四軸視覺坐標測量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究

畢 超 郝 雪 房建國

四軸視覺坐標測量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究

畢 超 郝 雪 房建國

（北京航空精密機械研究所 精密制造技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100076）

針對渦輪葉片氣膜孔的幾何參數(shù)測量難題，基于工業(yè)影像測頭與多軸運動機構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計思想，設(shè)計并研制了一套新型的四軸視覺坐標測量系統(tǒng)，由工業(yè)影像測頭、三坐標測量機、回轉(zhuǎn)工作臺和葉片定位工裝等集成在一起而構(gòu)成。在應(yīng)用過程中，三坐標測量機和回轉(zhuǎn)工作臺分別用于實現(xiàn)工業(yè)影像測頭和被測葉片的運動軌跡，而后由工業(yè)影像測頭采集被測氣膜孔的正焦圖像并將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到葉片設(shè)計坐標系中，從而獲得其孔徑以及孔心的三維坐標。最后，應(yīng)用該測量系統(tǒng)對被測葉片前緣部位上的目標氣膜孔進行了10次等精度重復(fù)測量實驗，孔徑的重復(fù)性測量精度≤±10μm，孔心坐標的重復(fù)性測量精度均≤±15μm，然后對一列12個氣膜孔逐個測量，驗證了該測量系統(tǒng)的可行性與功能實現(xiàn)。

三坐標測量機；視覺測量；渦輪葉片；氣膜孔

1 引言

近年來，根據(jù)我國國防現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需要，新一代航空發(fā)動機的效率、推力和推重比等性能指標大幅提升，使得渦輪前的燃氣溫度上升到了1700～1900K，而渦輪葉片材料的耐受溫度僅為1200K，二者之間的差值達到了500K以上，這就給工作在此極端環(huán)境中的渦輪葉片等關(guān)鍵零部件帶來了極大的安全隱患。因此，為了實現(xiàn)此類葉片在高溫高壓下的可靠、穩(wěn)定與長壽命工作，必須對其采取相應(yīng)的防護與冷卻措施。

目前，在發(fā)動機內(nèi)高溫零部件的多種冷卻技術(shù)中，外部氣膜冷卻是一種先進且高效的冷卻手段，通過在燃燒室、整流導(dǎo)向器和高壓渦輪葉片等零部件的表面上開設(shè)一系列孔徑處于0.3～1.2mm、空間分布位置復(fù)雜且數(shù)量為幾十至幾百個的氣膜孔來實現(xiàn)。對于高壓渦輪導(dǎo)向葉片而言，通入其內(nèi)腔的冷卻介質(zhì)在完成腔內(nèi)沖擊對流后，會從分布于葉片表面上的眾多氣膜孔中噴射出來，而后在燃氣壓力與摩擦力的作用下，冷卻介質(zhì)將貼附于葉片表面而形成一層薄的冷卻氣膜，從而達到冷卻和保護渦輪葉片免遭高溫高壓燃氣流破壞的目的。為了最大限度地發(fā)揮出外部氣膜冷卻技術(shù)的降溫與防護效果，需要使加工出的氣膜孔符合設(shè)計文件的要求，因而需要實現(xiàn)對氣膜孔的實際孔徑與空間位置等形位參數(shù)的檢測與控制，而這一直以來都是制孔過程中的測量難點。

在國內(nèi)，為了提高渦輪葉片類零件的質(zhì)量檢測水平，很多研究人員在多軸運動系統(tǒng)與光學(xué)測量技術(shù)方面開展了積極探索。周阿維等參照葉片磨床機構(gòu)搭建了立式布局的航空葉片四軸測量系統(tǒng)，并采用非接觸式與接觸式測量相結(jié)合的復(fù)合傳感技術(shù)，通過一次設(shè)定就可以完成航空葉片的型面測量。李兵等基于復(fù)合式葉片型面測量原理而研制出了一套四坐標測量系統(tǒng)，分別應(yīng)用電感測頭和激光三角法測頭測量葉片的葉根榫頭和葉身型面，并對影響其測量精度的各項幾何誤差進行了分析、提取與補償。鮑晨興等應(yīng)用機器視覺方法并配合四軸運動機構(gòu)，研制出了一套基于工業(yè)CCD的葉片氣膜孔快速檢測系統(tǒng)，對氣膜孔定量檢測技術(shù)與設(shè)備進行了初步探索，尚無法實現(xiàn)孔位置參數(shù)的獲取。

為了應(yīng)對氣膜孔的孔徑與空間位置的檢測難題，本文基于工業(yè)影像測頭與多軸運動機構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計思想，并根據(jù)高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔分布特點，研制出了一套具有“三個平動自由度+一個轉(zhuǎn)動自由度”的新型四軸視覺坐標測量系統(tǒng)，將工業(yè)影像測頭的非接觸、頻響高、輕便靈活和信息豐富等優(yōu)點與常規(guī)三坐標測量機的行程大、定位精確、技術(shù)成熟和通用性強等優(yōu)點結(jié)合在一起，并且增加了回轉(zhuǎn)工作臺（第四軸）以實現(xiàn)多軸測量功能。

2 設(shè)計思想

氣膜孔的實際幾何技術(shù)狀態(tài)是否符合渦輪葉片的冷卻設(shè)計要求，需要由相應(yīng)的測量手段或設(shè)備做出評價和判斷。當前，非接觸式的視覺測量技術(shù)取得了飛速發(fā)展與長足進步，解決了傳統(tǒng)測量方法難以或無法解決的多種問題，在航空航天等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景越來越廣闊。同時，三坐標測量機作為獲取尺寸、形狀和相互位置等數(shù)據(jù)的常規(guī)精密儀器設(shè)備，技術(shù)成熟且通用性強，因而可以通過搭載工業(yè)影像測頭而構(gòu)成新型的視覺或圖像坐標測量系統(tǒng)，用于測量數(shù)據(jù)的快速、精確獲取。

然而，處于固定方位的工業(yè)影像測頭只能獲取到被測物體上的某一部分或某一方位的圖像數(shù)據(jù)，因而僅僅依靠三坐標測量機的三個直線軸無法有效完成處于渦輪葉片上不同方位的氣膜孔的測量任務(wù)。根據(jù)氣流的方向要求，高壓渦輪導(dǎo)向葉片氣膜孔的軸線均位于與葉片積疊軸相垂直的平面內(nèi)，并且呈現(xiàn)為放射狀特征，因而需要在已有的三個直線軸的基礎(chǔ)上再加入一個旋轉(zhuǎn)軸（第四軸）構(gòu)成四軸測量系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)軸的運動來改變工業(yè)影像測頭與被測葉片之間的相對位置與姿態(tài)，使具有不同軸線角度的氣膜孔均能夠進入到工業(yè)影像測頭的視場中以完成測量。在本文中，為了降低整個測量系統(tǒng)的設(shè)計與裝配難度，同時確保軸行程可以充分用于測量任務(wù)，采用了工業(yè)影像測頭的方位固定而高壓渦輪導(dǎo)向葉片能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)位的方式，而這也成為本文對新型四軸視覺坐標測量系統(tǒng)的主導(dǎo)設(shè)計思想。

圖1 系統(tǒng)的組成框圖

基于上述分析，本文采用“三個移動軸+一個旋轉(zhuǎn)軸”的總體結(jié)構(gòu)形式，將三坐標測量機、回轉(zhuǎn)工作臺、葉片定位工裝、工業(yè)影像測頭和照明光源等集成在一起而構(gòu)建出非接觸式的四軸視覺坐標測量系統(tǒng)，其組成框圖如圖1所示。在該系統(tǒng)中，工業(yè)影像測頭安裝在軸的移動末端上，通過、和軸的運動實現(xiàn)其測量軌跡；回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)角范圍為0o～360o，用于根據(jù)被測氣膜孔的軸線角度進行葉片轉(zhuǎn)位；葉片定位工裝則安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，用于被測高壓渦輪導(dǎo)向葉片的裝夾和定位，使葉片積疊軸的方向與軸平行。

在應(yīng)用過程中，還需要將由工業(yè)影像測頭采集到的二維圖像數(shù)據(jù)（單位：pixel）轉(zhuǎn)化為三維物理測量數(shù)據(jù)（單位：mm），并最終轉(zhuǎn)換到此類葉片的設(shè)計坐標系中。因此，本文建立了6個直角坐標系，分別為圖像像素坐標系o-、圖像物理坐標系o-、機器坐標系-、回轉(zhuǎn)臺坐標系O-XYZ、工裝坐標系O-XYZ和葉片設(shè)計坐標系（工件坐標系）-，如圖2所示。而采集到的測量數(shù)據(jù)從二維圖像空間到三維葉片空間的坐標系轉(zhuǎn)換過程為o-→o-→-→O-XYZ→O-XYZ→-。

圖2 系統(tǒng)的6個直角坐標系

3 系統(tǒng)組成

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計思想，應(yīng)用PEARL型三坐標測量機和SGMCS-04C3B11型旋轉(zhuǎn)電機來構(gòu)成該測量系統(tǒng)的機械本體，從而搭建出用于氣膜孔檢測的四軸視覺坐標測量系統(tǒng)，如圖3所示。

PEARL型三坐標測量機為移動橋式結(jié)構(gòu)，各個直線軸的有效運動范圍均為500mm，并且配備了分辨率為0.5μm的高分辨率光柵檢測系統(tǒng)，使整機的重復(fù)定位精度為2.8μm，長度測量的示值誤差為（2.5+3×/1000）μm（為被測長度）。SGMCS-04C3B11型旋轉(zhuǎn)電機為小容量系列的直接驅(qū)動伺服電機，內(nèi)置20位的絕對型編碼器，角度定位精度可以達到1''。

圖3 四軸視覺坐標測量系統(tǒng)

工業(yè)影像測頭是該測量系統(tǒng)的前端傳感器，包括CCD、鏡頭和照明光源。其中，CCD選用Grasshopper3系列高性能面陣相機，該相機采用Sony ICX674型CCD芯片，其分辨率為1920×1440，像元尺寸為4.54μm×4.54μm；鏡頭選用MML-ST系列標準物方遠心鏡頭，其分辨率為11.2μm，景深為0.44mm，放大倍率為3.0×，工作距離為108.3mm；照明光源則采用MCEP型白色LED點光源，其功率為3.0W，可以通過遠心鏡頭上的光源接口直接安裝在鏡頭上，實現(xiàn)均勻的同軸落射照明。

在系統(tǒng)搭建過程中，為了使所獲取的測量數(shù)據(jù)準確、可靠，并且使后續(xù)測量數(shù)據(jù)的坐標變換與處理過程進一步簡化，在將工業(yè)影像測頭通過轉(zhuǎn)接機構(gòu)安裝于三坐標測量機的軸末端后，還需要調(diào)整工業(yè)影像測頭的成像光軸，使其與軸的運動方向平行，以確保成像平面與平面平行；同時，在將回轉(zhuǎn)工作臺安裝于三坐標測量機上后，還需要通過機械調(diào)整與找正而使其旋轉(zhuǎn)軸線處于豎直方位，即與軸平行。

4 實驗與結(jié)果分析

為了檢驗該測量系統(tǒng)的功能和有效性，并探索其在氣膜孔的孔徑與分布位置測量方面的可行性及應(yīng)用效果，以某高壓渦輪導(dǎo)向葉片作為被測對象，對位于其葉身前緣部位上的某一列氣膜孔特征開展了測量實踐，驗證了系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和重復(fù)性測量精度。在測量過程中，通過目標孔拾取、路徑規(guī)劃、自動對焦、圖像處理和坐標轉(zhuǎn)換等步驟獲取到了被測氣膜孔出口表面的直徑和孔心坐標，以此來分別表征該孔的孔徑與分布位置參數(shù)，實驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 實驗現(xiàn)場

首先，將被測葉片裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺上的葉片定位工裝中，在上位機軟件中拾取待測的目標氣膜孔，并根據(jù)其分布特點與測量需求進行葉片與測頭的運動軌跡規(guī)劃，一方面，控制回轉(zhuǎn)工作臺完成葉片轉(zhuǎn)位，使待測氣膜孔朝向測量系統(tǒng)軸的負方向；另一方面，控制三坐標測量機帶動工業(yè)影像測頭向待測孔移動，通過、和軸的運動使整個氣膜孔進入到工業(yè)影像測頭的視場范圍內(nèi)。然后，鎖住軸和軸，通過軸帶動工業(yè)影像測頭在對焦范圍內(nèi)進行小步長移動，同時根據(jù)基于Laplacian算子的自動對焦評價函數(shù)判斷工業(yè)影像測頭的對焦狀態(tài)，最終使工業(yè)影像測頭正確對焦于被測孔出口處的局部表面，采集到細節(jié)最清晰、信息最豐富的氣膜孔正焦圖像，如圖5所示；而后經(jīng)過中值濾波、閾值分割、特征識別和邊緣檢測等圖像處理步驟提取出氣膜孔邊緣上的全部像素，并對這些像素進行基于最小二乘法的圓周擬合，得到圖像像素坐標系o-ij下的孔徑和孔心坐標，如圖6所示；最后，通過像素尺寸當量（1.5μm/pixel）換算將像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以mm為單位的物理測量數(shù)據(jù)，并進一步將其經(jīng)由機器坐標系等轉(zhuǎn)換到葉片設(shè)計坐標系中，獲得孔的直徑以及孔心在中的三維空間坐標，二者分別用于表征被測氣膜孔的孔徑與空間位置參數(shù)，完成氣膜孔形位參數(shù)的檢測任務(wù)。

圖5 被測氣膜孔的正焦圖像

圖6 孔徑與孔心坐標計算

按照以上步驟，本文選取位于該葉片前緣部位上的某一列氣膜孔作為被測對象。首先，為了驗證系統(tǒng)的重復(fù)性測量精度，對該列氣膜孔中的第一個孔的孔徑和孔心坐標等精度連續(xù)測量10次，所得測量結(jié)果如表1所示。

表1 該列上第一個孔的測量結(jié)果

假設(shè)實驗過程中的單次測量誤差服從正態(tài)分布，通過對表1中的數(shù)據(jù)進行計算可知，對于該氣膜孔來說，孔徑的測量結(jié)果的平均值為0.815mm，標準差為2.3μm，則孔徑的單次測量極限誤差為±6.9μm（取置信系數(shù)為3）；孔心坐標（，，）的測量結(jié)果的平均值為（28.990，-6.720，268.610），其中，、和坐標分量的標準差分別為4.3m、4.1m和4.2m，則單次測量的極限誤差分別為±12.9μm、±12.3μm、±12.6μm。同時，孔徑與孔心坐標的測量結(jié)果處于各自極限誤差范圍內(nèi)的概率為99.73%。根據(jù)此類氣膜孔特征的形位參數(shù)檢測要求，該測量系統(tǒng)能夠達到的重復(fù)性精度水平可以滿足使用需求。

然后，通過規(guī)劃的運動軌跡對該列上沿著葉片設(shè)計坐標系的軸方向等間距分布的12個氣膜孔逐個進行測量，所得結(jié)果如表2所示。

表2 12個氣膜孔的測量結(jié)果

5 結(jié)束語

根據(jù)視覺測量與多軸運動原理，基于三坐標測量機、回轉(zhuǎn)工作臺、工業(yè)影像測頭和葉片定位工裝等搭建了一套非接觸式的新型四軸視覺坐標測量系統(tǒng)，并進行了系統(tǒng)功能的實驗驗證，以在渦輪葉片氣膜孔特征的幾何技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控方面開展積極實踐與探索。在應(yīng)用過程中，通過三坐標測量機的運動實現(xiàn)工業(yè)影像測頭的測量軌跡，并由回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)被測葉片的轉(zhuǎn)位，使具有不同軸線角度的氣膜孔均能進入到工業(yè)影像測頭的視場中；再由工業(yè)影像測頭對準并采集被測氣膜孔的正焦圖像，最后經(jīng)由圖像處理、最小二乘擬合與坐標系轉(zhuǎn)換等步驟獲取被測孔的孔徑與孔心坐標，實現(xiàn)了預(yù)定功能，并且重復(fù)性測量精度可以滿足此類氣膜孔特征的檢測任務(wù)需求，因而可以作為一項氣膜孔特征的形位參數(shù)的檢測技術(shù)解決方案。

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Design and Application of the Four-axis Vision Coordinate Measuring System for Film Cooling Holes

Bi Chao Hao Xue Fang Jianguo

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Precision Manufacturing Technology, Beijing Precision Engineering Institute for Aircraft Industry, Beijing 100076)

For the difficulties in geometrical parameters measurement of those film cooling holes on turbine blades, a new-type four-axis vision coordinate measuring system based on the design concept of combination of industrial camera and multi-axis motion mechanism was established in the paper, which was integrated by an industrial camera, coordinate measuring machine, turntable and special fixture of blade, etc. In the application procedure, coordinate measuring machine was used to realize the moving track of the industrial camera, while turntable to realize the rotation of the measured blade. And then, the focused image data collected by the camera were transformed from the image coordinate system to the blade coordinate system, in which the diameter and 3D coordinates of the measured hole would be derived. Finally, the target hole on the leading edge of a turbine blade was measured 10 times by the system, in which the repeatability accuracy of the diameter and 3D coordinates were smaller than ±10μm and ±15μm respectively. Also, a row of film cooling holes on the blade were measured to derive their parameters, which verified the feasibility and functions of the system.

coordinate measuring machine；vision measurement；turbine blades；film cooling holes

V232.4，TB921

A

基礎(chǔ)性軍工科研院所穩(wěn)定支持項目（K020VA01）。

畢超（1987），高級工程師，儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：精密測試技術(shù)及儀器。

2021-05-19