[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

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种水轮机叶片毛坯型面测量与加工余量分析方法。 

二、背景技术

水轮机叶片的制造质量和精度直接关系到发电机组的水力稳定性、效率和空化性能。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同，而且差别比较大。叶片型面的测量相对于那些简单参数工件的形状测量要复杂的多。传统的水轮机叶片制造采用“砂型铸造-立体样板检查-手工铲磨”工艺，而立体样板由于刚性差、容易变形和造价高等缺点，已越来越无法满足水轮机叶片制造技术进步的要求，随着叶片制造精度要求的提高和数控加工的需要，需要对叶片毛坯和加工后的叶片进行三维测量，以准确掌握叶片毛坯的余量分布情况和加工后叶片的制造精度。 

水轮机叶片是一个由多张曲面组成的曲面体，毛坯上没有准确一致的定位基准，叶片数控加工时在机床上采用传统的调整法找正很难，特别是对大型叶片采用调整法找正几乎是不可行的。自20世纪90年代以来，逐步开始采用叶片毛坯型面三维测量技术与基于检测数据的加工余量分析技术结合的先进找正方法。 

目前，叶片毛坯测量方法主要有以下几种：一是三坐标机测量法，其主要缺点是使用环境要求苛刻、生产现场的在位测量适用性差以及很难适用于大型叶片测量；二是三维划线仪测量法，其主要缺点是需要专用测量平台、是接触式测量以及仅适用于中小型叶片测量；三是光电经纬仪测量、关节臂测量或激光跟踪测量法，其主要缺点是设备造价高、使用复杂以及对于大型叶片测量效率较低。 

目前，叶片毛坯加工余量分析的方法依据测量数据模型与CAD设计模型间坐标系对齐方式的不同而分为两种：一是采用一定步长逐步迭代搜索的方法来对齐，其主要缺点是迭代次数多、收敛速度慢、对初值要求高以及不是理论上的最优解等；二是采用最近点迭代(ICP)法及其改进型来对齐坐标系，其主要缺点是计算稳健性差，不同的初值的计算结果可能不一致。 

三、发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提供一种水轮机叶片毛坯型面测量与加工余量分析方法，可有效解决对水轮机叶片毛坯型面测量与加工余量分析，确保水轮机叶片的制造质量和精度的问题，其解决的技术方案是，采用数字近景摄影测量方法测量叶片毛坯，从而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——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，基于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，以实现在测量数据基础上对叶片毛坯加工余量的快速、准确的最优化计算，从而提高叶片毛坯的现场检测速度与加工精度和效率，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(数据形状)，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(如图2所示)，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(概略定向棒是由6个测量标志粘贴在经过机械加工的不锈钢工件上构成，基准尺是有两个测量标志粘贴在铟刚棒上构成，两测量标志之间的距离为1096毫米)，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(软件)，将测量点云所在的测量坐标系与CAD设计模型(软件)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，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，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(u，v)关于刚体旋转参数的微分关系，得到目标方程可以使用的雅可比矩阵与Hessian(二阶导数)矩阵，所说的牛顿迭代法求解非线性方程组为：F(x)＝0，利用函数的线性展开，即在第k次迭代，用线性方将组L(x)＝F_k+J_k(x-x_k)＝0，近似方程组F(x)＝0，从而得到第k+1次近似解 xk+1=xk-Jk-1Fk,]]>J(x)是F(x)＝0的雅可比矩阵，利用利用函数的线性展开即可得到函数的雅克比矩阵，JK为函数第k次循环的雅克比矩阵，JK-1为JK的逆矩阵， 牛顿迭代的计算形式为JkTJkxk=-JkTrk;]]>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，LM方法是对牛顿法的改进，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，将上述所说的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，并根据需要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，直到产品合格，本发明方法科学先进，稳定可靠，准确率高，有效解决了水轮机叶片毛坯型面测量与加工余量的分析，确保水轮机叶片毛坯的制造质量和精度，从而保证了水力稳定性、生产效率及空化性能，是水轮机叶片生产上的一大创新，经济和社会效益巨大。