[发明专利]一种水轮机叶片毛坯型面测量与加工余量分析方法

权利要求书

1.一种水轮机叶片毛坯型面测量与加工余量分析方法，其特征在于，采用数字近景摄影测量方法测量叶片毛坯，获取毛坯型面的测量点云数据形状，在此基础上采用坐标系对齐方法及利用四叉树算法实现测量数据点在自由曲面投影初值快速获取，利用LM法和牛顿迭代法相融合来实现测量坐标系与设计坐标系对齐的方法，在测量数据基础上对叶片毛坯加工余量优化计算，其步骤是：首先对待检测叶片毛坯进行数字近景摄影测量，获取叶片的测量点云形状，方法是，在待检测叶片毛坯的表面布设摄影测量用圆形反光标志，再在叶片毛坯表面和四周地面均匀布设编码标志，利用编码标志实现不同像片间的拼接，在叶片毛坯表面或附近地面放置概略定向棒和基准尺，对待测叶片进行摄影，从叶片的上下左右各个方向和位置进行拍摄，相邻像片间要有4个以上的相同编码标志点，对所拍摄的像片进行图像处理、概略定向、同名像点匹配和光束法平差计算，得到标志点的三维坐标，即得到待测叶片毛坯表面的测量数据点云形状，将测量点云所在的测量坐标系与CAD设计模型所在的设计坐标系进行对齐，实现测量坐标系与设计坐标系间的最优化转换，利用四叉树算法实现测量点在自由曲面上投影获取初值，再使用牛顿迭代法多变量求导的解析方法，建立自由曲面参数关于刚体旋转参数的微分关系，得到目标方程使用的雅可比矩阵与Hessian矩阵；再基于LM法和牛顿迭代法的数值优化计算，即利用LM法解决计算初值不好而引起的迭代不收敛情况，使牛顿迭代法快速收敛到最优解；将上述所说的测量点云所在的测量坐标系与CAD设计模型所在的设计坐标系进行对齐后，计算各个测量点到设计模型的法向偏差，即各点的加工余量，并对结果进行报表或图形化输出及打印，如果发现某些点的加工余量过大，则根据偏差值进行打磨，如果某些点处的加工余量为负值，则要进行补焊，之后重复进行上述步骤，直到产品合格。

2.根据权利要求1所述的水轮机叶片毛坯型面测量与加工余量分析方法，其特征在于，包括型面测量及加工余量分析，型面测量是对叶片型面进行摄影测量，再制出摄影测量的叶片点云形状测量坐标系，再对叶片CAD设计形状， 设计出加工余量计算设计坐标系，然后将测量坐标系与设计坐标系对齐，进行加工余量计算，具体步骤是：

第一步：对待检测叶片毛坯进行数字近景摄影测量，获取叶片的测量点云形状，在带待检测叶片毛坯各个表面布设摄影测量用圆形反光标志，该标志采用美国3M公司生产的DG3或7610型号的回光反射材料制作而成，所说的叶片毛坯表面是由正面、背面、上冠面、下环面、进水边面和出水边面的曲面组成，方法是：

(1)、在叶片毛坯表面和四周地面均匀布设编码标志，进行摄影，摄影时每张像片至少拍摄到4个编码标志点，利用编码标志实现不同像片间的拼接；

(2)、在叶片毛坯表面或附近地面放置概略定向棒和基准尺；

(3)、用数码相机对待测叶片毛坯表面上述各面进行摄影，摄影时，从叶片的上下左右各个方向和位置进行拍摄，相邻像片间要有4个以上的相同编码标志点；

(4)、对所拍摄的像片进行图像处理，包括标志点中心提取与定位，编码标志识别、概略定向、同名像点匹配和光束法平差计算，得到标志点的三维坐标，即得到待测叶片毛坯表面的测量数据点云形状；

第二步：将测量点云所在的测量坐标系与CAD设计模型所在的设计坐标系进行对齐，实现测量坐标系与设计坐标系间的最优化转换，方法是：

(1)、利用四叉树算法实现测量点在自由曲面上投影以快速获取初值，利用四叉树算法提高自由曲面投影点初值的计算速度，该算法只需要7～8次迭代计算出与真值非常接近的初值；

(2)、使用牛顿迭代法多变量求导的解析方法，建立自由曲面参数关于刚体旋转参数的微分关系，得到目标方程使用的雅可比矩阵与Hessian矩阵；

(3)、基于LM法和牛顿迭代法的数值优化计算

利用LM法解决计算初值不好而引起的迭代不收敛情况，使牛顿迭代法快速收敛到最优解，通过引进非负迭代参数，克服了牛顿法对初值要求严格的问 题，当初值非常差时，牛顿方法会产生不收敛情况，而LM方法可以收敛，当LM方法收敛到真值附近时，此时的LM方法变成牛顿迭代，快速收敛到牛顿迭代的解；

第三步：将测量点云所在的测量坐标系与CAD设计模型所在的设计坐标系对齐后，计算测量点到设计模型的法向偏差，即各点的加工余量，对结果进行报表或图形化输出及打印，如果发现某些点的加工余量过大，则根据具体偏差值进行打磨，如果某些点处的加工余量为负值，则要进行补焊，之后重复进行上述步骤。

3.根据权利要求1所述的水轮机叶片毛坯型面测量与加工余量分析方法，其特征在于，由以下步骤实现：

(1)、首先选定待测叶片毛坯，将叶片放置于生产厂房的空地上，对其正面、背面、下环面、进水边面和出水边面五部分的曲面灰尘进行清洁，并将摄影测量设备数码相机、基准尺、概略定向棒、测量标志和电脑及软件带至现场；

(2)、对该叶片在叶片的上述五个曲面上布设DG3或7610反光材料制作的直径为6mm的圆形回光反射标志，并在周围布设编码标志，编码标志使用材料与尺寸与圆形人工标志一样，共布设测量标志160个、编码标志20个；然后在叶片边上放置概略定向棒和基准尺，基准尺的标准长度为1096毫米；利用数码相机对叶片与周围的编码标志与测量标志进行不同方位的摄影，拍摄照片30张；对所拍摄的相片进行数字图像处理与计算，计算得到并输出测量点云数据，数据处理时间为5分钟，测量时测量标志分布均匀，在曲率变化大的地方适当加密；二是在进水边面、出水边面部布设的测量标志三个点一排；三是编码点数量每张像片上至少能拍摄4个以上，获取叶片的测量点云形状；

(3)、将摄影测量的点云导入叶片分析系统软件内，作为测量数据，将该叶片设计的CAD模型数据导入该软件，测量数据存在一个测量坐标系，设计CAD模型存在另一个设计坐标系，测量坐标系与设计坐标系不在同一坐标系内，将测量数据与设计CAD所在的设计坐标系进行对齐，实现测量坐标系与设计坐 标系间的最优化转换，在坐标系对齐过程中，利用四叉树算法对测量点在曲面上的投影点进行初值计算，然后得到测量点在曲面上的投影点；；利用牛顿迭代法解析对多变量求导；利用LM方法进行计算5次后坐标系一致，然后LM算法转到牛顿迭代进行3次计算，得到最后结果；

(4)、计算各个测量点到设计模型的法向偏差，即各点的加工余量，对结果进行报表或图形化输出及打印；

(5)、如果发现某些点的加工余量过大，则根据具体偏差值进行打磨；如果某些点处的加工余量为负值，则要进行补焊；之后重复进行上述各步骤，直到产品合格。