基于对称性的双叶螺旋桨修复方法

徐白，孟令兵

(南京工业职业技术学院航空工程学院，江苏 南京210023)

基金项目：南京工业职业技术学院科研基金项目（YK17-04-05）；江苏省高校自然科学研究项目（18KJD590002）

作者简介：徐白（1989—），男，助教，硕士，主要研究方向为数字化设计与制造，2017100866@niit.edu.cn.

摘要：对双叶螺旋桨桨叶的破损区域进行修补时，使用一般的缺损修补方法往往精度不够而且会影响桨叶的气动性能。针对该问题，提出一种基于对称性的双叶螺旋桨桨叶修复方法。首先，利用主成分分析法求得旋翼直径轴；然后，将桨叶点云绕直径轴旋转，使用迭代的方法逐步调整旋转角度将桨叶点云投影至二维平面，同时采用平均偏差值计算方法检测二维点云外轮廓的反射对称性，利用反射对称性确定螺旋桨的旋转轴轴向；最后，根据螺旋桨的旋转对称性，构建包围盒检索缺损区域的旋转对称点，若存在旋转对称点，则用其填补缺损区域。对所提方法进行了实验验证，结果表明该方法能实现破损叶片的高精度修复。

关键词：螺旋桨修复；主成分分析；平均偏差；对称性；离散点云

中图分类号：TP391.9   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)01-0030-05

对于涡桨飞机、旋翼无人机而言，螺旋桨有着至关重要的作用。为了满足空气动力学的要求，螺旋桨叶片外形往往是薄且弯曲的自由曲面。螺旋桨叶片长期在高温、高压的环境下高速工作,极易出现损伤。破损的桨叶修复难度大、修理成本高，桨叶修复问题一直被航空领域所关注。在破损桨叶的修复过程中，由于桨叶外形的复杂性，桨叶曲面的技术参数往往很难通过正向的方式得到，需要利用逆向工程技术获取。 

对桨叶修复的研究主要集中在桨叶型面点云的噪点去除、高曲率特征提取、尖锐特征提取等方面。国内研究者已经进行了很多研究。彭志光等［1］利用主成分分析法获得旋翼直径轴向，提出用一种改进的凸包算法提取叶片型面特征参数。Li Wenlong等［2］在双边滤波的基础上提出了一种双边自适应光顺方法，利用信息熵理论将点云根据密度加以划分，用以光顺桨叶型面点云。 Li Jinhua等［3］通过4D Shepard曲面分段提取桨叶破损区域点云，然后使用Bezier曲线重构破损边界点。Wang Hao等［4］提出用一种点云对齐算法摆正螺旋桨点云在坐标系中的位置，用拉伸的方法修复叶尖损伤部位。李启东等［5］提出了一种曲面特征保持的叶片点云精简方法。

国外研究者中，Mohaghegh 等［6］提出从原型设计的角度分析螺旋桨设计意图，用以修正几何造型上的缺陷。 Piya等［7］提出使用高斯映射的方法截取桨叶不同特征截面以重建桨叶模型，但是截取过程需要手工选择截面。Wilson等［8］应用Piya的桨叶重建方法和激光快速成型技术实现了螺旋桨的再制造。

已有的桨叶修复方法主要是从提取其特征截面入手对缺损部位进行处理。当缺损部位位于桨叶前后缘时，由于曲率较大，无法精准地完成修复任务。鉴于此，本文提出一种基于对称性的桨叶修复方法，无需提取桨叶特征截面即可实现桨叶修复。

1桨叶直径的轴向定位

主成分分析法（PCA）是一种统计学上的方法，该方法一般用来处理多维数据，实现数据的降维，在维度降低的同时最大限度地减少高维数据的丢失。在计算过程中，原有数据会被转换为一组新的不相关且正交的数据集，一般把后者称为主成分。主成分分析法在图形图像处理中常被用来估算局部显著特征，例如法向和曲率等。

                                                                               本文截选自《机械设计与制造工程》

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