1.一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)三角网格化初始螺旋桨CAD模型表面并提取顶点集及其邻域特征集;
(2)分析顶点集邻域几何拓扑信息计算顶点曲率特征提取种点集;
(3)根据所述顶点集计算表面顶点特征投票属性;
(4)根据所述种点集进行基于特征投票下的区域能量聚类分割;
(5)根据所述表面测量区域进行局部测点规划;
(6)对各测点集进行弦公差采样提取局部最优配准点集;
(7)根据所述局部最优测点集与顶点集进行非线性区域精度层级配准;
(8)根据所述配准结果基于螺旋桨测量标准进行质量评估;
(9)根据所述质量评估结果表格化输出加工指导数据;
所述步骤(4)具体为:
(4.1)根据步骤(2)中生成的种点集中的各点集 与邻域特征集 ,将种点集中包含的顶点与邻域特征作为曲面分割的初始生长域 , ,初始状态下其他顶点集 与特征集 无归属域;
(4.2)根据步骤(4.1)中生成的初始生长域划分状态,进行顶点集 与特征集 的归属聚类分割,遍历顶点集 ,若当前为种点则跳过;若当前遍历顶点的存在一个邻近点属于初始生长域 ,则将该顶点与其特征集归属于该域;若当前遍历顶点邻近多个顶点均存在归属或均无归属,根据特征投票下的能量聚类模型进行归属域判断,通过计算能量函数模型结果,将其归于能量值最小情况时所处的域,遍历完顶点并确定其归属后,完成初始表面测量区域聚类分割;能量聚类模型函数定义为:(6)
式中, 是能量模型函数, 是当前计算点所处的三角面片, 是三角面片面积通过计算, 是常值函数;将特征投票矩阵(5)分解获得特征值 ,是通过归一化特征值求解的矢量;
(4.3)根据步骤(4.2)中初始表面测量区域聚类分割结果,遍历所有顶点,根据式(6)调整相邻域 和 的顶点与特征归属,通过最小化区域能量函数值情况进行顶点与特征归属判断更新;
(4.4)若(4.3)中归属判断不发生变化,函数收敛输出聚类分割后的表面测量区域;若根据式(6)能量值最小化计算后,顶点与特征产生归属域更新,重复步骤(4.2)依据能量值最小的情况更新顶点与特征归属,直至函数收敛模型不产生归属变化后输出分割结果,生成各局部测量区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,所述步骤(1)具体为:(1.1)输入螺旋桨CAD模型,分析模型几何特征与核心参数间拓扑关联,生成表面高精度NURBS网格,再将网格三角化生成表面高精度三角网格;
(1.2)根据所获取的螺旋桨表面高精度三角网格,提取网格节点与邻域三角面片集作为顶点集 与特征集 。
3.根据权利要求1所述的一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,所述步骤(2)具体为:(2.1)分析顶点集 内各顶点与邻域点间几何拓扑关联,计算目标顶点 协方差矩阵:(1)
式中,目标点 , 是目标点 邻域中的邻域点重心,通过分解协方差矩阵 获得方程:(2)
通过上述方程(2)能够求得三个特征值 和对应特征向量 ,通过对比三个特征值,取最小特征值对应特征向量方向的单位向量为法矢 ;
(2.2)根据步骤(2.1)中所求取法矢 ,进行目标点 的平均曲率求取,目标点附近曲面表示为 ,平均曲率表示为:(3)
式中,参数通过第一矩阵 与第二矩阵 表
示, 是该点法矢,通过平均曲率可进一步求取该点特征曲率 :(4)
遍历顶点集 中所有顶点,通过式(4)计算赋予顶点特征曲率;
(2.3)根据步骤(2.2)中所求各顶点特征曲率 ,遍历顶点集 ,参照曲率大小,梯度排序顶点集,再依次提取前 个特征曲率值较大的顶点,生成种点集,为后续表面聚类分割提供初始域参考。
4.根据权利要求1所述的一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,所述步骤(3)具体为:(3.1)分析顶点集 与邻域特征集 间几何拓扑关联,综合顶点与邻域特征集,计算顶点特征投票矩阵作为后续表面测量区域聚类分割参考,定义表面顶点的特征投票属性为:其中, 是当前计算顶点所处的三角面片, 是该三角片对应单位法向量,矩阵,而系数 ,面积 是当前计算顶点邻域内的所有三角面片的面积和,Aarea(max)表示邻域内三角面片中面积为极大值的三角片,表示目标点邻域最小包围盒边长, 则是三角面片 的重心;
(3.2)根据步骤(3.1)中式(5)所述特征投票属性计算方法,遍历顶点集,对每个顶点进行特征投票属性赋值,为后续表面测量区域分割提供特征聚类参考。
5.根据权利要求1所述的一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,所述步骤(5)具体为:(5.1)根据划分的测量区域生成局部空间网格堆叠线:(7)
式中, 与 是组成表面网格的样条基函数,pij是样条控制节点,通过表面样条基函数等距从 两个方向进行交错堆叠,形成空间网格:(8)
式中,为网格堆叠线的数量, 为样条基函数综合表达式,最终通过式(8)形成局部测量区域空间逼近网格;
(5.2)将空间网格映射至螺旋桨理论模型表面,网格节点至表面投影交点即为各局部测点,拼接各局部测点作为初始测点集 。
6.根据权利要求1所述的一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,所述步骤(6)具体为:(6.1)根据步骤(5)产生的局部测点进行弦公差计算,参照步骤(4)中生成的各局部表面测量区域,求取局部区域内由空间样条网格投影生成的各测点上的弦公差,再求局部测点集的弦公差均值,依据弦公差均值结果升序排列局部测量区域,弦公差计算如下:式中,节点序列 , 为式(7)中的样条基函数,是弦公差值;
(6.2)根据步骤(6.1)中依据弦公差均值升序排列结果,选取弦公差均值最小的局部测量区域的测点集作为最优测点集 。
7.根据权利要求1所述的一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,所述步骤(7)具体为:(7.1)根据步骤(6)中最优测点集 作为待配准点云,将步骤(1)中提取的顶点集 作为目标点云,建立配准模型 , 与 分别是旋转矩阵与位移矩阵;
(7.2)首先将配准模型转化为最优测点集与顶点集间的配准变换参数求解问题:(10)
其中,为待配准点云数目, 为变换点,旋转矩阵 为空间中的三个旋转自由度, 代表空间三个位移自由度, ,式(10)通过带入可变为:
(11)
其中, ,步长 ,通过多次步长优化迭代求解目标 中的 与 ,更新后, 可进一步变为:
(12)
系数 实时修正函数迭代计算,计算梯度下降权重 与牛顿法权重 ,当时函数同时进行两种计算;当该系数较小时,下降权重占主导,以梯度下降为主,此时系数 靠近最优解;当该系数较大时,牛顿法权重占主导,系数 远离最优解,以牛顿法为主,系数在避免迭代产生局部最优解的情况下使函数快速收敛;设误差阈值为 ,若当前计算结果优于上一次则进行误差阈值 判断是否输出,若不优于上次结果则更新步长,重复上述非线性计算步骤,进行步长更新迭代计算,直至优于上次结果后判断,最终计算结果满足误差阈值 要求时,迭代完成获得配准位姿变换结果 ;
(7.3)根据步骤(7.2)中获得配准位姿变换结果 ,对初始测点集根据该矩阵变换获得配准结果 ,配准变换可表示为:(13)
式中, 与 分别是旋转矩阵与位移矩阵, 是位姿变换关键矩阵集合, 是初始测点集, 位姿变换后点集。
8.根据权利要求1所述的一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,所述步骤(8)具体为:(8.1)根据位姿变换后的点集与顶点集 间的均方根误差 与单个测点与模型误差距离 作为质量评估评定标准:(14)
其中, 与 分别是位姿变换后的点集 与顶点集 中点的三维坐标,表示点间距离;
(8.2)参照GBT 12916‑2010船用金属螺旋桨技术条件中螺旋桨叶片表面精度要求,整体测点要求精度误差低于0.5mm,与步骤(8.1)中结果对比,输出对比判定结果;首先评估整体桨叶误差是否符合标准,再对低于标准精度的误差位置坐标信息输出,完成质量评估。
9.根据权利要求1所述的一种基于区域差异划分的螺旋桨叶片质量评估方法,其特征在于,所述步骤(9)具体为:根据质量评估结果,进行数据输出用于二次加工指导,对于低于标准精度位置进行误差判断,表格化输出其加工误差正负与大小,用于后续加工指导。