氣膜孔軸線方向的視覺測量技術(shù)研究

畢 超，張 超，樊楚一，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）

1 引 言

在航空領(lǐng)域，發(fā)動機是飛機推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，被譽為飛機的“心臟”，對于整架飛機的重要性不言而喻。 進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著我國新型飛機性能指標(biāo)的不斷提升，對航空發(fā)動機的綜合性能提出了更高的要求，需要著力提高其推力、效率、推重比和渦輪進(jìn)口溫度等技術(shù)指標(biāo)，這就進(jìn)一步加劇了某些重要熱端零部件工作環(huán)境的惡劣程度。例如，對于推重比為10 的發(fā)動機而言，其渦輪進(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到了1900 K，使得在應(yīng)用單晶高溫合金作為高壓渦輪葉片材料的同時，還必須采取一定的冷卻措施來確保此類葉片的高溫性能。

目前，利用從壓氣機引來的冷卻氣流進(jìn)行開式冷卻，是發(fā)動機內(nèi)高壓渦輪葉片等熱端零部件的重要冷卻方式，包括氣膜冷卻、對流冷卻、沖擊冷卻和發(fā)散冷卻等多種形式。 其中，氣膜冷卻是一種有效且應(yīng)用廣泛的降溫與防護(hù)手段，于上世紀(jì)70年代開始在航空發(fā)動機中的渦輪葉片、燃燒室和噴管等上使用，其原理是在渦輪葉片等熱端零部件的表面開設(shè)一系列數(shù)量多、孔徑?。é?.2 mm 到Φ1.2 mm）、分布離散、方向不同的氣膜孔，使冷卻氣流在葉片內(nèi)部的冷卻通道中經(jīng)換熱流動后，從這些氣膜孔中以一定的角度或方向噴射出來，而后在主流燃?xì)鈮毫腿~片表面粘性力的共同作用下，沿著葉片表面形成一層溫度較低的冷卻氣膜并向后流動，以阻止高溫高壓燃?xì)饬髋c渦輪葉片之間的流動和輻射換熱，從而實現(xiàn)對工作狀態(tài)下渦輪葉片的冷卻和降溫，使其達(dá)到最佳的溫度場分布。 因此，氣膜孔的軸線角度或方向等結(jié)構(gòu)參數(shù)會直接影響到氣膜冷卻效果，為了確保氣膜孔的加工精度，迫切需要通過一定的測量手段獲取氣膜孔的實際幾何狀態(tài)。

目前，國內(nèi)尚未有專用、工程化的氣膜孔測量設(shè)備，但為了提高批量氣膜孔的加工質(zhì)量，相關(guān)科研人員已經(jīng)在氣膜孔檢測方法與設(shè)備方面開展了諸多研究與探索。 隋鑫等針對微孔加工過程中的質(zhì)量控制問題，基于多傳感器技術(shù)，研究了將CCD成像單元與光纖觸測單元集成到坐標(biāo)測量機系統(tǒng)上，對微孔幾何參量進(jìn)行測量的理論和方法，通過光纖探針接觸微孔內(nèi)壁并由CCD 采集探針與微孔的相對位置關(guān)系圖像，來實現(xiàn)接觸點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取，但該方法尚未應(yīng)用于氣膜孔參數(shù)測量。 鮑晨興等針對氣膜孔軸線方向和直徑的測量問題，應(yīng)用工業(yè)CCD 和四軸運動機構(gòu)搭建出了一套氣膜孔專用視覺檢測系統(tǒng)，并選取被測葉片上的兩列氣膜孔開展了測量試驗，孔軸線角度的測量精度為±0.5°，孔徑的測量精度為±0.05 mm，初步探索了氣膜孔的定量檢測技術(shù)及設(shè)備形式。 趙圓圓等基于光場成像原理，應(yīng)用工業(yè)級單色光場相機探索了光場成像快速測量技術(shù)在氣膜孔三維檢測上的應(yīng)用，該技術(shù)可以從一次拍攝得到的單張原始光場圖像中計算得到氣膜孔的3D 點云數(shù)據(jù)，而實際葉片上氣膜孔幾何參數(shù)的檢測結(jié)果初步表明了該技術(shù)應(yīng)用于氣膜孔三維測量的可能性。

本文針對高壓渦輪導(dǎo)向葉片上氣膜孔的軸線方向測量難題，基于視覺測量原理，在常規(guī)三坐標(biāo)測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，一方面，將原有的接觸式探頭替換為非接觸式的工業(yè)相機，并增加雙軸位置轉(zhuǎn)臺以搭建出新型的五軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)；另一方面，采用景深合成技術(shù)實現(xiàn)了氣膜孔形貌的三維重建，并進(jìn)一步將工業(yè)相機獲取到的圖像序列轉(zhuǎn)化為孔壁的三維物理點云數(shù)據(jù)，最后通過序列圓心坐標(biāo)數(shù)據(jù)的最小二乘擬合解算，得到了被測氣膜孔的軸線矢量。

2 氣膜孔的結(jié)構(gòu)特征

在航空發(fā)動機中，高壓渦輪導(dǎo)向葉片是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的重要熱端零件之一，位于高壓渦輪工作葉片前方，其外型結(jié)構(gòu)包括葉身、外緣板和內(nèi)緣板等，而內(nèi)型結(jié)構(gòu)主要由擾流柱、橫向肋和縱向肋構(gòu)成，如圖1 所示。 根據(jù)發(fā)動機內(nèi)部的氣流方向要求，分布于此類葉片上的氣膜孔，通常表現(xiàn)為密集、離散、數(shù)量多、直徑小且空間位置復(fù)雜的特點，并且大多沿著葉身方向呈一定間距排列，而且每排孔的軸線方向也不盡相同。 目前，氣膜孔通常設(shè)計成圓柱孔型，并采用電火花法、飛秒激光法和電化學(xué)法等特種方式加工而成。 受這些特種加工方式的材料去除原理限制，在從葉片外表面的制孔點位向葉片內(nèi)腔進(jìn)行制孔時，會造成所加工出來的氣膜孔并非理想的圓柱孔型，而是在一定程度上呈現(xiàn)為外大里小的“圓錐孔型”。

圖1 高壓渦輪導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Structure diagram of high?pressure turbine guide blade

氣膜冷卻的效率高低與效果好壞，關(guān)鍵在于氣膜孔的形狀、尺寸、方向與布局，而目前大多數(shù)的氣膜孔為圓柱孔型，其冷卻功效在很大程度上取決于孔徑、軸線方向和分布位置等幾何參數(shù)。 其中，軸線方向可以由孔軸線的角度來表征，通常定義為孔軸線與葉片設(shè)計坐標(biāo)系o－xyz 的z 軸之間的夾角γ和其在xoy 面上的投影與x 軸之間的夾角α，也可以通過在o－xyz 下的孔軸線矢量或孔軸線所在直線的單位方向向量（l，m，n）來表示，如圖2 所示。氣膜孔的軸線方向決定著內(nèi)部冷卻氣流在其出口處的噴射方向，不同的軸線方向會使主流燃?xì)鈱鋮s氣流產(chǎn)生不同程度的阻塞效應(yīng)，即冷卻氣流從氣膜孔中噴出后，在加速流動的主流燃?xì)獾臄D壓作用和葉片表面粘性力的共同作用下，會逐漸向葉片型面偏轉(zhuǎn)，同時主流燃?xì)獾牧鲃右矔焕鋮s氣流所阻擋而向側(cè)向和上、下方偏轉(zhuǎn)，這樣就使得冷卻氣流貼附于葉片表面而形成一層溫度較低的薄層冷卻氣膜包覆，從而阻隔高溫高壓燃?xì)饬鲗Ω邏簻u輪導(dǎo)向葉片的沖擊和傳熱。 研究表明，氣膜孔的軸線方向會直接影響到冷卻氣膜的流場分布、貼附效果、流動特性和冷卻效率等。 因此，確保氣膜孔的成型幾何精度對于提高葉片冷卻效率與發(fā)動機效能至關(guān)重要。

圖2 氣膜孔軸線方向的示意圖Fig．2 Diagram of the axis direction of film cooling hole

3 軸線方向測量原理

針對高壓渦輪導(dǎo)向葉片上氣膜孔的軸線矢量或方向測量需求，本文基于視覺測量原理，將非接觸式的工業(yè)相機與多軸運動系統(tǒng)集成在一起，從而形成新型的五軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)。 其整體架構(gòu)如圖3 所示，主要由三軸移動平臺、雙軸位置轉(zhuǎn)臺、葉片專用夾具、姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)、工業(yè)相機、遠(yuǎn)心鏡頭和照明光源構(gòu)成。 工業(yè)相機通過姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)安裝在三軸移動平臺的Z 軸末端上，與遠(yuǎn)心鏡頭、照明光源共同構(gòu)成測量系統(tǒng)的前端傳感器，并且其光軸方向固定且平行于X 軸，可以實現(xiàn)沿X、Y 和Z 軸的單獨移動或聯(lián)動；雙軸位置轉(zhuǎn)臺用于實現(xiàn)高壓渦輪導(dǎo)向葉片與葉片專用夾具繞其B 軸（俯仰軸）和C 軸（方位軸）的旋轉(zhuǎn)，從而改變被測葉片與工業(yè)相機之間的相對位姿，使處于葉身不同方位的氣膜孔均能進(jìn)入到工業(yè)相機的視場范圍內(nèi)。

圖3 測量系統(tǒng)的組成框圖Fig．3 Block diagram of the measuring system

在該系統(tǒng)中，前端傳感器所采集到的原始數(shù)據(jù)為二維圖像（單位：pixel），而要最終獲取到被測物體的三維物理坐標(biāo)（單位：mm），就需要通過數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)從圖像空間到物理空間的轉(zhuǎn)化。因此，針對氣膜孔軸線矢量的提取與計算難題，首先采集被測氣膜孔的圖像序列，而后基于景深合成技術(shù)（depth from focus）重建出氣膜孔的三維形貌特征，并進(jìn)一步將二維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維物理坐標(biāo)數(shù)據(jù)以得到孔壁的三維點云，最后通過最小二乘擬合得到孔軸線的參數(shù)方程，從而解算得到孔軸線的單位方向向量（l，m，n）。

景深合成的思想源于自動對焦技術(shù)，是一種由一系列具有不同對焦位置的圖像恢復(fù)出被測物體三維形貌的方法。 在實現(xiàn)過程中，由運動機構(gòu)帶動工業(yè)相機沿其光軸方向移動，并按照一定步長同步采集被測物體的圖像，同時記錄下工業(yè)相機在采集每幅圖像時的位置或者坐標(biāo)，從而完成對被測物體的軸向掃描并獲得了一系列圖像，稱為“圖像序列”，如圖4 所示。

圖4 圖像序列的獲取過程g．4 Acquisition procedure of the image sequence

由于遠(yuǎn)心鏡頭的景深范圍有限，而且工業(yè)相機僅沿其光軸方向（X 軸方向）運動，因而在所獲得的圖像序列中，每幅圖像均對應(yīng)相同的成像區(qū)域，但卻有著不同的對焦深度。 這就導(dǎo)致被測物體上的每個物點在不同圖像中具有不同的清晰程度，而其中清晰程度最大的那幅圖像即為該物點的正焦圖像，而正焦圖像所對應(yīng)的X 軸位置即為該物點的正焦位置，因而可以用于表征該物點的深度信息。 因此，通過一定的清晰度評價算法與規(guī)定的對焦測度來提取出每幅圖像中清晰成像的那部分像點，并將其二維圖像坐標(biāo)通過像素尺寸當(dāng)量轉(zhuǎn)化為二維物理坐標(biāo)，最后再與其正焦位置進(jìn)行融合，即可得到與該像點所對應(yīng)的物點的三維坐標(biāo)，從而實現(xiàn)被測物體三維點云的創(chuàng)建，而后再對三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以得到所需要的幾何參數(shù)。

4 試驗驗證與結(jié)果分析

為了驗證所提出的氣膜孔軸線矢量測量方法的可行性和有效性，以某型高壓渦輪導(dǎo)向葉片為被測物體，對分布于其前緣部位上的目標(biāo)氣膜孔開展測量實踐。 該孔的孔徑基本尺寸為Φ0.8 mm，下偏差為0，上偏差為＋0.10 mm，要求軸線角度控制在±1°范圍內(nèi)。 在如圖5 所示的氣膜孔五軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)中，三軸移動平臺采用PEARL 系列移動橋式三坐標(biāo)測量機實現(xiàn)，X、Y 和Z 軸的行程均為500 mm，光柵尺分辨率均為0.5 μm，整機重復(fù)定位精度為2.8 μm；雙軸位置轉(zhuǎn)臺的B 軸轉(zhuǎn)角范圍為－90°～90°，C 軸轉(zhuǎn)角范圍為0°～360°，并且各軸的回轉(zhuǎn)誤差均不大于±2″；工業(yè)相機選用Grasshopper3系列數(shù)字面陣相機，像元數(shù)目為1920 ×1440，像元尺寸為4.54 μm ×4.54 μm；遠(yuǎn)心鏡頭選用MML?HR 系列高質(zhì)量遠(yuǎn)心鏡頭，放大倍率為4.0 ×，景深為0.09 mm，工作距離為65 mm。

圖5 氣膜孔五軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)Fig．5 Five?axis vision coordinate measuring system for film cooling holes

在試驗過程中，首先在上位機軟件中進(jìn)行測量軌跡規(guī)劃。 一方面，控制雙軸位置轉(zhuǎn)臺的B 軸和C軸帶動高壓渦輪導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)動，使被測氣膜孔朝向工業(yè)相機，并使其理論軸線處于與測量系統(tǒng)X 軸平行的方位；另一方面，控制三軸移動平臺帶動工業(yè)相機對準(zhǔn)被測氣膜孔，使工業(yè)相機能夠采集到完整的氣膜孔圖像。 然后，設(shè)置工業(yè)相機的移動范圍與步長，使移動范圍大于被測氣膜孔的軸向深度，控制三軸移動平臺按照給定模式運動，并在移動過程中采集圖像序列，試驗現(xiàn)場如圖6 所示。 在此過程中，工業(yè)相機相對于被測氣膜孔的位置以遞增或遞減的方式不斷發(fā)生變化，這樣就使工業(yè)相機對焦于不同深度的孔壁截面。

圖6 試驗現(xiàn)場Fig．6 Experimental field

最后，通過基于改進(jìn)Prewitt 邊緣檢測算子的清晰度評價算法與規(guī)定的對焦測度，提取出每幅圖像中清晰成像的那部分像點，圖7 為圖像序列中的某一幅圖像以及提取出的處于正焦?fàn)顟B(tài)的像點（黑色部分），呈現(xiàn)為薄的、類似圓環(huán)狀的形態(tài)，將這些像點與該圖像的采集位置進(jìn)行融合，即可恢復(fù)出比較精確的氣膜孔深度信息，從而實現(xiàn)基于景深合成的氣膜孔形貌三維重建。

圖7 清晰像點提取Fig．7 Extraction of focused image points

在試驗過程中，工業(yè)相機沿著X 軸方向的移動范圍為1.5 mm，步長為0.03 mm，順序采集了51 幅圖像以組成對焦圖像序列。 在基于景深合成的三維重建中，以最低面為基準(zhǔn)面，重建出的氣膜孔三維形貌，如圖8 所示。 按照上述方法進(jìn)一步將孔壁部分轉(zhuǎn)化為三維點云數(shù)據(jù)并顯示在空間直角坐標(biāo)系中，如圖9 所示。

圖8 氣膜孔形貌的三維重建Fig．8 3D morphology reconstruction of the film cooling hole

圖9 孔壁的三維點云數(shù)據(jù)Fig．9 3D data cloud of the hole wall……

對從每幅圖像中提取到的環(huán)狀點云均進(jìn)行最小二乘圓擬合以獲取相應(yīng)的圓心坐標(biāo)，從而形成序列圓心坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖10 所示。 對序列圓心坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間直線擬合，并將所得到的擬合直線作為被測氣膜孔的軸線，如圖11 所示。 根據(jù)擬合出的空間直線參數(shù)方程即可得到孔軸線的單位方向向量（l，m，n），從而完成該氣膜孔軸線方向的視覺測量任務(wù)。

圖10 每圈點云的圓心Fig．10 Circle centers of point cloud

圖11 軸線擬合結(jié)果Fig．11 Fitting result of the axis

為了便于觀察和顯示，進(jìn)一步將計算出的軸線方向矢量轉(zhuǎn)化為該矢量與z 軸之間的夾角γ 和其在xoy面上的投影與x 軸之間的夾角α。 對該氣膜孔的軸線方向進(jìn)行10 次重復(fù)性測量，試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 試驗結(jié)果Tab．1 Measuring results

從表1 中可以看出，對于該孔來說，α 和γ 的測量結(jié)果的平均值分別為178.758°和19.946°，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.102°和0.115°，并且重復(fù)性誤差均不大于0.30°，該重復(fù)性精度水平可以滿足此類氣膜孔特征的形位參數(shù)檢測要求，從而為解決氣膜孔軸線方向測量問題提供了參考與解決思路。 在上述試驗過程中，用于氣膜孔軸線方程計算的孔壁三維點云數(shù)據(jù)，其精度水平會受到多種因素的影響，例如，三軸移動平臺的直線定位誤差、雙軸位置轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)定位誤差、工業(yè)相機的姿態(tài)誤差以及圖像處理算法的誤差等，這些誤差都會反映到測量結(jié)果中。 因此，應(yīng)用所獲得的三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行孔軸線參數(shù)方程的最小二乘擬合時，所得到的氣膜孔軸線角度α和γ 與其真實值之間的測量誤差，是這些誤差綜合作用的結(jié)果。

5 結(jié)束語

針對渦輪葉片氣膜孔的軸線方向測量難題，本文將機器視覺技術(shù)與多軸運動技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并搭建了一套非接觸式的新型五軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，并在氣膜孔的軸線角度檢測方面開展了積極實踐與探索。在應(yīng)用過程中，采集被測氣膜孔的圖像序列，并基于景深合成技術(shù)實現(xiàn)了氣膜孔形貌的三維重建，完成了孔壁二維圖像數(shù)據(jù)到三維物理坐標(biāo)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化而得到孔壁三維點云，最后通過對序列圓心坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間直線擬合解算得到了被測氣膜孔的軸線矢量。通過某高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔的軸線方向測量試驗，驗證了方法的可行性與功能實現(xiàn)，軸線角度的重復(fù)性測量誤差不大于0.30°，從而為后續(xù)更深入的技術(shù)研發(fā)和設(shè)備研制提供了解決思路。