测量模型，测量模型的构造思路基本上 和c a d 模型相同，但受硬件条件的限制，测量数据本身存在噪声点，所以构造测 量模型前须进行必要的数据处理。叶片测量过程中常见的数据问题有两种：一种 是坐标点的跳动；另外一种是曲面的曲率变化大的部位难以测出数据而造成的点 丢失。 1 点跳动 使用c m m 测量叶片是分截面进行的，在编程时通常设定叶片的轴向为移动方 向，假设轴向为z 轴，每个截面之间的间距为l o o 哪，这样测得的每个截面的所 有点坐标的z 分量应该是相同的。对图2 4 所示的叶片使用c m m 测量得到的某截 面部分数据见表2 一l 。表中数据的 点序x 坐标y 坐标 z 坐标 号 1 1 1 1 0 12 8 2 32 7 4 1 7 1 24 0 9 51 2 5 9 52 7 4 1 7 2 32 5 5 8 63 0 1 9 6 2 7 4 1 7 l 4 2 9 8 65 0 8 42 7 4 1 7 0 52 3 4 7 13 7 2 9 l2 7 4 1 7 3 62 0 1 4 91 6 1 8 5 2 7 4 1 7 1 图2 4 测量间距示意图 表2 1 截面坐标点 z 坐标并不完全相同，基本上是在2 7 4 1 7 上下跳动。而测量前设定该截面的z 坐标为2 7 4 1 7 ，这种测量误差主要是环境以及硬件的运动过程导致的，很难避 免，而且对测量模型的构造有很大的影响，因为坐标点z 分量不等则做出的截面 线也不是平面曲线，而是一种空间曲线。空间曲线是无法通过“t h r o u g hc u r v e s ” 命令做出实体来的，不过可以做出片体，在u g 软件中片体是一种没有厚度的实 体，片体对后续的加工与编辑没有影响。对于这种测量误差通常的处理方法有三 种： 江南大学硕士学位论文 计算平均值 同一截面上的坐标点z 向分量( 假设z 向为叶片的轴向) 相加取平均值( 公 式3 1 ) 。这是比较基本的数据处理方法，计算简单，编程量也小，处理后的截 面点z 向分量统一，为截面线的构造奠定了基础。缺点是每个截面上都要进行处 理，还要在u g 软件内移动所有的点，操作起来比较耗费时间。 了z 三：鱼二 n ( 2 1 ) 取c 删设定值 直接把测量前在c 删上的设定值作为z 向分量。无需计算且能得到统一的z 向分量，但需要把截面上所有的点移动到目标点，这种方法能够得到最为真实的 点坐标，缺点也是操作过程烦琐。 忽略测量误差 由c m m 带来的这种点的跳动误差基本上都在t 0 0 0 5 以内，叶片的精度要求 大多数都在o 0 1 o 5 范围内，而且也只是沿轴向的跳动，所以在精度要求不是 太高的情况下可以忽略这种测量误差的影晌，直接构造截面线、叶片三维模型， 不过这样得到的三维模型是片体，但不影响后续的误差计算，所以这种方法可省 略移动坐标点的过程，提高了效率。 2 点丢失 使用c m m 扫描叶片在截面线曲率变化大的部位很容易丢失点，原因是测头在 “陡峭”部位会产生跳动，造成某些尖点漏测，图2 5 描述了截面线两边缘漏测 某些点的情况。 点丢失处 r ， 点丢失处 ，j 图2 5 截面线点丢失示意图 图2 6 构造出的截面线 对于这种点丢失的情况，通常有下面两种方法进行处理： 手工打点 采用c m m 自动扫描的测量方式测头会产生跳动，所以在一些“陡峭”部位扫 描后再进行手工打点测量，相当于把漏测的点补上。这样可以得到真实的截面线 形状，但手工测量通常需要多人配合工作，效率较低。 第二章叶片型面的测量及数据处理 拷贝c a d 模型对应截面线的弧段 n u r b s 曲线的形状和型值点直接相关，假如直接对c 洲扫描得到的点构造 n u r b s 曲线，肯定会和真实的截面线有较大出入。经过铣削加工的叶片型面基本 上和c a d 模型近似，所以可用c a d 模型上的截面线近似的代替测量面的截面线。 为了方便的得到较为真实的截面线形状可直接把拷贝来对应弧段按照余量偏置 一定的距离拟合出该段截面线，以图2 5 中漏测的点为例，从c a d 模型拷贝来的 弧段( 图2 6 ) 弥补了点丢失带来的缺陷。这种方法不需要手工测量丢失点，但 精度不是太高，在测点丢失不多的情况下可以使用。 2 3 本章小结 本章主要介绍了现有的叶片型面的测量方法，主要是样板测量法、三坐标测 量机测量法和激光扫描仪测量法。这些方法中各有优缺点，在工业现场中目前主 要是采用样板测量法，三坐标测量机测量法主要使用在叶片的抽检中。随着激光 测量仪的精度不断的提高，激光测量仪测量法是主流的发展趋势。紧接着介绍了 针对三坐标测量机测量得到后的数据处理方法。测量后的数据需要有异常点处 理，数据插补。针对采用三坐标测量机测量法来测叶片型面过程中所遇到问题， 需要注意的是测量数据中的点跳动和点丢失。 江南大学硕士学位论文 第三章叶片型面的对齐 为了糖确计算型面误差，评估叶片型面加工质量，叶片的测量模型和c a d 模 型的基准必须一致。目前工厂中常见的基准找正( 也称为校准) 方法是手工找正， 测量人员根据图纸要求测量若干点构造基准坐标系，比较费时，通常基准找正的 时问占整个测量时间的一半左右。相比于手工找正基准，采用计算机完成找正是 当前研究的热点，就是通过运行特定的算法把测量模型移动到c a d 模型坐标系 内，从而完成两种模型的对齐。在自由曲面的对齐方面最普遍的做法是采用最接 近迭代算法( i t e r a t i v ec 1 0 s e s tp o i n t ，i c p ) 。i c p 算法由b e s l 和m c k a y 于 r 0 1 1 9 9 2 年提出，此后，为改进i c p 算法的速度和稳健性又出现了很多变形方法“。 i c p 算法通常以最小二乘法构造目标函数，但最难解决的还是结果的精度问题。 借助i c p 算法对叶片进行自动校准还是有很大困难的，首先叶片的型面比较 复杂，其次i c p 算法精度难以保证。本文在研究叶片的叶根结构和参考同类研究 成果的基础上发现：对于一些具有特殊叶根结构的叶片可以采用遗传算法进行初 步优化，可以获得接近于全局最优的位置，然后使用最小二乘法进行匹配，最终 实现叶片型面的对齐，而且对齐的精度较高。 3 1 对齐过程及其方法的概述 曲面测量数据与曲面匹配是曲面误差评定的基础，在曲面检测、加工余量分 析和逆向工程等领域占有重要的地位。在现有匹配算法中，最近邻点迭代匹配算 法( i t e r a t i v ec l o s e s tp o i n ta l g o r i t h m ，i c p 算法) 是目前最常用的方法。以 最小二乘法来构造目标函数的i c p 算法可用于许多几何形状的