畢 超，郝 雪，劉孟晨，劉 勇

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

在航空領(lǐng)域中，發(fā)動機(jī)是飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵組成部分，作為一種高速旋轉(zhuǎn)的熱力機(jī)械，它能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而為飛行提供所需的動力[1]。近年來，隨著全新航空航天時代的到來，航空發(fā)動機(jī)日益向著具有更高性能的方向發(fā)展，導(dǎo)致渦輪前燃?xì)鉁囟冗M(jìn)一步提高，甚至已經(jīng)超過了渦輪葉片材料的耐溫極限，這就使直接與高溫高壓燃?xì)庀嘟佑|并且處于燃?xì)饬靼鼑械母邏簻u輪葉片等熱端部件的工作環(huán)境非常惡劣。

因此，在制造高壓渦輪葉片時，為了提高其承溫能力以確保其在高溫高壓下的機(jī)械性能，必須對葉片采取有效的冷卻措施。當(dāng)前，氣膜冷卻技術(shù)由于具有高效的冷卻特性，已經(jīng)成為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)高溫部件的主要冷卻手段之一[2]。所謂氣膜冷卻技術(shù)，即在葉片的葉身型面和緣板等部位設(shè)計大量的孔徑微小、角度各異、分布不均的冷卻氣膜孔(以下簡稱“氣膜孔”)，并使冷卻空氣經(jīng)由葉片內(nèi)部的氣體通道和這些氣膜孔到達(dá)葉片表面，從而在葉片表面與燃?xì)饬髦g形成一層冷卻氣膜，以阻隔高溫高壓燃?xì)鈱崃總鬟f給葉片，從而實現(xiàn)對葉片的冷卻和保護(hù)[3]。具體說來，分布于高壓渦輪葉片上的氣膜孔，數(shù)量通常為幾十到幾百個，而且孔徑非常小，大多處于Φ0.3 mm～Φ1.5 mm之間，而深徑比則為1～3[4]。研究表明:氣膜冷卻效果是材料、幾何參數(shù)及其耦合作用在高溫高壓三維非定常流場下的響應(yīng)，與氣膜孔的形狀與位置參數(shù)息息相關(guān)[5]，其中，氣膜孔的分布位置決定了冷卻氣膜的橫向覆蓋寬度和縱向覆蓋長度。因此，為了確保加工出的氣膜孔符合渦輪葉片的設(shè)計要求，從而實現(xiàn)最佳的冷卻效果，必須對氣膜孔的實際幾何技術(shù)狀態(tài)實施監(jiān)控。

為了解決氣膜孔的分布位置等形位參數(shù)的高精高效檢測難題，本文并基于視覺測量與多軸聯(lián)動原理，設(shè)計并搭建出了非接觸式的四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，從而將三坐標(biāo)測量機(jī)的移動范圍大、定位精確和通用性強(qiáng)等優(yōu)點與工業(yè)相機(jī)的非接觸、信息豐富和應(yīng)用靈活等優(yōu)點結(jié)合在一起，并加入了回轉(zhuǎn)臺(第四軸)，以充分應(yīng)對批量氣膜孔的制造質(zhì)量檢測與評價任務(wù)。在該測量系統(tǒng)中，為了將以像素為單位的圖像數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)化為包含物理尺寸信息的實際測量數(shù)據(jù)，需要構(gòu)建出合理的坐標(biāo)系統(tǒng)并確立坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而將不同視角和方位下的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到相同的坐標(biāo)系中，或者將多視角、多方位的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合。陳凱云等提出了BLM001型葉片四坐標(biāo)激光測量儀的準(zhǔn)剛體數(shù)學(xué)建模方法，建立了基準(zhǔn)坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系和葉片坐標(biāo)系等，并確立了相應(yīng)的齊次變換矩陣，實現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償[6]；黃風(fēng)山等研究了智能三坐標(biāo)測量機(jī)視覺系統(tǒng)的在線標(biāo)定技術(shù)，通過引入測頭坐標(biāo)系建立了標(biāo)定數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)由攝像機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，并且標(biāo)定精度在±1 μm之內(nèi)，滿足了工程實際的使用要求[7-8]；王磊等針對四軸非接觸測量機(jī)中的轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系因溫度變化而引起的偏移問題，利用非接觸測頭測量標(biāo)準(zhǔn)棒軸線位置的偏移來得到轉(zhuǎn)臺軸線位置在XOY平面的變化量，從而實現(xiàn)了對測量結(jié)果進(jìn)行XOY平面內(nèi)的實時溫度補(bǔ)償，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[9]。

為了解決高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔特征的分布位置檢測難題，本文針對所搭建的非接觸式四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，開展了圖像空間到葉片空間的坐標(biāo)系建立與轉(zhuǎn)換關(guān)系研究。在測量過程中，本文結(jié)合四軸運(yùn)動系統(tǒng)與工業(yè)相機(jī)的特點，通過建立圖像像素坐標(biāo)系、圖像物理坐標(biāo)系、基準(zhǔn)坐標(biāo)系、回轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系和葉片坐標(biāo)系，并確立這些坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)了將工業(yè)相機(jī)所采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成物理測量數(shù)據(jù)，并最終轉(zhuǎn)換到葉片坐標(biāo)系中，從而為后續(xù)與氣膜孔的設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比對并做出評價奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖1 高壓渦輪導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)特征

1 四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)

高壓渦輪導(dǎo)向葉片是一種特殊的熱端零件，主要由外緣板、葉身和內(nèi)緣板等構(gòu)成，而氣膜孔大多分布于葉身型面和緣板等部位，如圖1所示。加工后的氣膜孔是否符合設(shè)計精度與質(zhì)量控制的要求，需要由相應(yīng)的檢測設(shè)備對其實際狀態(tài)進(jìn)行評定[10]。近年來，隨著測量技術(shù)的進(jìn)步，多種形式的視覺測量手段被引入到了航空航天等領(lǐng)域中，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量手段的局限。以工業(yè)相機(jī)為代表的視覺測量器件不僅具有非接觸式測量方法的效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動靈活和實時性好等優(yōu)點，還具有成本低、操作簡便、可靠性高以及信息豐富等獨特優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場[11]。同時，三坐標(biāo)測量機(jī)具有移動范圍大、定位精確和通用性強(qiáng)等優(yōu)點，可以作為工業(yè)相機(jī)的移動載體，通過三個直線軸的移動來實現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的運(yùn)動軌跡。因此，本文將工業(yè)相機(jī)作為前端傳感器，并將其安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)的Z軸末端，以搭建出新型的視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，從而將先進(jìn)的視覺測量技術(shù)與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量技術(shù)結(jié)合在一起以完成氣膜孔測量數(shù)據(jù)的獲取。將視覺信息引入到三坐標(biāo)測量系統(tǒng)中，一方面充分利用了三坐標(biāo)測量機(jī)的精確性和工業(yè)相機(jī)的柔性，降低成本，節(jié)省時間，并且縮短了產(chǎn)品周期；另一方面也使坐標(biāo)測量更加自動化、智能化，極大地提升了坐標(biāo)測量技術(shù)的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。

同時，根據(jù)高壓渦輪導(dǎo)向葉片上氣膜孔的分布特點與測量需求，單一方位的工業(yè)相機(jī)只能完成某一部分測量數(shù)據(jù)的獲取，而要獲取全部氣膜孔的測量數(shù)據(jù)，還需要在三個直線運(yùn)動軸的基礎(chǔ)上增加一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸(第四軸)，即回轉(zhuǎn)臺。通過回轉(zhuǎn)臺的配合來對處于不同方位的氣膜孔進(jìn)行測量，從而實現(xiàn)全部氣膜孔的檢測，并且提高測量效率。在實際應(yīng)用中，首先通過機(jī)械調(diào)整使回轉(zhuǎn)臺軸線與三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的Z軸相互平行，因而回轉(zhuǎn)臺每旋轉(zhuǎn)到一個角度位置，被測零件上的這一部分測量數(shù)據(jù)只需要經(jīng)過簡單的平移、旋轉(zhuǎn)等坐標(biāo)變換就可以得到該數(shù)據(jù)在旋轉(zhuǎn)之前的數(shù)值[12]。通過回轉(zhuǎn)臺的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，最終可以拼接出被測零件的全部測量數(shù)據(jù)。

基于以上分析，本文應(yīng)用三坐標(biāo)測量機(jī)、回轉(zhuǎn)臺、葉片專用夾具、工業(yè)相機(jī)和鏡頭等搭建了非接觸式的四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，如圖2所示，從而將三坐標(biāo)測量機(jī)的移動范圍大、定位精確和通用性強(qiáng)等優(yōu)點與工業(yè)相機(jī)的非接觸、信息豐富和應(yīng)用靈活等優(yōu)點結(jié)合在一起，并且增加了回轉(zhuǎn)臺以用于被測葉片的轉(zhuǎn)位，能夠為實現(xiàn)氣膜孔的空間位置等形位參數(shù)的非接觸式測量提供依據(jù)，進(jìn)而為解決氣膜孔加工過程中的量值傳遞與溯源難題提供技術(shù)支撐。

在圖2中，測量系統(tǒng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)由X、Y和Z三個直線軸和一個回轉(zhuǎn)軸C構(gòu)成。其中，X、Y和Z軸集成在一起，由三坐標(biāo)測量機(jī)實現(xiàn)；而回轉(zhuǎn)軸單獨布置，由回轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)；被測的高壓渦輪導(dǎo)向葉片則通過葉片專用夾具固定在回轉(zhuǎn)臺上。工業(yè)相機(jī)安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)框架的Z軸末端，因而可以沿著相互垂直的X、Y和Z軸進(jìn)行單獨運(yùn)動或者聯(lián)動，并且實現(xiàn)由X、Y和Z軸構(gòu)成的直角坐標(biāo)系內(nèi)任意一點的精確定位。

圖2 四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)的組成框圖

2 坐標(biāo)系的建立

在所搭建的四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)中，為了便于將以像素為單位的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為包含物理尺寸信息的測量數(shù)據(jù)，并且將不同視角和方位的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系中，或者將多視角、多方位的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合，本文建立了如圖3所示的5個直角坐標(biāo)系，通過這些坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的靈活處理。

圖3 測量系統(tǒng)的5個直角坐標(biāo)系

①圖像像素坐標(biāo)系op-ij，為平面直角坐標(biāo)系，定義了工業(yè)相機(jī)的信號采集過程。該坐標(biāo)系建立在圖像平面上，以圖像的左上角op為原點，并以像素(pixel)為單位，因而坐標(biāo)(i，j)僅表示該像素在圖像上的列數(shù)與行數(shù)，而不包含像素的空間位置信息。

②圖像物理坐標(biāo)系of-uv，為平面直角坐標(biāo)系，也建立在圖像平面上。該坐標(biāo)系以工業(yè)相機(jī)的光軸與圖像平面的交點(圖像主點)of為原點，一般位于圖像中心處，并以毫米(mm)為單位，坐標(biāo)系中的u軸、v軸分別與圖像像素坐標(biāo)系中的i軸、j軸平行。

③基準(zhǔn)坐標(biāo)系O-XYZ，又稱為絕對坐標(biāo)系，為空間直角坐標(biāo)系，以三坐標(biāo)測量機(jī)的各軸光柵尺的絕對零位O為原點，其X、Y和Z軸的方向和尺度分別與三個直線運(yùn)動軸相同，并且遵循右手定則[13]。

④回轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系OR-XRYRZR，為空間直角坐標(biāo)系，以回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心OR為原點，并且固接在回轉(zhuǎn)臺上，隨著回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)[14]。在回轉(zhuǎn)臺的回零位置處，XR、YR和ZR軸的方向分別與X、Y和Z軸平行，并且ZR軸與回轉(zhuǎn)臺軸線重合。

⑤葉片坐標(biāo)系(工件坐標(biāo)系)o-xyz，是葉片的設(shè)計坐標(biāo)系，為空間直角坐標(biāo)系，其原點o位于發(fā)動機(jī)軸線上，而且xoy平面為通過發(fā)動機(jī)軸線的水平面。x軸平行于平均弦線或者發(fā)動機(jī)軸線，并以葉片的排氣邊指向進(jìn)氣邊為正方向；z軸垂直于發(fā)動機(jī)軸線，并以發(fā)動機(jī)半徑增大的方向為正方向；而y軸及其正方向則依據(jù)右手定則由z軸與x軸來確定。

3 坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

為了判斷加工后的氣膜孔是否符合設(shè)計要求，需要建立圖像空間與葉片空間之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而將工業(yè)相機(jī)所采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為物理測量數(shù)據(jù)，并最終轉(zhuǎn)換到葉片坐標(biāo)系o-xyz中，這樣才能與氣膜孔的設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比對以做出評價。如圖4所示，測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程為op-ij→of-uv→O-XYZ→OR-XRYRZR→o-xyz，具體過程如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程

3.1 op-ij→of-uv

首先，將工業(yè)相機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)由圖像像素坐標(biāo)系op-ij轉(zhuǎn)換到圖像物理坐標(biāo)系of-uv中，如圖5所示。設(shè)of在op-ij坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(i0，j0)，每個像素在u軸、v軸上所對應(yīng)的物理尺寸(即像素尺寸當(dāng)量)分別為 du、dv(單位:mm/pixel)。由于u軸和v軸分別與i軸和j軸平行，因而圖像中的任意一個像素在of-uv與op-ij下的坐標(biāo)有如下關(guān)系:

圖5 op-ij與of-uv之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

本文通過工業(yè)相機(jī)的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定過程獲取了du、dv和(i0，j0)的數(shù)值，分別為 1.15 μm/pixel、1.16 μm/pixel和(1 026，770)。 因此，按照上式即可將測量數(shù)據(jù)由圖像像素坐標(biāo)系op-ij轉(zhuǎn)換到圖像物理坐標(biāo)系of-uv中。

3.2 of-uv→O-XYZ

將測量數(shù)據(jù)由圖像物理坐標(biāo)系of-uv轉(zhuǎn)化到基準(zhǔn)坐標(biāo)系O-XYZ中，需要通過標(biāo)定來確定工業(yè)相機(jī)在O-XYZ中的空間方位。設(shè)測量數(shù)據(jù)在O-XYZ中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)，而其在 of-uv中的坐標(biāo)為(u，v)，如圖 6所示，由于u軸和v軸分別與Y軸和Z軸平行，而且圖像平面與X軸垂直，因而二者的轉(zhuǎn)化關(guān)系為:

其中，(o0，u0，v0)為 of-uv的原點 of在 O-XYZ中的三維空間坐標(biāo)，隨著三坐標(biāo)測量機(jī)各軸的運(yùn)動而發(fā)生變化。

圖6 of-uv與O-XYZ之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

3.3 O-XYZ→OR-XRYRZR

在將測量數(shù)據(jù)由基準(zhǔn)坐標(biāo)系O-XYZ轉(zhuǎn)換到回轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系OR-XRYRZR的過程中，設(shè)測量數(shù)據(jù)在O-XYZ中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)，而其在 OR-XRYRZR中的坐標(biāo)為(XR，YR，ZR)，則二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

在上式中，(X0，Y0，Z0)為 OR-XRYRZR的原點OR在O-XYZ中的坐標(biāo)，而θ為回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度，其正方向定義為從原點OR沿著ZR軸正方向觀察時的逆時針旋轉(zhuǎn)方向。

在實際應(yīng)用中，為了簡化后續(xù)測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換過程，本文首先通過機(jī)械調(diào)整使回轉(zhuǎn)臺的軸線處于豎直方位，即使其與三坐標(biāo)測量機(jī)的Z軸相互平行，則此時回轉(zhuǎn)軸線在基準(zhǔn)坐標(biāo)系O-XYZ中的單位方向向量被確定為(0，0，1)。而后采用了定制的長方體標(biāo)定塊，并通過回轉(zhuǎn)臺與三坐標(biāo)測量機(jī)之間的配合，使工業(yè)相機(jī)對焦于標(biāo)定塊的表面并采集其鋒利棱邊的圖像，而后再通過邊緣提取、像素距離計算、物理距離轉(zhuǎn)化和代數(shù)運(yùn)算等步驟，最終確定了OR-XRYRZR的原點 OR在 O-XYZ 中的坐標(biāo)(X0，Y0，Z0)。

3.4 OR-XRYRZR→o-xyz

最后，再將測量數(shù)據(jù)由回轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系 ORXRYRZR轉(zhuǎn)換到葉片坐標(biāo)系o-xyz中，設(shè)RXR、RYR和RZR分別為繞XR、YR和ZR軸的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，而TR為平移變換矩陣。

4 實驗過程

本文所搭建的四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，選用北京航空精密機(jī)械研究所生產(chǎn)的PEARL 555型三坐標(biāo)測量機(jī)作為系統(tǒng)平臺，在其框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將工業(yè)相機(jī)安裝在該型測量機(jī)的Z軸末端，以應(yīng)對高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔特征的形位參數(shù)檢測任務(wù)，如圖7所示。該型測量機(jī)采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝技術(shù)，輕便高效，其敞開的工作空間更具操作性，X、Y和Z軸均采用天然花崗巖，具有相同的熱力學(xué)特性，同時采用內(nèi)置鋼絲的增強(qiáng)型同步帶，從而使整機(jī)具有優(yōu)良的動態(tài)性能[15]，X、Y和Z軸的行程均為500 mm，各軸光柵尺的分辨率為0.5 μm，測量不確定度為(2.5＋3×L/1000)μm(L為測量長度)。

在回轉(zhuǎn)運(yùn)動方面，采用了日本Yaskawa公司的SGMCS型直接驅(qū)動伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的第四軸，該型電機(jī)可以在不帶減速器的狀態(tài)下直接驅(qū)動負(fù)載，能夠?qū)崿F(xiàn)從低速到高速的強(qiáng)力平滑運(yùn)行，并且內(nèi)置了20位的高分辨率編碼器，定位精度可以達(dá)到1″，因而可以用于將被測零件精確定位到所需位置[16]。

工業(yè)相機(jī)選用大恒圖像公司生產(chǎn)的水星MER系列工業(yè)數(shù)字相機(jī)，該型相機(jī)采用全局曝光的Sony IMX252 CMOS傳感器，其分辨率為2 048×1 536，像素尺寸為3.45 μm×3.45 μm。為了配合該型工業(yè)相機(jī)的使用，選用了日本MORITEX公司的MML-ST系列工業(yè)遠(yuǎn)心鏡頭，該型鏡頭具有高對比度、高分辨率和低失真度的特征，其放大倍率為3×，工作距離為108.3 mm。

為了驗證本文所提出的坐標(biāo)系建立與轉(zhuǎn)換方法的正確性和有效性，選取某型航空發(fā)動機(jī)的高壓渦輪導(dǎo)向葉片作為被測物，對分布于其葉身上的多個氣膜孔特征進(jìn)行了測量實踐，以獲取被測氣膜孔的分布位置參數(shù)，實驗現(xiàn)場如圖8所示。在測量開始前，需要調(diào)整好工業(yè)相機(jī)的空間方位，使其成像光軸與測量系統(tǒng)的X軸的運(yùn)動方向平行，并將待測葉片固定在回轉(zhuǎn)臺上的葉片專用夾具中。

圖7 四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)

圖8 實驗現(xiàn)場

在實驗過程中，首先將葉片三維模型導(dǎo)入到上位機(jī)軟件中，拾取模型上的氣膜孔特征并進(jìn)行測量軌跡規(guī)劃；而后基于測量軌跡控制回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使葉片上的待測氣膜孔朝向工業(yè)相機(jī)，并通過X、Y和Z軸的運(yùn)動使工業(yè)相機(jī)對準(zhǔn)被測氣膜孔，使整個氣膜孔處于工業(yè)相機(jī)的視場范圍中；然后，通過X軸的前后運(yùn)動以及對焦評價函數(shù)使被測氣膜孔的出口表面處于工業(yè)相機(jī)的對焦平面上，此時可以采集到最清晰的被測氣膜孔的圖像，如圖9所示；而后通過圖像降噪、閾值分割和邊緣提取等處理過程提取出圖像中的氣膜孔邊緣上的像素坐標(biāo)，對這些像素坐標(biāo)進(jìn)行最小二乘圓擬合，從而得到氣膜孔的孔中心坐標(biāo)，如圖10所示；最后，通過各個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，將孔中心坐標(biāo)由圖像像素坐標(biāo)系op-ij轉(zhuǎn)換到葉片坐標(biāo)o-xyz系中，就可以獲得被測氣膜孔的孔中心在葉片坐標(biāo)系o-xyz中的三維坐標(biāo)，從而實現(xiàn)被測氣膜孔的分布位置的檢測。

圖9 采集到的氣膜孔圖像

圖10 被測氣膜孔的圖像處理

按照上述步驟，對分布于該高壓渦輪導(dǎo)向葉片的進(jìn)氣邊部位上的某一排氣膜孔的孔中心坐標(biāo)進(jìn)行測量實驗。該排共有12個氣膜孔，并且沿著葉片坐標(biāo)系的z軸方向等間距排列。首先，對該排氣膜孔中的第一個孔連續(xù)進(jìn)行10次等精度重復(fù)性測量，以驗證測量系統(tǒng)的重復(fù)性精度，測量結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，對于該氣膜孔來說，孔中心坐標(biāo)的測量結(jié)果的平均值為(28.991，-6.720，268.611)，其中，x、y和z坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.005 mm、0.004 mm和0.004 mm，則單次測量的極限誤差分別為±15 μm、±12 μm 和±12 μm。 根據(jù)此類氣膜孔特征的設(shè)計指標(biāo)與檢測要求，該測量系統(tǒng)能夠達(dá)到的精度水平可以滿足使用需求。

表1 第一個孔的測量結(jié)果 單位:mm

然后，通過軌跡規(guī)劃對該排上的12個氣膜孔逐個進(jìn)行測量，其孔中心坐標(biāo)的測量結(jié)果如表2所示。

表2 該排12個氣膜孔的測量結(jié)果 單位:mm

從表2中可以看出，本文所設(shè)計和搭建的四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，可以有效地實現(xiàn)被測高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔分布位置的非接觸式測量，并且其重復(fù)性精度指標(biāo)可以滿足此類氣膜孔的檢測需求，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，也可以用于其他一些零部件上的小孔特征的快速檢測。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用三坐標(biāo)測量機(jī)、回轉(zhuǎn)臺、葉片專用夾具、工業(yè)相機(jī)和遠(yuǎn)心鏡頭等搭建了非接觸式的四軸視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)，以充分應(yīng)對高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔的形位參數(shù)測量難題，從而將新型的視覺測量技術(shù)與傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量技術(shù)結(jié)合在一起，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)點，進(jìn)一步擴(kuò)展了坐標(biāo)測量技術(shù)的應(yīng)用范圍。在測量過程中，為了實現(xiàn)將工業(yè)相機(jī)所采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為物理測量數(shù)據(jù)，并最終轉(zhuǎn)換到葉片坐標(biāo)系中，本文結(jié)合四軸運(yùn)動系統(tǒng)與工業(yè)相機(jī)的特點，構(gòu)建了包含圖像像素坐標(biāo)系、圖像物理坐標(biāo)系、基準(zhǔn)坐標(biāo)系、回轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系和葉片坐標(biāo)系在內(nèi)的整套坐標(biāo)系統(tǒng)，并確立了這些坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而對處于不同方位的氣膜孔實現(xiàn)了四軸聯(lián)動測量。應(yīng)用該測量系統(tǒng)對某型高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的多個氣膜孔特征進(jìn)行了測量實踐，所得實驗結(jié)果的精度水平能夠滿足此類氣膜孔分布位置的檢測需求，從而驗證了本文所提出的坐標(biāo)系建立與轉(zhuǎn)換方法的正確性和有效性，也為后續(xù)將測量數(shù)據(jù)與氣膜孔的設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比對并做出評價奠定了堅實基礎(chǔ)。