航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)三維重建

郭怡

摘 ? 要：為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片焊接修復(fù)高質(zhì)量要求和特殊性，為了實(shí)現(xiàn)焊槍路徑及工藝參數(shù)規(guī)劃，滿足焊接修復(fù)余量小且利于機(jī)械加工的目的;結(jié)合在葉片修復(fù)中通常只有破損葉片的實(shí)物，而沒(méi)有葉片原始的CAD模型的現(xiàn)實(shí)，開展適用于破損葉片的光學(xué)三維檢測(cè)與曲面修復(fù)研究。本文采用微距三維測(cè)量系統(tǒng)獲取葉片表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)自動(dòng)機(jī)械臂平臺(tái)搭載掃描頭對(duì)整個(gè)葉片進(jìn)行掃描，開發(fā)相應(yīng)算法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合為葉片的點(diǎn)云模型，突破葉片三維復(fù)雜曲面快速檢測(cè)與重構(gòu)問(wèn)題，特別是缺損部位曲面的修復(fù)，從而解決焊接修復(fù)時(shí)高精度柔性化問(wèn)題，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：逆向工程 ?三維重建 ?激光測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP18 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0052-02

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的關(guān)鍵部分，在航空航天，汽車，能源，機(jī)械等各領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用[1]。葉片作為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心工作部件，全壽命周期中，發(fā)動(dòng)機(jī)的銷售收入和后期的維修收入分別占總收入的 60%和 40%，且后期維修的利潤(rùn)率更高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)工作，與工質(zhì)（空氣）進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，承受著較大的負(fù)荷，易發(fā)生各種不同程度的損傷，而且損壞率較高。由于葉片造價(jià)昂貴，故大量破損葉片需要焊接修復(fù)。傳統(tǒng)的手工修理方法耗時(shí)且精度低。為提高葉片維修的效率和精度，目前國(guó)際上在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片維修中已大量采用自動(dòng)焊接專用設(shè)備。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作環(huán)境相當(dāng)嚴(yán)酷，需要承受高溫、高壓、高摩擦等，這就對(duì)葉片性能提出了極高的要求，所以在葉片在使用維修過(guò)程中，必須采用高精度的檢測(cè)方法對(duì)葉片進(jìn)行全面而又嚴(yán)格的檢測(cè)以確保葉片缺損修復(fù)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。目前，常用的做法是采用逆向工程建立葉片的三維模型，通過(guò)對(duì)葉片表面的測(cè)量、三維數(shù)據(jù)重構(gòu)獲取高精度的葉片三維模型，根據(jù)葉片曲面的數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)預(yù)估葉片缺損，從而實(shí)現(xiàn)了葉片檢測(cè)[2]。

為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片焊接修復(fù)高質(zhì)量要求和特殊性，為了實(shí)現(xiàn)焊槍路徑及工藝參數(shù)規(guī)劃，滿足焊接修復(fù)余量小且利于機(jī)械加工的目的;結(jié)合在葉片修復(fù)中通常只有破損葉片的實(shí)物，而沒(méi)有葉片原始的CAD模型的現(xiàn)實(shí)，開展適用于破損葉片的光學(xué)三維檢測(cè)與曲面修復(fù)研究，突破葉片三維復(fù)雜曲面快速檢測(cè)與重構(gòu)問(wèn)題（特別是缺損部位曲面的修復(fù)），從而解決焊接修復(fù)時(shí)高精度柔性化問(wèn)題，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 ?總體方案設(shè)計(jì)

由微距三維測(cè)量系統(tǒng)獲取葉片表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)自動(dòng)機(jī)械臂平臺(tái)搭載掃描頭對(duì)整個(gè)葉片進(jìn)行掃描，開發(fā)相應(yīng)算法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合為葉片的點(diǎn)云模型。再對(duì)葉片缺損部位進(jìn)行初步檢測(cè)定位，根據(jù)部位的分類采用不同重構(gòu)方法恢復(fù)葉片原始曲面模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺損部位的精確測(cè)量和定量估計(jì)，總體方案如圖1所示。

2 ?關(guān)鍵內(nèi)容

針對(duì)缺損葉片修復(fù)問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)缺損部分模型的數(shù)學(xué)理論和算法深入研究，提出適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高精度三維測(cè)量方法和葉片曲面重構(gòu)算法，并構(gòu)建光學(xué)測(cè)量和重構(gòu)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)缺損葉片三維測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和點(diǎn)云重構(gòu)，使其能夠自動(dòng)檢測(cè)葉片缺損部位，并預(yù)測(cè)和重構(gòu)原始理想葉片的曲面模型，精確估計(jì)缺損葉片的位置和形態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)缺損葉片的自動(dòng)修復(fù)。

2.1 葉片的微距三維測(cè)量系統(tǒng)和算法

葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集由微距相機(jī)與網(wǎng)格光柵結(jié)構(gòu)光構(gòu)成的掃描器，實(shí)現(xiàn)高精度的葉片局部三維掃描[3]。通過(guò)搭建機(jī)械臂平臺(tái)，搭載掃描器按照一定路徑移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的完整掃描?？赏ㄟ^(guò)在掃描器安裝光學(xué)標(biāo)記點(diǎn)，由安裝在外部的相機(jī)進(jìn)行測(cè)量，以獲得掃描器空間位置，通過(guò)測(cè)量機(jī)械臂活動(dòng)的方式，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行硬件標(biāo)定。實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂控制算法，通過(guò)控制不同自由度關(guān)節(jié)電機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)掃描頭的空間高精度自由移動(dòng)。配合掃描頭空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相鄰幀點(diǎn)云的融合。對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行閉合、漏洞檢測(cè)，研究掃描器路徑的自動(dòng)規(guī)劃和自動(dòng)重掃，實(shí)現(xiàn)模型的自主自動(dòng)掃描功能。

2.2 葉片三維測(cè)量數(shù)據(jù)處理和葉片點(diǎn)云模型重構(gòu)技術(shù)

由三維測(cè)量系統(tǒng)獲得的葉片局部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要注冊(cè)到統(tǒng)一世界坐標(biāo)系下，并拼接為整個(gè)葉片的點(diǎn)云模型以便后續(xù)進(jìn)行葉片曲面模型的重構(gòu)。為了獲得高精度的點(diǎn)云模型，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和平滑等預(yù)處理操作、局部點(diǎn)云之間進(jìn)行高精度的匹配和拼接、對(duì)葉片三維測(cè)量不準(zhǔn)確或匹配拼接失敗的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重新掃描和全局匹配拼接、以及對(duì)點(diǎn)云模型的全局優(yōu)化處理。內(nèi)容包括：三維測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械臂的定位和路徑獲取、點(diǎn)云特征匹配與拼接算法、保持邊界的點(diǎn)云濾波算法、點(diǎn)云模型的閉環(huán)檢測(cè)和增量式更新算法。

2.3 葉片缺損部分曲面模型重構(gòu)技術(shù)

根據(jù)葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)缺損部位進(jìn)行定位和重構(gòu)，需要對(duì)原始理想葉片的曲面模型進(jìn)行估計(jì)。在沒(méi)有葉片原始CAD模型的條件下，從無(wú)缺損區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用葉片的對(duì)稱特性估計(jì)葉片曲面模型，以及從缺損區(qū)域周圍根據(jù)曲面平滑和延伸特性估計(jì)葉片曲面和曲線模型[4]。根據(jù)缺損發(fā)生在葉片上的不同部位，如葉尖、前后緣、葉片和葉背等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類采用不同的重構(gòu)方法。研究?jī)?nèi)容包括：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺損檢測(cè)算法、基于相似性度量的曲面重構(gòu)算法和曲面曲線延伸算法、基于能量最小化平滑和利用細(xì)分曲面重構(gòu)葉片模型、基于截面線的缺損部分曲面重構(gòu)和定量估計(jì)方法、缺損部分的數(shù)據(jù)分類和邊界提取問(wèn)題。

3 ?結(jié)語(yǔ)

對(duì)于破損葉片目前主要采取更換和修復(fù)兩種手段，直接更換新的葉片將會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的壓力，若根據(jù)葉片損傷程度，修復(fù)具備修復(fù)價(jià)值的葉片，則損傷葉片使用壽命可大大延長(zhǎng)，葉片所需更換數(shù)目將減少，整體維修費(fèi)用將大幅降低，獲得很好經(jīng)濟(jì)效益。本文采用微距測(cè)量技術(shù)，對(duì)需要修復(fù)的缺損葉片進(jìn)行三維形貌測(cè)量，獲得葉片三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)缺損葉片三維重構(gòu)，以指導(dǎo)焊接修復(fù)軌跡，從而解決焊接修復(fù)時(shí)高精度柔性化問(wèn)題，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 于之靖，宋四同.基于逆向工程的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片數(shù)字化建模[J].機(jī)床與液壓，2011，39（17）：122-125.

[2] 廖駿.基于線結(jié)構(gòu)光的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片三維形貌測(cè)量技術(shù)研究[D].南昌航空大學(xué)， 2017.

[3] 吳奇.基于結(jié)構(gòu)光與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維重建技術(shù)[D].電子科技大學(xué)，2017.

[4] 董玲，楊洗陳，張海明，等.自由曲面破損零件激光再制造修復(fù)路徑生成[J].中國(guó)激光， 2012，39（7）：1-6.