龍 智，鄭 琪，張?zhí)燧x，方建軍，馬迎春

(1.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000；2.山西迪邁沃科光電工業(yè)有限公司，太原 030000)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是航空系統(tǒng)中廣泛使用的動(dòng)力裝置，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)葉型尺寸是非常必要的[1]。由于在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)子與定子之間的運(yùn)動(dòng)因零件溫度和變形的不同而十分復(fù)雜，所以葉片葉型尺寸的檢測(cè)方法也都不一致[2]。當(dāng)前檢測(cè)葉片葉型尺寸的主要方法是放電探頭法和超聲法，其中使用放電探頭法時(shí)，采用葉片放電的方式，即施加直流電壓的探頭依靠電機(jī)沿徑向運(yùn)動(dòng)[3]。當(dāng)探測(cè)器開始動(dòng)刀時(shí)，初始葉型尺寸與安裝葉型尺寸一致。但由于電壓波動(dòng)，工作流體溫度、壓力的變化，以及探頭與葉片端面的污垢，會(huì)改變放電起始距離，造成檢測(cè)誤差；利用超聲波檢測(cè)葉片表面的空間反射率，并將處理后的超聲波反饋給傳感器，傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，激發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間間隔，再根據(jù)一定的關(guān)系得到葉片葉型尺寸。但在惡劣環(huán)境下，外界噪聲會(huì)引起檢測(cè)誤差。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了基于線激光掃描的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片非接觸式檢測(cè)研究。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片受不同光線照射時(shí)，葉片表面形態(tài)變化會(huì)引起光場(chǎng)變化。投影儀由CCD攝像機(jī)拍攝，用非接觸式技術(shù)分析投影圖像中所包含光場(chǎng)信息，處理被測(cè)葉片輪廓信息，由此確定葉片葉型尺寸。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是用來(lái)產(chǎn)生推力使飛機(jī)前進(jìn)的，主要有壓氣機(jī)、燃燒室和汽輪機(jī)[4]。如圖1所示，3個(gè)結(jié)構(gòu)部件組成了發(fā)動(dòng)機(jī)的核心引擎。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，可靠性，壽命和安全性能。同時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片還確定飛機(jī)的飛行速度，可操縱性和其他重要指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的惡劣工作環(huán)境，技術(shù)復(fù)雜性以及對(duì)檢測(cè)技術(shù)的高要求，如何實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片三維輪廓的自動(dòng)測(cè)量是本文的研究重點(diǎn)[5-7]。

2 基于線激光掃描的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片非接觸式檢測(cè)

2.1 線激光掃描裝置

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)功能和葉片檢測(cè)特點(diǎn)，使用了固定掃描檢測(cè)系統(tǒng)和工件驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)，由電機(jī)控制掃描區(qū)。圖2顯示了線激光掃描裝置[8-10]。

圖2 線激光掃描裝置

由圖2可知，該裝置硬件主要完成掃描過(guò)程中的圖像采樣和目標(biāo)位置控制，并將光條紋圖像信息傳送給計(jì)算機(jī)，用于后續(xù)的視覺計(jì)算和輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)集成。在軟件方面，主要完成了對(duì)光條圖中的光條圖中心的提取，以及光條圖變形距離的計(jì)算[11]。基于攝像機(jī)模型，通過(guò)計(jì)算被測(cè)光條的面點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合工作臺(tái)的位置參數(shù)，獲得目標(biāo)的面點(diǎn)輪廓數(shù)據(jù)[12]。

2.1.1 檢測(cè)盒

采用激光輪廓儀對(duì)激光線掃描進(jìn)行檢測(cè)，在高速模式下，最快采樣頻率為16 μs，曝光時(shí)間為64 kHz，也可以精確地檢測(cè)到黑色(反射較少)到光亮的表面(反射較大)。當(dāng)使用時(shí)，它指定±48 mm米的量程，即在景深方向，每隔1毫米和800分在同一間隔內(nèi)的光帶每隔一次形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)[13-15]。

使用CCD相機(jī)，可以將光纖轉(zhuǎn)變成電荷形式進(jìn)行存儲(chǔ)與傳遞，也可將電荷取出促使電壓發(fā)生改變。圖像經(jīng)過(guò)透鏡處理后，所成像映射在電容數(shù)組表面，根據(jù)其表面亮度主要取決于每個(gè)電容單位上所形成的電荷。印刷機(jī)的線性CCD相機(jī)，每次捕捉到的光影都是呈直線行駛的，而使用數(shù)碼相機(jī)捕捉到的光影都是呈平面式的，一旦相機(jī)完成曝光行為，那么整條電路上的電容都會(huì)自動(dòng)傳遞到下一個(gè)單元，完成電位轉(zhuǎn)變[16-18]。

2.1.2 圖像采集卡

圖像采集卡分辨率為768×576 pix，能夠?qū)崟r(shí)改變采集間隔，使用自適應(yīng)濾波處理技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)采集圖像信息，實(shí)現(xiàn)文字、圖形疊加。圖像采集卡的功能是將信號(hào)采集到電腦上，電腦以數(shù)據(jù)形式直接保存到硬盤上。將攝像機(jī)拍攝的信號(hào)從攝像機(jī)上轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中，使用相關(guān)圖像編輯軟件，可以對(duì)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行編輯處理，并將編輯后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)流媒體格式，方便后續(xù)信號(hào)傳遞。

2.1.3 工作引擎

工作引擎為登月艙23步進(jìn)伺服馬達(dá)，支援RS232，RS485串口通訊。使用的直流電壓是12～70伏特。該系統(tǒng)支持 SCL字符串命令控制，速度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)RS485端口通信，并獨(dú)立收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2 光條位置檢測(cè)

線激光源向航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面發(fā)射激光束，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面形狀調(diào)制成的光條紋形成于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面。光帶圖像是通過(guò)CCD相機(jī)拍攝的，利用激光三角剖分方法，可以計(jì)算出光條上每一位置、葉片表面深度變化引起的像元移動(dòng)距離，但是，這僅僅是圖像坐標(biāo)系統(tǒng)中像素之間的距離。若要將其轉(zhuǎn)化為葉片空間中的運(yùn)動(dòng)距離，則必須根據(jù)CCD相機(jī)成像模型進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)椴还軋D像坐標(biāo)系的V方向如何，也不可以改變?nèi)~片空間坐標(biāo)系的X方向，這種轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一種二維變換。為實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間位置信息的檢測(cè)，需要借助線激光器，獲得如圖3所示的x方向坐標(biāo)值。

圖3 線激光掃描非接觸式檢測(cè)原理

由圖3可知，線激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)坐標(biāo)系XY面一般都設(shè)置在光平面。由此可以通過(guò)求解計(jì)算高度H值檢測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng)，以及求出圖3中高度H值在X方向上檢測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)在X方向上轉(zhuǎn)換。

2.3 檢測(cè)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

確定光條位置后，構(gòu)建線激光掃描檢測(cè)數(shù)學(xué)模型，該模型可以在不考慮鏡面畸變的情況下，確定像坐標(biāo)系高度值與真實(shí)空間高度值之間轉(zhuǎn)換關(guān)系[19-20]。

設(shè)XOYO為檢測(cè)坐標(biāo)系中光平面，(XO,YO,ZO)為檢測(cè)坐標(biāo)系坐標(biāo)，(XC,YC,ZC)為攝像機(jī)坐標(biāo)，由此得到的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

公式(1)中，R、T分別表示圖像像素和大小。

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面輪廓特征的檢測(cè)，平移掃描和旋轉(zhuǎn)掃描是目前使用最為廣泛的兩種掃描方法。平移掃描方式是指檢測(cè)系統(tǒng)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片之間的固定選擇；在旋轉(zhuǎn)掃描中，兩個(gè)位置之間有一個(gè)可供選擇，另一個(gè)可旋轉(zhuǎn)。所以對(duì)于公式(1)，可以將其改為公式(2)，其中式中d1為平移距離：

(2)

以旋轉(zhuǎn)掃描方式，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片通常向Z軸的零點(diǎn)移動(dòng)。所以式(1)可以改為公式(3)，其中dz為被測(cè)葉片到Z軸零位置處需移動(dòng)的距離，θ為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角度：

(3)

選取固定線激光，讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以一定速度穿過(guò)掃描檢測(cè)區(qū)，完成葉片葉型尺寸掃描檢測(cè)。

2.4 非接觸式檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

在實(shí)際空間中，通過(guò)分析圖像坐標(biāo)系高度值與高度值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片葉型尺寸的在線檢測(cè)，非接觸式線激光掃描法對(duì)葉片材料沒有要求，不易受電磁干擾，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)良，圖4中顯示了非接觸檢測(cè)過(guò)程。

圖4 非接觸式檢測(cè)流程

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片非接觸式檢測(cè)過(guò)程中，用到的器件包括轉(zhuǎn)速同步傳感器、光纖測(cè)頭、轉(zhuǎn)速同步信號(hào)處理板、葉片尺寸模擬處理板、高速同步采集處理板，其選型方案如下：

選用SZGB-7光電式轉(zhuǎn)速傳感器，其具有調(diào)測(cè)量距離長(zhǎng)，不受環(huán)境光干擾的特點(diǎn)。它可以與各種速度的數(shù)字顯示器一起使用，并且可以直接與計(jì)算機(jī)接口電路連接，并且可以不接觸地測(cè)量速度，線速度等。光纖測(cè)頭選用FU-TZ系列，其所需安裝空間較小，且易于更換。通過(guò)ACROMAG模擬信號(hào)處理板模擬葉片尺寸信號(hào)，轉(zhuǎn)速同步信號(hào)處理板選用A5E01708486型號(hào)，其能夠同步接收SZGB-7光電式轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸至PCI8522高速同步采集板。

如圖4所示，非接觸式檢測(cè)流程為：

1)在外殼上安裝有反射式光纖位移傳感器，刀片掃過(guò)光纖探針后，反射光強(qiáng)度發(fā)生變化，可獲得檢測(cè)點(diǎn)的微量元素量。

2)通過(guò)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)微面板傾斜信息的分析，修正傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)誤差，解決被測(cè)表面傾斜對(duì)坐標(biāo)檢測(cè)的影響。

3)根據(jù)每個(gè)斜坡的輸出特性曲線，對(duì)每一個(gè)斜坡的斜面進(jìn)行斜面傾角檢測(cè)，利用燈帶位置可以檢測(cè)到位移信息對(duì)斜面傾角的影響。

4)在位移信息確定后，葉片掃過(guò)探頭時(shí)，光強(qiáng)先增加后降低，而光強(qiáng)峰值則反映葉片葉型尺寸大小。

通過(guò)上述步驟，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片非接觸式檢測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片線激光掃描非接觸檢測(cè)的需要，搭建了一種四坐標(biāo)檢測(cè)儀，如圖5所示。

圖5 四坐標(biāo)檢測(cè)儀

由圖5可知，四坐標(biāo)儀的主體由3個(gè)縱軸組成，每個(gè)縱軸由伺服電機(jī)控制，滾珠絲杠的精確運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制。配有軸線的雷尼紹光柵尺可精確定位坐標(biāo)系，該激光器安裝在x軸上，能夠檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)臺(tái)上葉片輪廓。

為了驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性，在直徑為25.010 mm的標(biāo)準(zhǔn)氣缸和模擬葉片上進(jìn)行了多次測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在葉片測(cè)量結(jié)果中，將實(shí)際測(cè)量值與理論值相比，使用SVD-ICP(奇異值分解-迭代最近點(diǎn))算法進(jìn)行最佳擬合，然后計(jì)算出理論點(diǎn)相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)之間的最大誤差。分別使用放電探頭法、超聲法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，得到不同方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸的檢測(cè)精度如表1所示。

表1 3種檢測(cè)方法的葉片葉型尺寸檢測(cè)精準(zhǔn)度對(duì)比結(jié)果 mm

由表1可知，使用放電探頭法施加的電壓是靠著電機(jī)運(yùn)動(dòng)的，電壓波動(dòng)較大，造成檢測(cè)誤差較大，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸誤差在-0.11～+0.07 mm之間；而使用超聲波檢測(cè)方法，一旦受到高溫影響，空間反射率變低，導(dǎo)致激發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間間隔變長(zhǎng)，也會(huì)造成檢測(cè)誤差較大，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸誤差在-0.09～+0.09 mm之間。使用線激光掃描法是通過(guò)光轉(zhuǎn)換，不會(huì)受到溫度影響，使得檢測(cè)結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸誤差在-0.008～+0.009 mm之間。由此可見，所提方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸的檢測(cè)誤差較小，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸。

在此基礎(chǔ)上測(cè)試不同方法檢測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的檢測(cè)效率，得到實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同檢測(cè)方法的葉片葉型尺寸檢測(cè)耗時(shí)對(duì)比結(jié)果

由圖6可知，使用放電探頭法的檢測(cè)耗時(shí)平均值為4.8 s，誤差較大；使用超聲波檢測(cè)的檢測(cè)耗時(shí)平均值為3.5 s，而使用線激光掃描法的檢測(cè)耗時(shí)平均值為3.5 s，0.9 s。由此可見，所提方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸的檢測(cè)誤差較小，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸，且檢測(cè)耗時(shí)較短，具有較好的檢測(cè)效率，可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片非接觸式檢測(cè)中，有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的檢測(cè)精準(zhǔn)度及檢測(cè)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用激光在線掃描法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行非接觸檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了光條位置正確自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法對(duì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型尺寸的檢測(cè)誤差率較高，檢測(cè)效率較好，證明了該方法的可行性、實(shí)用性和創(chuàng)新性。

但檢測(cè)系統(tǒng)仍存在一定的缺陷，需要進(jìn)一步改進(jìn)以滿足生產(chǎn)要求。

1)由于線激光發(fā)射僅2 mm寬，使用直線激光不能得到刀片前后邊緣的精確位置坐標(biāo)，為此在今后研究進(jìn)程中，使用平面激光掃描方式。

2)受試驗(yàn)平臺(tái)和檢測(cè)方法的限制，CCD相機(jī)安裝角度受到限制，使得檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)整個(gè)葉片進(jìn)行完整輪廓檢測(cè)，只能對(duì)葉片截面進(jìn)行檢測(cè)，所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該考慮后期圖像拼接。