基于图像测量的潮流能发电机叶片外形尺寸精度检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种叶片外形尺寸精度检测装置，特别是一种基于图像测量的潮流能发电机叶片外形尺寸精度检测装置。

背景技术：

经过多年的研究，水平轴潮流能发电技术在现阶段已经取得了不俗的成绩。但是想要进一步发展进而产业化，机组的稳定性和可靠性是关键的一环。叶片作为系统的第一级捕能装置，占到整个机组成本的20％，是保证机组正常运行的必要条件。潮流能能量密度大，海洋工作环境恶劣，叶片结构往往更加容易出现损坏。在国内外的试验中，叶片频频出现折断、丢失等问题也印证了这一点。因此，合理的叶片外形尺寸精度对于提高叶片的能量捕捉效率和机械强度具有重要意义。

叶片外形为不规则的三维立体图形，利用传统的测量方式不能实现高精度叶片外形尺寸的测量，而且叶片尺寸较大，测量很容易受到空间和设备的限制。

技术实现要素：

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于图像测量的潮流能发电机叶片外形尺寸精度检测装置，采用该装置能够获得用于检测高精度不规则叶片外形尺寸精度的数据和图像。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于图像测量的潮流能发电机叶片外形尺寸精度检测装置，包括悬臂支撑装置、多个矩形检测样板、一个盲板、塞尺和图像获取装置，所述支撑装置包括一端与叶片根部连接的旋转支撑轴，所述旋转支撑轴由两个分离的支撑座支撑；在所述矩形检测样板上设有与其检测位叶素截面的设计外形曲线相应的检测孔，多个所述矩形检测样板一一对应地卡套在叶片预设的多个测量位置上，所述塞尺用于测量所述矩形检测样板与叶片之间的间隙；所述盲板与所述矩形检测样板外轮廓尺寸相同；所述图像获取装置垂直叶片轴向拍摄所述矩形检测样板的图像。

在所述检测样板的检测孔边沿上标记有间隔设置的多个测量点。

本实用新型具有的优点和积极效果是：基于检测样板的测量能够获取叶素曲线，基于图像的测量能够获得坐标系间的转换关系，通过坐标系的转换关系将测量曲线和设计曲线统一转换至同一坐标系中进行精确检测，进而实现高精度不规则叶片外形尺寸精度的检测，检测结果精度较高，可靠性较好。并且本实用新型还具有测量速度快、系统成本低和安装方便等优势。有效地解决了因叶片体积较大导致很难有相匹配的精度较大的测量工具的问题。

附图说明

图1为本实用新型的悬臂支撑装置结构示意图；

图2为本实用新型的多个矩形检测样板的分布图；

图3为图2在检测样板处的截面图；

图4为采用本实用新型的矩形检测样板测量数据获取叶素外形测量点在样板坐标系中坐标的计算原理图；

图5-1为采用本实用新型的图像获取装置获取的图像获得两个坐标系间转换关系的示意图之一；

图5-2为为采用本实用新型的图像获取装置获取的图像获得两个坐标系间转换关系的示意图之二；

图6为应用本实用新型获得数据和图像完成检测后通过仿真修正前后的叶片升阻比对比曲线图。

图中：1、叶片；2、矩形检测样板；2-1、检测孔；2-2、测量点；3、旋转支撑轴；4、支撑座。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种基于图像测量的潮流能发电机叶片外形尺寸精度检测装置，包括悬臂支撑装置、多个矩形检测样板2、一个盲板、塞尺和图像获取装置，所述支撑装置包括一端与叶片1根部连接的旋转支撑轴3，所述旋转支撑轴3由两个分离的支撑座4 支撑；在所述矩形检测样板2上设有与其检测位叶素截面的设计外形曲线相应的检测孔 2-1，多个所述矩形检测样板2一一对应地卡套在叶片1预设的多个测量位置上，所述塞尺用于测量所述矩形检测样板2与叶片1之间的间隙；所述盲板与所述矩形检测样板2 外轮廓尺寸相同；所述图像获取装置垂直叶片轴向拍摄所述矩形检测样板2的图像。

在本实施例中，在所述矩形检测样板2的检测孔边沿上标记有间隔设置的多个测量点2-2。

本实用新型的使用方法：

请参阅附图，1)以样板和盲板的底边为X轴，左侧边为Y轴，建立坐标系；2)将叶片1水平设置，采用悬臂的方法将叶片1的根部固定在旋转支撑轴3的一端；3)将检测样板2套装在叶片1上，在每个测量点位处沿检测孔外形曲线的法向方向测量检测孔2-1内壁与叶片1之间的距离，以获得叶素外形的多个测量点坐标，进而获得叶素外形在检测样板坐标系中的测量曲线。

设计上述步骤的依据和具体实现方式是：

将叶片简化为许多细小的微段，叶片可以看做由这些微段轴向叠加而成，这些微段叫做叶素。重要部位叶素的长度较小，针对每个叶素设计一个检测样板，检测样板的检测孔横截面外形曲线根据叶素截面的设计外形曲线确定。例如，叶片长4m，展长部分为 3.2m，在距离叶片根部2.2m-2.8m区间外每400mm设置一个样板，在2.2m-2.8m区间内每200mm设置一个检测样板进行采样。在这个实例中，检测样板的外形为1000mm× 300mm的矩形，配合关系请参见图2和图3，为了防止叶片精度较低卡住检测样板，检测样板的检测孔要比测量的叶素尺寸大，即在检测样板与叶片之间应留有缝隙，在这个实例中，该缝隙的设计值为1.5mm，缝隙宽度可用塞尺测量。

检测时，在每个测量点位处沿检测孔外形曲线的法线方向采用塞尺测量检测孔2-1 内壁与叶片1之间的距离，例如，P点是在检测孔上选取的测量点，请参见图4，设P点坐标为(x，y)，该检测孔外形曲线在P点斜率为f'(x)，则该点切线与x轴夹角，由图4可知，该点法线与y轴分量PD之间的角度∠P’PD＝θ，用塞尺测量出检测孔2-1内壁与叶片1之间的距离，也是叶素外形测量曲线和检测孔曲线之间的距离lPP'＝h，则距离的垂直分量lPD＝a＝lPP'·cosθ，水平分量lP'D＝b＝lPP'·sinθ，进而求得叶素外形测量点P’在检测样板坐标下的坐标为 (x-a,y-b)，同理，利用上述方法可以求得叶片上多个测量点的坐标。然后可以利用B样条插值法拟合出叶素外形在参考样板坐标系中的测量曲线。

4)选取一个检测样板2作为参照样板，其他检测样板2作为对比样板，保持参照样板不变，每次选取一个对比样板与参照样板合影，直到完成所有对比样板与参照样板的单独合影，合影的方法为利用图像获取装置垂直叶片轴向拍摄；将盲板固定在叶片的顶部，并使盲板的坐标系与叶素截面坐标系重合，利用图像获取装置垂直叶片轴向拍摄参照样板和盲板的合影；

5)将步骤4)获取的图像，利用canny算法进行边缘处理，请参见图5-1和图5-2，通过参照样板与对比样板的边缘重合情况来确定每个对比样板坐标系与参照样板坐标系之间的转换关系；通过参照样板与盲板的边缘重合情况来确定参照样板坐标系与叶素截面坐标系之间的转换关系。

6)将叶素测量外形曲线从对比样板坐标系中转换至参照样板坐标系中，将叶素设计外形曲线从叶素截面坐标系中转换至参照样板坐标系中。

上述边缘重合情况存在以下两种基本情况以及这两种基本情况的结合，因此存在两种坐标系基本转换关系及其结合和两种曲线基本转换关系及其结合。下面就两种基本情况进行说明：

a)对比样板坐标系和参照样板坐标系相对平移错开，对比样板坐标系相对参照样板坐标系在X轴方向的位移为a，在Y轴方向的位移为b，a、b可以为0。这种情况，参照样板坐标系中的点P(x,y)映射到对比样板坐标系中，映射点P’坐标为(x-a,y-b)，带入曲线方程进行B样条差值，可以得到该叶素测量外形曲线在参考样板坐标系下的曲线。

b)对比样板坐标系与参照样板坐标系的原点重合，对比样板坐标系相对于参照样板坐标系的转角为θ。这种情况，参照样板坐标系中的点P(x,y)映射到对比样板坐标系中，映射点P’坐标为(xsinθ-ycosθ+y/cosθ，xcosθ-ycos²θ/sinθ)，带入曲线方程进行B样条差值，可以得到该叶素测量外形曲线在参考样板坐标系下的曲线。

通过上述步骤a)和/或步骤b)，可以将叶素测量外形曲线和叶素设计外形曲线统一到参考样板坐标系中。

7)在参照样板坐标系中对多个叶素测量外形曲线和多个叶素设计外形曲线一一对应地进行比较，得到多个叶素外形尺寸精度，进而得到叶片外形尺寸精度。

下面通过仿真对上述检测方法进行验证。请参见图6，图6为检测修正前后的叶片在不同攻角下的升阻比，检测修正前的叶片最大升阻比约为100，检测修正后叶片的最大升阻比约为120，升阻比提升了20％。根据该仿真结果可知，上述检测方法准确可靠。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。