鄭 琪，張?zhí)燧x，龍 智，蔡 凱，趙建文

（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，山西太原 030000）

葉型檢測(cè)可分為接觸式和非接觸式兩種類型，其中接觸式測(cè)量主要分為觸發(fā)測(cè)頭和模擬測(cè)頭兩種，非接觸式可分為激光三角法、摩爾條紋法、超聲波法、X/Y 射線法、結(jié)構(gòu)光法以及CCD 相機(jī)拍照法[1]。隨著生產(chǎn)需求的不斷增加，葉片型面復(fù)雜且多樣化，檢測(cè)效率和精度難以兩全的矛盾日益突出。非接觸式測(cè)量因其檢測(cè)效率高被廣泛應(yīng)用于類似發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面的復(fù)雜零件的檢測(cè)領(lǐng)域。

李婷婷等分析不同工藝和檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)方式多樣化的特點(diǎn)，根據(jù)不同的加工工藝給出了精度和效率最佳的匹配方案[2]。高繼昆采用非接觸式白光光學(xué)測(cè)頭取代了接觸式測(cè)頭，并在檢測(cè)精度和效率方面與三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行了對(duì)比，均有很大提升[3]。

目前，接觸式和非接觸式檢測(cè)在檢測(cè)效率上雖然已經(jīng)有了很大的提升，但相比規(guī)則的零件測(cè)量過(guò)程，仍然難以滿足生產(chǎn)使用要求[4]。為此提出一種非接觸式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片快速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非接觸式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片快速檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分包括電控柜、機(jī)架、線激光檢測(cè)組件、夾具定位組件、產(chǎn)品夾具、二軸精密定位平臺(tái)；軟件部分通過(guò)重構(gòu)后模型與CAD 模型的配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片快速檢測(cè)，并設(shè)計(jì)了三維模型可視化操作軟件[5]。

1.1 線激光組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為檢測(cè)系統(tǒng)的核心元器件，決定了數(shù)據(jù)采集效率的高低，為了使檢測(cè)效率得到最大幅度的提升，選用兩臺(tái)線激光將產(chǎn)品按照前后面分成兩部分進(jìn)行掃描[6]，同時(shí)，在滿足精度要求的前提下，線激光的工作范圍按照大于等于二分之一產(chǎn)品高度的型號(hào)進(jìn)行了選取。避免了兩塊線激光同時(shí)工作時(shí)相互干擾，兩塊線激光錯(cuò)位安裝，并設(shè)計(jì)了護(hù)罩對(duì)線激光進(jìn)行防護(hù)[7]。線激光組件示意圖如圖1 所示。

圖1 線激光組件

1.2 夾具定位組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具定位組件包括產(chǎn)品夾具、無(wú)檢測(cè)傳感器、固定限位板、整形機(jī)構(gòu)，傳感器檢測(cè)到有料信號(hào)時(shí)，整形機(jī)構(gòu)方可開始動(dòng)作，整形機(jī)構(gòu)將裝夾了產(chǎn)品的夾具整形定位，確保檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)品穩(wěn)定可靠[8]。夾具定位組件示意圖如圖2 所示。

圖2 夾具定位組件

1.3 產(chǎn)品夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品夾具設(shè)計(jì)合理與否關(guān)系到產(chǎn)品定位姿態(tài)的準(zhǔn)確性和產(chǎn)品的穩(wěn)固性，同時(shí)，盡可能使產(chǎn)品裝夾過(guò)程簡(jiǎn)單易上手[9]。夾具結(jié)構(gòu)如圖3 所示，通過(guò)仿形定位和兩側(cè)面夾緊定位結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品完全定位，其中仿形滑塊之間設(shè)計(jì)有復(fù)位彈簧[10]，當(dāng)松開蝶形螺母時(shí)，滑塊自動(dòng)復(fù)位與產(chǎn)品分離，便于取下產(chǎn)品，產(chǎn)品夾具示意圖如圖3 所示。

圖3 產(chǎn)品夾具

1.4 二軸精密定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二軸精密定位平臺(tái)的運(yùn)行精度直接影響到最終的檢測(cè)精度，根據(jù)檢測(cè)要求進(jìn)行精度分配計(jì)算后可知，平臺(tái)兩個(gè)方向的直線度和定位精度均不得超過(guò)4 μm，因此，平臺(tái)設(shè)計(jì)選用了性能穩(wěn)定的大理石作為主要支撐結(jié)構(gòu)，為了保證運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠[11]，驅(qū)動(dòng)模塊由直線電機(jī)和高精度直線導(dǎo)軌組成，并配合磁柵尺來(lái)進(jìn)一步提高定位精度，組成結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 二軸精密定位平臺(tái)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了人機(jī)交互便捷高效，同時(shí)能夠直觀展示產(chǎn)品檢測(cè)過(guò)程和檢測(cè)結(jié)果，基于QT5 框架開發(fā)了Windows7 操作系統(tǒng)環(huán)境下的操作軟件，軟件功能主要包括：檢測(cè)操作模塊、三維重構(gòu)后的數(shù)字化模型配準(zhǔn)結(jié)果可視化模塊、葉型尺寸檢測(cè)結(jié)果配圖實(shí)時(shí)顯示模塊[12]。

2.1 主檢測(cè)界面

該界面包括3D 掃描圖像實(shí)時(shí)顯示區(qū)域、不同產(chǎn)品型號(hào)選擇下拉列表、檢測(cè)結(jié)果配圖顯示區(qū)域、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)域以及歷史記錄查詢、設(shè)備調(diào)試、算法類型選擇、虛擬運(yùn)行等功能按鈕[13]。

2.2 三維重構(gòu)后配準(zhǔn)結(jié)果顯示界面

兩組線激光所采集到的數(shù)據(jù)分為獨(dú)立的4 部分，無(wú)法直接用于模型配準(zhǔn)，需根據(jù)二軸精密定位平臺(tái)中的磁柵尺實(shí)時(shí)觸發(fā)位置進(jìn)行上、下層數(shù)據(jù)的精確融合，同時(shí)，根據(jù)兩組線激光相互位置關(guān)系完成前后兩面的精確融合，最終，將完整的數(shù)字化模型與對(duì)應(yīng)型號(hào)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)CAD 模型進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)后的偏差結(jié)果分別以文字和云圖的方式顯示在界面中，如圖5 所示。

圖5 三維重構(gòu)后配準(zhǔn)結(jié)果顯示界面

2.3 檢測(cè)流程

由于在精密定位平臺(tái)中計(jì)算的葉片誤差與實(shí)際測(cè)量誤差不完全吻合，為此在測(cè)量數(shù)據(jù)的處理時(shí)，最重要的環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與葉片理論模型的精確匹配，即通過(guò)匹配使被測(cè)葉片點(diǎn)相對(duì)于理論模型的誤差最小，從而減小系統(tǒng)誤差的影響。

測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)與葉片模型匹配采用均方根誤差作為目標(biāo)函數(shù)。誤差最小目標(biāo)函數(shù)為：

式中，ka為理論模型點(diǎn)的誤差。

設(shè)置其均方根誤差為：

匹配步驟如下：

1）令a=1。

2）計(jì)算誤差最小目標(biāo)函數(shù)。

3）計(jì)算均方根誤差。

4）當(dāng)L＞k0時(shí)，輸出k0，匹配結(jié)束。

因?yàn)闇y(cè)量坐標(biāo)系和理論模型的坐標(biāo)系重合，測(cè)量數(shù)據(jù)的姿態(tài)接近局部最優(yōu)解，可以通過(guò)局部?jī)?yōu)化得到完全匹配[14-16]。誤差匹配完成后，由人工進(jìn)行模式選擇，通過(guò)上位機(jī)軟件操作界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，將命令下發(fā)到下位機(jī)PLC 控制中心，完成命令類型轉(zhuǎn)換后發(fā)送到各個(gè)執(zhí)行元器件上，具體檢測(cè)流程如圖6所示。

圖6 檢測(cè)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 檢測(cè)結(jié)果

將被檢測(cè)產(chǎn)品樣本和檢測(cè)設(shè)備置于標(biāo)準(zhǔn)溫度環(huán)境下恒溫4～6 小時(shí)后，根據(jù)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)流程對(duì)產(chǎn)品樣本進(jìn)行多次測(cè)量，結(jié)果如表1 所示，葉片葉型重復(fù)檢測(cè)結(jié)果變化曲線如圖7 所示。

圖7 葉片葉型重復(fù)測(cè)量結(jié)果變化曲線

表1 重復(fù)檢測(cè)結(jié)果

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.2.1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1的評(píng)估

A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1來(lái)自測(cè)量的重復(fù)性，也就是葉片根截面輪廓度Di。對(duì)葉片根截面輪廓度進(jìn)行10 組測(cè)量，得到如下測(cè)量結(jié)果（單位mm）：0.222，0.223，0.231，0.231，0.225，0.231，0.231，0.222，0.230，0.225。

用貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差如式（3）所示：

3.2.2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2的評(píng)估

B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2主要由二軸精密定位平臺(tái)XZ移動(dòng)模塊的X軸引入的不確定度u21和Z軸引入的不確定度u22確定。

1）X軸引入的不確定度u21

查閱二軸精密定位平臺(tái)計(jì)量報(bào)告可知，X軸掃描誤差不超過(guò)±3 μm，則aX=3 μm，為正態(tài)分布，k=1.96，可知u21=aX/k=1.5 μm。

2）Z軸引入的不確定度u22

查閱二軸精密定位平臺(tái)計(jì)量報(bào)告可知，Z軸掃描誤差不超過(guò)±3 μm，則aZ=3 μm，為正態(tài)分布，k=1.96，可知u22=aZ/k=1.5 μm。由于測(cè)量環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度相差很小，因此，溫度引入的不確定度可忽略不計(jì)。

3.2.3 擴(kuò)展不確定度的評(píng)估

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

經(jīng)評(píng)定，非接觸式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片快速檢測(cè)系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度達(dá)到了產(chǎn)品檢測(cè)精度的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

非接觸式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片快速檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括了硬件的設(shè)計(jì)建模仿真和可視化人機(jī)界面，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)采集過(guò)程與產(chǎn)品無(wú)實(shí)質(zhì)性接觸，實(shí)現(xiàn)了非接觸檢測(cè)過(guò)程，避免了接觸式檢測(cè)過(guò)程中測(cè)頭對(duì)產(chǎn)品姿態(tài)的影響[17]；兩組線激光對(duì)產(chǎn)品的覆蓋范圍大，掃描過(guò)程分為上、下兩層，數(shù)據(jù)采集效率大幅提升，線激光采用由線到面的數(shù)據(jù)采集方式，可獲得更多的原始數(shù)據(jù)，大大減少了數(shù)據(jù)擬合過(guò)程，降低了擬合過(guò)程引入的誤差，提高了檢測(cè)精度[18]。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定，系統(tǒng)檢測(cè)精度滿足現(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)檢測(cè)精度的要求。