專利名稱：一種水輪機葉片毛坯型面測量與加工余量分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水輪機葉片毛坯型面測量與加工余量分析方法。
二背景技術：
水輪機葉片的制造質量和精度直接關系到發(fā)電機組的水力穩(wěn)定性、效率和 空化性能。葉片由于其葉型的復雜造型，描述的參數眾多，從葉頂到葉根每個 截面的型線都不同，而且差別比較大。葉片型面的測量相對于那些簡單參數工 件的形狀測量要復雜的多。傳統的水輪機葉片制造采用"砂型鑄造一立體樣板 檢查一手工伊磨"工藝，而立體樣板由于剛性差、容易變形和造價高等缺點， 己越來越無法滿足水輪機葉片制造技術進步的要求，隨著葉片制造精度要求的 提高和數控加工的需要，需要對葉片毛坯和加工后的葉片進行三維測量，以準 確掌握葉片毛坯的余量分布情況和加工后葉片的制造精度。
水輪機葉片是一個由多張曲面組成的曲面體，毛坯上沒有準確一致的定位 基準，葉片數控加工時在機床上采用傳統的調整法找正很難，特別是對大型葉
片采用調整法找正幾乎是不可行的。自20世紀90年代以來，逐步開始采用葉 片毛坯型面三維測量技術與基于檢測數據的加工余量分析技術結合的先進找正 方法。
目前，葉片毛坯測量方法主要有以下幾種 一是三坐標機測量法，其主要 缺點是使用環(huán)境要求苛刻、生產現場的在位測量適用性差以及很難適用于大型 葉片測量；二是三維劃線儀測量法，其主要缺點是需要專用測量平臺、是接觸 式測量以及僅適用于中小型葉片測量；三是光電經緯儀測量、關節(jié)臂測量或激 光跟蹤測量法，其主要缺點是設備造價高、使用復雜以及對于大型葉片測量效 率較低。
目前，葉片毛坯加工余量分析的方法依據測量數據模型與CAD設計模型間 坐標系對齊方式的不同而分為兩種 一是采用一定步長逐步迭代搜索的方法來 對齊，其主要缺點是迭代次數多、收斂速度慢、對初值要求高以及不是理論上 的最優(yōu)解等；二是采用最近點迭代(ICP)法及其改進型來對齊坐標系，其主要 缺點是計算穩(wěn)健性差，不同的初值的計算結果可能不一致。
發(fā)明內容
針對上述情況，為克服現有技術缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種水輪機 葉片毛坯型面測量與加工余量分析方法，可有效解決對水輪機葉片毛坯型面測 量與加工余量分析，確保水輪機葉片的制造質量和精度的問題，其解決的技術 方案是，采用數字近景攝影測量方法測量葉片毛坯，從而獲取毛坯型面的測量 點云數據形狀，在此基礎上采用坐標系對齊方法——利用四叉樹算法實現測量
數據點在自由曲面投影初值快速獲取，基于LM法和牛頓迭代法相融合來實現測 量坐標系與設計坐標系對齊的方法，以實現在測量數據基礎上對葉片毛坯加工 余量的快速、準確的最優(yōu)化計算，從而提高葉片毛坯的現場檢測速度與加工精 度和效率，其步驟是首先對待檢測葉片毛坯進行數字近景攝影測量，獲取葉 片的測量點云形狀(數據形狀)，方法是，在待檢測葉片毛坯的表面布設攝影測 量用圓形反光標志(如圖2所示)，再在葉片毛坯表面和四周地面均勻布設編碼
標志，利用編碼標志實現不同像片間的拼接，在葉片毛坯表面或附近地面放置
概略定向棒和基準尺(概略定向棒是由6個測量標志粘貼在經過機械加工的不銹 鋼工件上構成，基準尺是有兩個測量標志粘貼在銦剛棒上構成，兩測量標志之 間的距離為1096毫米)，對待測葉片進行攝影，從葉片的上下左右各個方向和位 置進行拍攝，相鄰像片間要有4個以上的相同編碼標志點，對所拍攝的像片進 行圖像處理、概略定向、同名像點匹配和光束法平差計算，得到標志點的三維 坐標，即得到待測葉片毛坯表面的測量數據點云形狀(軟件)，將測量點云所在 的測量坐標系與CAD設計模型(軟件)所在的設計坐標系進行對齊，實現測量 坐標系與設計坐標系間的最優(yōu)化轉換，方法是，利用四叉樹算法實現測量點在 自由曲面上投影以快速獲取初值，再使用牛頓迭代法多變量求導的解析方法， 建立自由曲面參數(u,v)關于剛體旋轉參數的微分關系，得到目標方程可以使用的 雅可比矩陣與Hessian (二階導數)矩陣，所說的牛頓迭代法求解非線性方程組 為F(x) = 0，利用函數的線性展開，即在第k次迭代，用線性方將組 "力=巧+1/^-xj = 0 ，近似方程組尸00 = 0，從而得到第k +1次近似解 U JW是^0^的雅可比矩陣，利用利用函數的線性展開即可得到
函數的雅克比矩陣，JK為函數第k次循環(huán)的雅克比矩陣，JK-1為JK的逆矩陣，牛頓迭代的計算形式為《A^ =-人、；再基于LM法和牛頓迭代法的數值優(yōu)化計 算，即利用LM法解決計算初值不好而引起的迭代不收斂情況，使牛頓迭代法
快速收斂到最優(yōu)解，LM方法是對牛頓法的改進，通過引進非負迭代參數，克服
了牛頓法對初值要求嚴格的問題，當初值非常差時，牛頓方法會產生不收斂情
況，而LM方法可以收斂，當LM方法收斂到真值附近時，此時的LM方法變 成牛頓迭代，快速收斂到牛頓迭代的解，將上述所說的將測量點云所在的測量 坐標系與CAD設計模型所在的設計坐標系進行對齊后，計算各個測量點到設計 模型的法向偏差，即各點的加工余量，并根據需要對結果進行報表或圖形化輸 出及打印，如果發(fā)現某些點的加工余量過大，則根據具體偏差值進行打磨；如 果某些點處的加工余量為負值，則要進行補煶；之后重復進行上述步驟，直到 產品合格，本發(fā)明方法科學先進，穩(wěn)定可靠，準確率高，有效解決了水輪機葉 片毛坯型面測量與加工余量的分析，確保水輪機葉片毛坯的制造質量和精度， 從而保證了水力穩(wěn)定性、生產效率及空化性能，是水輪機葉片生產上的一大創(chuàng) 新，經濟和社會效益巨大。
四

圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明的圓形反光標志圖。
圖3為本發(fā)明的編碼標志圖。
圖4為本發(fā)明的概念定向棒結構圖。
圖5為本發(fā)明的葉片測量點云形狀圖。
圖6為本發(fā)明的基準尺結構圖。
五具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明。
由圖1給出，本發(fā)明包括型面測量及加工余量分析，型面測量是對葉片型 面進行攝影測量，再制出攝影測量的葉片點云形狀測量坐標系(軟件模型)，再 對葉片CAD設計形狀，設計出加工余量計算設計坐標系(軟件模型)，然后將 測量坐標系與設計坐標系對齊，從而實現加工余量計算，具體步驟是
第一步對待檢測葉片毛坯進行數字近景攝影測量，獲取葉片的測量點云形狀(數據形狀)，方法是
在帶待檢測葉片毛坯各個表面布設攝影測量用圓形反光標志，該標志采用 定向反光材料制作而成，所說的定向反光材料是指材料中含有一種高折射率玻 璃微珠或微晶立方角體，將入射光按原路反射回光源處，形成回歸反射現象的
材料，如美國3M公司生產的DG3或7610型號反光材料制作的圓形反光標志；
所說的葉片毛坯表面是由正面、背面、上冠面、下環(huán)面、進水邊面和出水邊面
等曲面組成，然后按以下步驟進行
1、 在葉片毛坯表面和四周地面均勻布設編碼標志(圖3)(編碼標志是一種
自身帶有數字編碼信息的人工標志)，布設的原則是攝影時每張像片至少可以拍
攝到4個編碼標志點，利用編碼標志實現不同像片間的拼接；
2、 在葉片毛坯表面或附近地面放置概略定向棒(將專門用來進行概略定向
的棒形裝置稱為概略定向棒)和基準尺，其中概略定向棒的作用是概略計算出 像片的外方位元素，基準尺是已經法定計量單位精確標定過的，為整個測量工
程提供長度基準；
3、 用數碼相機(如尼康D3相機)對待測葉片毛坯表面上述各面進行攝影， 攝影的原則是從葉片的上下左右各個方向和位置進行拍攝，由于一張像片不可 能將所有標志點拍攝下來，故要確保相鄰像片間要有4個以上的相同編碼標志 點；
4、 對所拍攝的像片進行圖像處理，包括標志點中心提取與定位，編碼標志 識別、概略定向(確定像片的近似外方位元素的過程)、同名像點匹配(匹配就 是尋求物方點在不同像片上的相應像點，匹配過程就是在計算過程中不需要人 工干預，通過算法實現自動在不同相片上尋找同名像點的過程)和光束法平差 計算，得到標志點的三維坐標，即得到待測葉片毛坯表面的測量數據點云形狀；
所說的光束法平差是以每條空間光線為一單元，利用三點共線條件列出 誤差方程式，所謂三點共線條件，即是指在攝影時，測量點、相應像點和相機 中心點是在同一條直線之上的；由共線條件出發(fā)，對每個像點可以列出下列兩 個關系公式工_ f "!(Z-A) + h(y —^) + c,(Z —Zj、
a3(ns)+63(y-;rs)+C3(z—zs)
上式中Ai為相機旋轉矩陣的參數，x、 Y、 z為測量點坐標，xs、 Ys、 Zs為相機的坐標，/為相機焦距，x、 ^為測量點在相機中的像素坐標；
對上式進行線性化后即可的到光束法平的誤差方程式；
第二步將測量點云所在的測量坐標系與CAD設計模型所在的設計坐標系 進行對齊，實現測量坐標系與設計坐標系間的最優(yōu)化轉換，方法是
1、 利用四叉樹算法實現測量點在自由曲面上投影以快速獲取初值 由于自由曲面的復雜性，很難快速地得到點到曲面投影迭代計算的初值，
利用四叉樹算法提高自由曲面投影點初值的計算速度，該算法只需要7 8次迭 代即可計算出與真值非常接近的初值，四叉樹算法是一個平面被區(qū)分為4個 部份的一個空間劃分系統，每個平面可以根據需要繼續(xù)細分為4個部份，直到 滿足條件，具體說就是，四叉樹算法是在數據庫中放置和定位文件(稱作記錄 或鍵)的方法，這一算法通過不停的把要查找的記錄分成4部分來進行匹配查
找直到僅剩下一條記錄為止，在樹中，記錄被存儲在葉子的位置上，這一名字 的由來是因為記錄被存儲的端點上，它們上面再沒有節(jié)點了，分支被稱作節(jié)點，
數的順序是每節(jié)點的分支(也稱孩子)數，在四叉樹中，每個節(jié)點通常有4個 孩子，因此順序是4，四叉樹的葉子數也是4，為達到想要的記錄所進行的查找 操作次數成為樹的深度，在實際的樹中，可能有成千、成萬或數十億條記錄， 不是所有的葉子必須有一條記錄，但至少要有一半包含記錄，不包含記錄的葉 子成為空，在上面例子中，第8、第12、第16個葉子是空的，用空白圓來指示； 四叉樹是在二維圖片中定位像素的唯一適合的算法，因為二維空間(圖經常被 描述的方式)中，平面像素可以重復的被分為四部分；
2、 使用牛頓迭代法多變量求導的解析方法，建立自由曲面參數(u，v)關于剛 體旋轉參數的微分關系，得到目標方程可以使用的雅可比矩陣與Hessian (二階 導數)矩陣；牛頓迭代法又稱為牛頓-拉夫遜方法(Newton-Raphson method),它是牛頓 在17世紀提出的一種在實數域和復數域上近似求解議程的方法，參數方式不存 在求根公式，因此求精確根非常困難，甚至不可能，從而尋找方程的近似根就 顯得特別重要，方法使用函數f (x)的泰勒級數的前面幾項來尋找方程f (x) 二0的根，牛頓迭代法是求方程根的重要方法之一，其最大優(yōu)點是在方程f (x) =0的單根附近具有平方收斂，而且該法還可以用來求方程的重根、復根，另外 該方法廣泛用于計算機編程中；
牛頓迭代法求解非線性方程組^"=()是一個最基本的十分重要的方法，牛
頓法的基本思想是利用函數的線性展開，即在第k次迭代，用線性方將組 1(^ =巧+1/^_^)=()，近似方程組FW-O從而得到第k +1次近似解
A+1=A-々A， 是^0 = 0的雅可比矩陣，牛頓迭代的計算形式為
A Ja 二 —力^;
3、基于LM法和牛頓迭代法的數值優(yōu)化計算
利用LM法解決計算初值不好而引起的迭代不收斂情況，使牛頓迭代法快 速收斂到最優(yōu)解。牛頓迭代方法對初值要求非常嚴格，而且屬于局部收斂。LM 方法是對牛頓法的改進，通過引進非負迭代參數，克服了牛頓法對初值要求嚴 格的問題，當初值非常差時，牛頓方法會產生不收斂情況，而LM方法可以收 斂。當LM方法收斂到真值附近時，此時的LM方法變成牛頓迭代，快速收斂 到牛頓迭代的解(具體情況前已表述)，LM方法是通過引入一個A >0的因 子，及《A(;^+義/卜-力、，當《^(^+;1/)=-々、中的計算數值x接近真值時，入 變得小到可以忽略不計，此時的方法轉換為牛頓迭代。
第三步將測量點云所在的測量坐標系與CAD設計模型所在的設計坐標系 對齊后，計算測量點到設計模型的法向偏差，即各點的加工余量，并根據需要 對結果進行報表或圖形化輸出及打印，如果發(fā)現某些點的加工余量過大，則根 據具體偏差值進行打磨，如果某些點處的加工余量為負值，則要進行補焊，之 后重復進行上述步驟。
本發(fā)明在具體實施中，還可由以下步驟實現-
1、首先選定待測葉片毛坯，將葉片放置于生產廠房的空地上，對其正面、背面、下環(huán)面、進水邊面和出水邊面五部分的曲面灰塵進行清潔，并將攝影測 量設備數碼相機、基準尺、概略定向棒、測量標志和電腦及軟件等帶至現場；
2、 對該葉片在葉片的上述五個曲面上布設由美國3M公司生產的反光材料
制作的直徑為6mm的圓形回光反射標志，型號為DG3或7610，并在周圍布 設編碼標志，編碼標志使用材料與尺寸與圓形人工標志一樣，共布設測量標志 160個、編碼標志20個；然后在葉片邊上放置概略定向棒和基準尺，基準尺的 標準長度為1096毫米；利用數碼相機(NikonD3)對葉片與周圍的編碼標志與 測量標志進行不同方位的攝影，拍攝照片30張；對所拍攝的相片進行數字圖像 處理與計算，計算得到并輸出測量點云數據(計算機軟件)，數據處理時間為5 分鐘，測量時測量標志分布盡量均勻，在曲率變化大的地方適當加密；二是在
進水邊面、出水邊面等部布設的測量標志盡量有規(guī)律，如三個點一排，這樣有
利于后續(xù)軟件區(qū)分點所在曲面；三是編碼點數量要一定保證，確保每張像片上 至少能拍攝4個以上，足夠獲取葉片的測量點云形狀(數據形狀)；
3、 將攝影測量的點云導入葉片分析系統軟件內，作為測量數據，將該葉片 設計的CAD模型數據導入該軟件，此時，測量數據存在一個測量坐標系，設計 CAD模型存在另一個設計坐標系，測量坐標系與設計坐標系不在同一坐標系內， 此時將測量數據與設計CAD所在的設計坐標系進行對齊，實現測量坐標系與設 計坐標系間的最優(yōu)化轉換，在坐標系對齊過程中，利用對測量點在曲面上的投 影點進行初值計算，然后得到測量點在曲面上的投影點；此時利用牛頓迭代法 解析對多變量求導；坐標系由于初始值不夠好，此時利用LM方法進行計算5 次后坐標系基本一致(可以看作好初值情況，X<l(r1G)，然后LM算法轉到牛 頓迭代進行3次計算，得到最后結果:迭代次數8次，RMS: 20.76827(mm)， X: 2.04383(mm)、 Y: 2.13280(mm)、 Z: 2.17925(mm)、 RX: 0.25311(deg)、 Ry: 0.06068(deg)、 Rz: 0.03386(deg)，本步驟計算時間為2.36秒；
4、 計算各個測量點到設計模型的法向偏差，即各點的加工余量，并根據需 要對結果進行報表或圖形化輸出及打印；
5、 如果發(fā)現某些點的加工余量過大，則根據具體偏差值進行打磨；如果某 些點處的加工余量為負值，則要進行補焊；之后重復進行上述各步驟，直到產品合格。
本方法還可適用于汽輪發(fā)電機和風力發(fā)電機葉片的形狀檢測與加工余量分析。
本發(fā)明易方法易操作，速度快，效率高，特別是對初值獲取快，對初值精 確程度要求低，迭代次數少，收斂速度快，理論上是最優(yōu)解，經實踐，具有以 下的有益技術效果
1、 測量設備便攜性好重量輕、 一個人即可攜帶，并進行長途運輸；
2、 在位測量可以在葉片生產現場進行測量，并不受現場震動、雜光等 干擾等影響；
3、 非接觸式測量方式。采用光學攝影方式，測量時不需要接觸葉片；
4、 測量尺寸不受限制可以測量大、中、小各型葉片，尤其是特別適合測 量大型葉片；
5、 測量速度快、效率高對于5m直徑的葉片現場測量(包括準備)只要
1.5小時左右。因此，本發(fā)明的研制成功，是水輪機葉片毛坯型面測量與加工余
量分析上的創(chuàng)造，有效保證了水輪葉片的制造質量和精度，從而保證了發(fā)電機 組的水力穩(wěn)定性，高效率生產和空化性能，經濟和社會效益巨大。
權利要求
1、一種水輪機葉片毛坯型面測量與加工余量分析方法，其特征在于，采用數字近景攝影測量方法測量葉片毛坯，獲取毛坯型面的測量點云數據形狀，在此基礎上采用坐標系對齊方法及利用四叉樹算法實現測量數據點在自由曲面投影初值快速獲取，利用LM法和牛頓迭代法相融合來實現測量坐標系與設計坐標系對齊的方法，在測量數據基礎上對葉片毛坯加工余量優(yōu)化計算，其步驟是首先對待檢測葉片毛坯進行數字近景攝影測量，獲取葉片的測量點云形狀，方法是，在待檢測葉片毛坯的表面布設攝影測量用圓形反光標志，再在葉片毛坯表面和四周地面均勻布設編碼標志，利用編碼標志實現不同像片間的拼接，在葉片毛坯表面或附近地面放置概略定向棒和基準尺，對待測葉片進行攝影，從葉片的上下左右各個方向和位置進行拍攝，相鄰像片間要有4個以上的相同編碼標志點，對所拍攝的像片進行圖像處理、概略定向、同名像點匹配和光束法平差計算，得到標志點的三維坐標，即得到待測葉片毛坯表面的測量數據點云形狀，將測量點云所在的測量坐標系與CAD設計模型所在的設計坐標系進行對齊，實現測量坐標系與設計坐標系間的最優(yōu)化轉換，利用四叉樹算法實現測量點在自由曲面上投影獲取初值，再使用牛頓迭代法多變量求導的解析方法，建立自由曲面參數關于剛體旋轉參數的微分關系，得到目標方程可以使用的雅可比矩陣與Hessian矩陣；再基于LM法和牛頓迭代法的數值優(yōu)化計算，即利用LM法解決計算初值不好而引起的迭代不收斂情況，使牛頓迭代法快速收斂到最優(yōu)解；將上述所說的測量點云所在的測量坐標系與CAD設計模型所在的設計坐標系進行對齊后，計算各個測量點到設計模型的法向偏差，即各點的加工余量，并對結果進行報表或圖形化輸出及打印，如果發(fā)現某些點的加工余量過大，則根據偏差值進行打磨，如果某些點處的加工余量為負值，則要進行補焊，之后重復進行上述步驟，直到產品合格。
2、 根據權利要求1所述的水輪機葉片毛坯型面測量與加工余量分析方法，其特征在于，包括型面測量及加工余量分析，型面測量是對葉片型面進行攝影測量，再制出攝影測量的葉片點云形狀測量坐標系，再對葉片CAD設計形狀，設計出加工余量計算設計坐標系，然后將測量坐標系與設計坐標系對齊，進行 加工余量計算，具體步驟是第一步對待檢測葉片毛坯進行數字近景攝影測量，獲取葉片的測量點云 形狀，在帶待檢測葉片毛坯各個表面布設攝影測量用圓形反光標志，該標志采 用定向反光材料DG3或7610制作而成，所說的葉片毛坯表面是由正面、背面、 上冠面、下環(huán)面、進水邊面和出水邊面的曲面組成，方法是(1)、在葉片毛坯表面和四周地面均勻布設編碼標志，進行攝影，攝影時 每張像片至少拍攝到4個編碼標志點，利用編碼標志實現不同像片間的拼接；(2 )、在葉片毛坯表面或附近地面放置概略定向棒和基準尺；(3) 、用數碼相機對待測葉片毛坯表面上述各面進行攝影，攝影時，從葉 片的上下左右各個方向和位置進行拍攝，相鄰像片間要有4個以上的相同編碼 標志點；(4) 、對所拍攝的像片進行圖像處理，包括標志點中心提取與定位，編碼 標志識別、概略定向、同名像點匹配和光束法平差計算，得到標志點的三維坐 標，即得到待測葉片毛坯表面的測量數據點云形狀；第二步將測量點云所在的測量坐標系與CAD設計模型所在的設計坐標系 進行對齊，實現測量坐標系與設計坐標系間的最優(yōu)化轉換，方法是(1) 、利用四叉樹算法實現測量點在自由曲面上投影以快速獲取初值，利 用四叉樹算法提高自由曲面投影點初值的計算速度，該算法只需要7 8次迭代 計算出與真值非常接近的初值；(2) 、使用牛頓迭代法多變量求導的解析方法，建立自由曲面參數關于剛 體旋轉參數的微分關系，得到目標方程可以使用的雅可比矩陣與Hessian矩陣；(3) 、基于LM法和牛頓迭代法的數值優(yōu)化計算利用LM法解決計算初值不好而引起的迭代不收斂情況，使牛頓迭代法快 速收斂到最優(yōu)解，通過引進非負迭代參數，克服了牛頓法對初值要求嚴格的問 題，當初值非常差時，牛頓方法會產生不收斂情況，而LM方法可以收斂，當LM方法收斂到真值附近時，此時的LM方法變成牛頓迭代，快速收斂到牛頓迭 代的解；第三步將測量點云所在的測量坐標系與CAD設計模型所在的設計坐標系 對齊后，計算測量點到設計模型的法向偏差，即各點的加工余量，對結果進行 報表或圖形化輸出及打印，如果發(fā)現某些點的加工余量過大，則根據具體偏差 值進行打磨，如果某些點處的加工余量為負值，則要進行補焊，之后重復進行 上述步驟。
3、根據權利要求1所述的水輪機葉片毛坯型面測量與加工余量分析方法， 其特征在于，由以下步驟實現(1) 、首先選定待測葉片毛坯，將葉片放置于生產廠房的空地上，對其正 面、背面、下環(huán)面、進水邊面和出水邊面五部分的曲面灰塵進行清潔，并將攝 影測量設備數碼相機、基準尺、概略定向棒、測量標志和電腦及軟件等帶至現 場；(2) 、對該葉片在葉片的上述五個曲面上布設DG3或7610反光材料制作 的直徑為6mm的圓形回光反射標志，并在周圍布設編碼標志，編碼標志使用材 料與尺寸與圓形人工標志一樣，共布設測量標志160個、編碼標志20個；然后 在葉片邊上放置概略定向棒和基準尺，基準尺的標準長度為1096毫米；利用數 碼相機對葉片與周圍的編碼標志與測量標志進行不同方位的攝影，拍攝照片30 張；對所拍攝的相片進行數字圖像處理與計算，計算得到并輸出測量點云數據， 數據處理時間為5分鐘，測量時測量標志分布均勻，在曲率變化大的地方適當 加密；二是在進水邊面、出水邊面部布設的測量標志三個點一排；三是編碼點 數量每張像片上至少能拍攝4個以上，獲取葉片的測量點云形狀；(3) 、將攝影測量的點云導入葉片分析系統軟件內，作為測量數據，將該 葉片設計的CAD模型數據導入該軟件，測量數據存在一個測量坐標系，設計 CAD模型存在另一個設計坐標系，測量坐標系與設計坐標系不在同一坐標系內， 將測量數據與設計CAD所在的設計坐標系進行對齊，實現測量坐標系與設計坐標系間的最優(yōu)化轉換，在坐標系對齊過程中，利用對測量點在曲面上的投影點 進行初值計算，然后得到測量點在曲面上的投影點；利用牛頓迭代法解析對多 變量求導；利用LM方法進行計算5次后坐標系基本一致，然后LM算法轉到 牛頓迭代進行3次計算，得到最后結果迭代次數8次，RMS: 20.76827mm， X: 2.04383mm、 Y: 2.13280mm、Z: 2.17925mm、 RX: 0.2531 ldeg、 Ry: 0.06068deg、 Rz: 0.03386deg，計算時間為2.36秒；(4) 、計算各個測量點到設計模型的法向偏差，即各點的加工余量，對結 果進行報表或圖形化輸出及打??；(5) 、如果發(fā)現某些點的加工余量過大，則根據具體偏差值進行打磨；如 果某些點處的加工余量為負值，則要進行補焊；之后重復進行上述各步驟，直 到產品合格。
全文摘要
本發(fā)明涉及水輪機葉片毛坯型面測量與加工余量分析方法，可有效解決對水輪機葉片毛坯型面測量與加工余量分析，確保水輪機葉片的制造質量和精度的問題，其解決的技術方案是，采用數字近景攝影測量方法測量葉片毛坯，從而獲取毛坯型面的測量點云數據形狀，將測量點云所在的測量坐標系與CAD設計模型所在的設計坐標系進行對齊，使用牛頓迭代法多變量求導的解析方法，建立自由曲面參數關于剛體旋轉參數的微分關系，得到目標方程可以使用的雅可比矩陣與Hessian矩陣；再基于LM法和牛頓迭代法的數值優(yōu)化計算，并對結果進行報表或圖形化輸出及打印，本發(fā)明方法科學先進，穩(wěn)定可靠，準確率高，保證了水力穩(wěn)定性、生產效率及空化性能，經濟和社會效益巨大。
文檔編號G01B11/00GK101634544SQ20091006602
公開日2010年1月27日 申請日期2009年9月2日 優(yōu)先權日2009年9月2日
發(fā)明者范生宏, 黃桂平 申請人:鄭州辰維科技有限公司