基于結(jié)構(gòu)光的葉片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

Research of automatic measurement system aiming at blades based on structured light

鄧珍波，殷　鳴，向召偉，陳俊宇，殷國(guó)富

DENG Zhen-bo, YIN Ming, XIANG Zhao-wei, CHEN Jun-yu, YIN Guo-fu

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

?

基于結(jié)構(gòu)光的葉片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

Research of automatic measurement system aiming at blades based on structured light

鄧珍波，殷鳴，向召偉，陳俊宇，殷國(guó)富

DENG Zhen-bo, YIN Ming, XIANG Zhao-wei, CHEN Jun-yu, YIN Guo-fu

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

摘 要：針對(duì)三坐標(biāo)檢測(cè)葉片型面時(shí)成本高、檢測(cè)輪廓有限，以及光學(xué)掃描檢測(cè)時(shí)難以快速、自動(dòng)、完整掃描的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于結(jié)構(gòu)光掃描儀的葉片自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。PCI運(yùn)動(dòng)控制卡作為上位運(yùn)動(dòng)控制器，帶細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力元件，完成了三自由度的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)搭建和葉片掃描檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理的掃描規(guī)劃高效地完成了整個(gè)葉片的掃描，并依托點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)葉片三維逆向重構(gòu)與檢測(cè)。對(duì)比結(jié)構(gòu)光學(xué)檢測(cè)與三坐標(biāo)的截面輪廓檢測(cè)精度，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速地獲取檢測(cè)模型并準(zhǔn)確地完成整個(gè)葉片精度檢測(cè)，提高了效率，降低了成本。

關(guān)鍵詞：逆向工程；葉片；結(jié)構(gòu)光；自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)；掃描規(guī)則

0 引言

葉片作為汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備的關(guān)鍵零部件，需求量大、型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工與檢測(cè)難度大，如何高效制造出大量符合要求的葉片是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。葉片型面是空間異形曲面，高效準(zhǔn)確地檢測(cè)葉片十分重要[1,2]。當(dāng)前常用的葉片檢測(cè)方法有標(biāo)準(zhǔn)樣板法、大型投影儀測(cè)量法、葉片自動(dòng)繪圖測(cè)量法[3]、工業(yè)CT測(cè)量法[4]、光學(xué)掃描儀法[5～7]和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machine，CMM）測(cè)量法[8]。樣板法在汽輪機(jī)等葉片的粗加工中應(yīng)用比較廣泛，成本低且操作簡(jiǎn)單直觀，但樣板靠拋光工人手工打磨，不能滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)葉片越來(lái)越高的要求?；诠I(yè)CT的測(cè)量方法成本較高，測(cè)量效率較低，且操作比較繁瑣。CMM測(cè)量法測(cè)量精度高、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高，適用于葉片的終檢，但成本較高、檢測(cè)輪廓有限。光學(xué)掃描包含激光掃描和光柵式掃描，能夠掃描得到整個(gè)模型表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到全尺寸偏差。但合理規(guī)劃掃描路徑以便自動(dòng)獲取模型完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)是一個(gè)難題，且獲取的點(diǎn)云中存在噪聲點(diǎn)，會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響。隨著科技的發(fā)展，對(duì)葉片的精度檢測(cè)對(duì)葉片的精度檢測(cè)要求越來(lái)越高，從傳統(tǒng)的二維截面輪廓誤差逐漸升級(jí)為三維全尺寸誤差，對(duì)葉片的檢測(cè)提出了一系列要求，主要體現(xiàn)在：1）測(cè)量精度要求嚴(yán)苛，要求達(dá)到納米級(jí)；2）測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化與智能化，要求能夠一鍵式操作出檢測(cè)報(bào)表；3）二維輪廓檢測(cè)向三維全尺寸測(cè)量過(guò)度。逆向工程是一種從產(chǎn)品獲取對(duì)應(yīng)數(shù)字模型，依據(jù)反求模型對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、精度檢測(cè)等后續(xù)操作的方法[9,10]。針對(duì)葉片檢測(cè)中存在的一些問(wèn)題，本文以葉片為對(duì)象，以結(jié)構(gòu)光三維掃描儀（ATOS）為工具，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)，結(jié)合逆向模型與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字模型比對(duì)生成零件全尺寸誤差云圖。

1 自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文完成葉片三維模型的逆向重構(gòu)，需實(shí)現(xiàn)無(wú)死角掃描拍攝來(lái)獲取整個(gè)葉片型面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如圖1所示，針對(duì)不同型號(hào)的葉片，要完整地掃描完葉根、外弧、內(nèi)弧、進(jìn)氣邊、出氣邊和葉根等關(guān)鍵部分，需要對(duì)葉片進(jìn)行多角度拍攝。文章采用ATOS Core 200，掃描范圍為200mm×150mm×150mm，至少設(shè)計(jì)三個(gè)自由度才能夠?qū)崿F(xiàn)完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

圖1　葉片結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

分析葉片結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)具有三個(gè)自由度的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。如圖2所示，三個(gè)運(yùn)動(dòng)分別為掃描儀移動(dòng)、掃描儀擺動(dòng)、葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。掃描儀的豎直上下移動(dòng)動(dòng)力源為帶剎車的86步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)部分選用同步帶，相對(duì)伺服電機(jī)與絲杠傳動(dòng)成本較低，又能夠保證掃描時(shí)的定位精度。掃描儀的小幅擺動(dòng)依靠帶減速器的57步進(jìn)電機(jī)，既增強(qiáng)了電機(jī)的載荷特性，又可實(shí)現(xiàn)小角度的擺動(dòng)。葉片掃描時(shí)靠電磁吸盤固定。吸盤固定在自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)由57步進(jìn)電機(jī)匹配蝸桿蝸輪加工完成。

圖2　結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

1.2 控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的準(zhǔn)確控制，以及實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，選用基于PC+PCI運(yùn)動(dòng)控制卡的上位控制方式。PC機(jī)選用win7 32位系統(tǒng)、CPU為Intel(R) Core(TM) i5-4440、內(nèi)存8GB；PCI運(yùn)動(dòng)控制卡選用樂(lè)創(chuàng)的MPC08卡，可控制四軸運(yùn)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)，最大脈沖頻率可以達(dá)到2MHz。采用C++語(yǔ)言在MFC平臺(tái)上編制控制面板，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，如圖3所示。該控制平臺(tái)可以根據(jù)不同的掃描葉片調(diào)整各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)人工個(gè)性化掃描與自動(dòng)化智能掃描。

圖3　控制系統(tǒng)

2 掃描逆向

文中采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)，掃描頭由左右兩臺(tái)高分辨率CCD工業(yè)相機(jī)和投射鏡頭組成。掃描頭上的投影裝置將抗干擾能力較強(qiáng)的藍(lán)光投影到被測(cè)葉片表面，根據(jù)葉片表面輪廓高度的變化，投影光柵發(fā)生不同程度變形，具有不同姿態(tài)與視角的左右兩臺(tái)高分辨率CCD相機(jī)同時(shí)攝取圖像。結(jié)合相移與灰度編碼技術(shù)，解決規(guī)則的光柵圖像受到物體表面高度的調(diào)制而發(fā)生變形所造成的兩幅圖像上空間點(diǎn)的對(duì)應(yīng)問(wèn)題, 并通過(guò)兩臺(tái)相機(jī)的三角交匯快速獲得形體的三維坐標(biāo)信息?？焖佾@取葉片零件的完整掃描數(shù)據(jù)并擬合成所需要的三角面片(STL)模型，是基于逆向工程的葉片全尺寸檢測(cè)的關(guān)鍵。

圖4　結(jié)構(gòu)光掃描原理

2.1 點(diǎn)云掃描

根據(jù)葉片大小與形狀，本自動(dòng)化掃描系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)獲取完整的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于葉片大小不一、形狀復(fù)雜、葉冠和葉根完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取難度較大，掃描拍攝時(shí)需調(diào)整掃描儀與葉片之間的相對(duì)位置。規(guī)劃掃描路徑時(shí)，為了兼顧掃描過(guò)程的快速性和完整性，將整個(gè)掃描劃分為三個(gè)部分，如圖5所示：初步快速軸向整體掃描，完成葉片大部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲??；葉冠補(bǔ)充掃描則是高效完善初步掃描時(shí)未能獲取的葉冠數(shù)據(jù)；葉根補(bǔ)充掃描補(bǔ)全葉根死角處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高檢測(cè)精度。

2.2 逆向擬合

經(jīng)掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含噪聲點(diǎn)，去除噪點(diǎn)得到葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將計(jì)算所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面封裝。首先把鄰域點(diǎn)集投影到擬合平面上，化三維為二維，計(jì)算局部平面正則三角化；然后從局部三角化出發(fā)構(gòu)造全局三角化，從而用三角曲面擬葉片STL模型；最后將生成的葉片模型與參數(shù)模型對(duì)比得到制造偏差。

圖5　葉片掃描流程

3 檢測(cè)分析

葉片檢測(cè)的主要指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)截面輪廓的弦長(zhǎng)、進(jìn)氣邊邊界圓半徑、出氣邊邊界圓半徑、最大厚度值等參數(shù)。如圖6(a)、圖6(b)分別為距離葉根底面70.2600mm、26.9100mm兩個(gè)截面輪廓的偏差值。從圖中可知，四項(xiàng)主要參數(shù)偏差值都控制在50μm范圍內(nèi)，具有較高的精度。對(duì)比分析三坐標(biāo)檢測(cè)與基于結(jié)構(gòu)光柵兩種檢測(cè)方法，如表1所示：三坐標(biāo)檢測(cè)時(shí)截面Z=70.2600mm處最大截面厚度為4.1600mm、Z=26.9100mm處最大截面厚度為5.9858mm，結(jié)構(gòu)光掃面檢測(cè)時(shí)Z=70.2600mm處最大截面厚度為4.1405mm、Z=26.9100mm處最大截面厚度為5.9900mm，最大截面厚度差值分別為0.0205mm和0.0158mm，測(cè)量差異都在5%以內(nèi)。

圖6　截面輪廓檢測(cè)

隨著技術(shù)的不斷提高，對(duì)葉片的檢測(cè)要求也不斷苛刻，簡(jiǎn)單的截面輪廓檢測(cè)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)和使用要求。如圖7所示，根據(jù)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)反求出葉片數(shù)字模型，與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型進(jìn)行對(duì)比，得到葉片三維全尺寸偏差，可以更加全面地分析葉片的加工制造精度。由于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模建模時(shí)沒(méi)進(jìn)行圓角設(shè)計(jì)，在對(duì)比分析時(shí)出現(xiàn)較大偏差，屬于正常范圍。葉身部分偏差值達(dá)到了0.13mm，誤差值較大，該葉片加工時(shí)精度較低?；诮Y(jié)構(gòu)光的空間三維尺寸檢測(cè)，得到葉片任意空間位置處的偏差值，并且以彩圖的形式表示出數(shù)值大小，直觀形象。

表1　不同檢測(cè)方法對(duì)比

圖7　全尺寸檢測(cè)

4 結(jié)論

本文針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)不同型號(hào)的葉片開(kāi)發(fā)了一套基于結(jié)構(gòu)光柵的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面提供了掃描參數(shù)設(shè)置接口，能夠根據(jù)不同型號(hào)葉片規(guī)劃智能檢測(cè)路徑，實(shí)現(xiàn)葉片高效準(zhǔn)確的掃描與逆向建模。制定好特定型號(hào)葉片的掃描規(guī)程，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片快速檢測(cè)，降低人為因素造成的干擾。相比三坐標(biāo)檢測(cè)方式，結(jié)構(gòu)光柵檢測(cè)技術(shù)將二維檢測(cè)擴(kuò)展到了三維空間，掃描精度與三坐標(biāo)精度相近，可以求出視角范圍內(nèi)任意位置的加工制造偏差，進(jìn)一步提高了葉片的使用性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chang H, Lin A C. Automatic inspection of turbine blades using a 3-axis CMM together with a 2-axis dividing head[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2005,26(7-8):789-796.

[2] Wu H, Li D,Chen X, et al. Rapid casting of turbine blades with abnormal film cooling holes using integral ceramic casting molds[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2010,50(1-4):13-19.

[3] 藺小軍,單晨偉,王增強(qiáng),等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng).2012(01):125-131.

[4] Li Y, Gu P. Free-form surface inspection techniques state of the art review[J].Computer-Aided Design. 2004,36(13):1395-1417.

[5] 徐紅兵,任乃飛.ATOS流動(dòng)式光學(xué)掃描儀的工作原理與系統(tǒng)標(biāo)定[J].工具技術(shù).2006,40(9):81-84.

[6] Lee K H, Park H. Automated inspection planning of free-form shape parts by laser scanning[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.2000,16(4):201-210.

[7] Cheng Y, Wang L,Zhu Z, et al. Geometric analysis of investment casting turbine blades based on digital measurement data[J]. CHINA FOUNDRY. 2014,11(1):20-27.

[8] 康敏,徐家文.用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)整體葉輪葉片型面誤差[J].工具技術(shù),2002(08):55-57.

[9] 金濤,陳建良,童水光.逆向工程技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程. 2002(16):86-92.

[10] Zhang D H, Jiang R S, Li J L, et al. Cavity optimization for investment casting die of turbine blade based on reverse engineering[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2010,48(9-12):839-846.

作者簡(jiǎn)介：鄧珍波（1988 -），男，四川自貢人，碩士研究生，研究方向?yàn)樵霾闹圃臁?/p>

基金項(xiàng)目：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014GZ0114；2015GZ0012；2014GZ0054；2015GZ0025）

收稿日期：2015-09-23

中圖分類號(hào)：TH164

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0012-04