畢 超，張 超，樊楚一，房建國(guó)

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

1 引 言

在航空領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，被譽(yù)為飛機(jī)的“心臟”，對(duì)于整架飛機(jī)的重要性不言而喻。 進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)新型飛機(jī)性能指標(biāo)的不斷提升，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于推重比為10 的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，還必須采取一定的冷卻措施來(lái)確保此類(lèi)葉片的高溫性能。

目前，利用從壓氣機(jī)引來(lái)的冷卻氣流進(jìn)行開(kāi)式冷卻，是發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(kāi)始在航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)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(dòng)后，從這些氣膜孔中以一定的角度或方向噴射出來(lái)，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(dòng)，以阻止高溫高壓燃?xì)饬髋c渦輪葉片之間的流動(dòng)和輻射換熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)分布。 因此，氣膜孔的軸線角度或方向等結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)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(guò)一定的測(cè)量手段獲取氣膜孔的實(shí)際幾何狀態(tài)。

目前，國(guó)內(nèi)尚未有專(zhuān)用、工程化的氣膜孔測(cè)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(cè)方法與設(shè)備方面開(kāi)展了諸多研究與探索。 隋鑫等針對(duì)微孔加工過(guò)程中的質(zhì)量控制問(wèn)題，基于多傳感器技術(shù)，研究了將CCD成像單元與光纖觸測(cè)單元集成到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)上，對(duì)微孔幾何參量進(jìn)行測(cè)量的理論和方法，通過(guò)光纖探針接觸微孔內(nèi)壁并由CCD 采集探針與微孔的相對(duì)位置關(guān)系圖像，來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸點(diǎn)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(cè)量。 鮑晨興等針對(duì)氣膜孔軸線方向和直徑的測(cè)量問(wèn)題，應(yīng)用工業(yè)CCD 和四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)搭建出了一套氣膜孔專(zhuān)用視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，并選取被測(cè)葉片上的兩列氣膜孔開(kāi)展了測(cè)量試驗(yàn)，孔軸線角度的測(cè)量精度為±0.5°，孔徑的測(cè)量精度為±0.05 mm，初步探索了氣膜孔的定量檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備形式。 趙圓圓等基于光場(chǎng)成像原理，應(yīng)用工業(yè)級(jí)單色光場(chǎng)相機(jī)探索了光場(chǎng)成像快速測(cè)量技術(shù)在氣膜孔三維檢測(cè)上的應(yīng)用，該技術(shù)可以從一次拍攝得到的單張?jiān)脊鈭?chǎng)圖像中計(jì)算得到氣膜孔的3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而實(shí)際葉片上氣膜孔幾何參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果初步表明了該技術(shù)應(yīng)用于氣膜孔三維測(cè)量的可能性。

本文針對(duì)高壓渦輪導(dǎo)向葉片上氣膜孔的軸線方向測(cè)量難題，基于視覺(jué)測(cè)量原理，在常規(guī)三坐標(biāo)測(cè)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(jī)，并增加雙軸位置轉(zhuǎn)臺(tái)以搭建出新型的五軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)；另一方面，采用景深合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣膜孔形貌的三維重建，并進(jìn)一步將工業(yè)相機(jī)獲取到的圖像序列轉(zhuǎn)化為孔壁的三維物理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后通過(guò)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(cè)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(dòng)機(jī)中，高壓渦輪導(dǎo)向葉片是實(shí)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(dòng)機(jī)內(nèi)部的氣流方向要求，分布于此類(lèi)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(diǎn)，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(jì)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(diǎn)位向葉片內(nèi)腔進(jìn)行制孔時(shí)，會(huì)造成所加工出來(lái)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(lái)表征，通常定義為孔軸線與葉片設(shè)計(jì)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(guò)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(lái)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(huì)使主流燃?xì)鈱?duì)冷卻氣流產(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(dòng)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(huì)逐漸向葉片型面偏轉(zhuǎn)，同時(shí)主流燃?xì)獾牧鲃?dòng)也會(huì)被冷卻氣流所阻擋而向側(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?duì)高壓渦輪導(dǎo)向葉片的沖擊和傳熱。 研究表明，氣膜孔的軸線方向會(huì)直接影響到冷卻氣膜的流場(chǎng)分布、貼附效果、流動(dòng)特性和冷卻效率等。 因此，確保氣膜孔的成型幾何精度對(duì)于提高葉片冷卻效率與發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)量原理

針對(duì)高壓渦輪導(dǎo)向葉片上氣膜孔的軸線矢量或方向測(cè)量需求，本文基于視覺(jué)測(cè)量原理，將非接觸式的工業(yè)相機(jī)與多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)集成在一起，從而形成新型的五軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。 其整體架構(gòu)如圖3 所示，主要由三軸移動(dòng)平臺(tái)、雙軸位置轉(zhuǎn)臺(tái)、葉片專(zhuān)用夾具、姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、工業(yè)相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭和照明光源構(gòu)成。 工業(yè)相機(jī)通過(guò)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在三軸移動(dòng)平臺(tái)的Z 軸末端上，與遠(yuǎn)心鏡頭、照明光源共同構(gòu)成測(cè)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(shí)現(xiàn)沿X、Y 和Z 軸的單獨(dú)移動(dòng)或聯(lián)動(dòng)；雙軸位置轉(zhuǎn)臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)高壓渦輪導(dǎo)向葉片與葉片專(zhuān)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(cè)葉片與工業(yè)相機(jī)之間的相對(duì)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(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)。

圖3 測(cè)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(cè)物體的三維物理坐標(biāo)（單位：mm），就需要通過(guò)數(shù)據(jù)融合實(shí)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(duì)氣膜孔軸線矢量的提取與計(jì)算難題，首先采集被測(cè)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(diǎn)云，最后通過(guò)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(dòng)對(duì)焦技術(shù)，是一種由一系列具有不同對(duì)焦位置的圖像恢復(fù)出被測(cè)物體三維形貌的方法。 在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工業(yè)相機(jī)沿其光軸方向移動(dòng)，并按照一定步長(zhǎng)同步采集被測(cè)物體的圖像，同時(shí)記錄下工業(yè)相機(jī)在采集每幅圖像時(shí)的位置或者坐標(biāo)，從而完成對(duì)被測(cè)物體的軸向掃描并獲得了一系列圖像，稱(chēng)為“圖像序列”，如圖4 所示。

圖4 圖像序列的獲取過(guò)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(jī)僅沿其光軸方向（X 軸方向）運(yùn)動(dòng)，因而在所獲得的圖像序列中，每幅圖像均對(duì)應(yīng)相同的成像區(qū)域，但卻有著不同的對(duì)焦深度。 這就導(dǎo)致被測(cè)物體上的每個(gè)物點(diǎn)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(diǎn)的正焦圖像，而正焦圖像所對(duì)應(yīng)的X 軸位置即為該物點(diǎn)的正焦位置，因而可以用于表征該物點(diǎn)的深度信息。 因此，通過(guò)一定的清晰度評(píng)價(jià)算法與規(guī)定的對(duì)焦測(cè)度來(lái)提取出每幅圖像中清晰成像的那部分像點(diǎn)，并將其二維圖像坐標(biāo)通過(guò)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體三維點(diǎn)云的創(chuàng)建，而后再對(duì)三維點(diǎn)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(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提出的氣膜孔軸線矢量測(cè)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(cè)物體，對(duì)分布于其前緣部位上的目標(biāo)氣膜孔開(kāi)展測(cè)量實(shí)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(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)中，三軸移動(dòng)平臺(tái)采用PEARL 系列移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)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(jī)重復(fù)定位精度為2.8 μm；雙軸位置轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)選用Grasshopper3系列數(shù)字面陣相機(jī)，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(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)Fig．5 Five?axis vision coordinate measuring system for film cooling holes

在試驗(yàn)過(guò)程中，首先在上位機(jī)軟件中進(jìn)行測(cè)量軌跡規(guī)劃。 一方面，控制雙軸位置轉(zhuǎn)臺(tái)的B 軸和C軸帶動(dòng)高壓渦輪導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，使被測(cè)氣膜孔朝向工業(yè)相機(jī)，并使其理論軸線處于與測(cè)量系統(tǒng)X 軸平行的方位；另一方面，控制三軸移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)工業(yè)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)氣膜孔，使工業(yè)相機(jī)能夠采集到完整的氣膜孔圖像。 然后，設(shè)置工業(yè)相機(jī)的移動(dòng)范圍與步長(zhǎng)，使移動(dòng)范圍大于被測(cè)氣膜孔的軸向深度，控制三軸移動(dòng)平臺(tái)按照給定模式運(yùn)動(dòng)，并在移動(dòng)過(guò)程中采集圖像序列，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6 所示。 在此過(guò)程中，工業(yè)相機(jī)相對(duì)于被測(cè)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(jī)對(duì)焦于不同深度的孔壁截面。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig．6 Experimental field

最后，通過(guò)基于改進(jìn)Prewitt 邊緣檢測(cè)算子的清晰度評(píng)價(jià)算法與規(guī)定的對(duì)焦測(cè)度，提取出每幅圖像中清晰成像的那部分像點(diǎn)，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(diǎn)（黑色部分），呈現(xiàn)為薄的、類(lèi)似圓環(huán)狀的形態(tài)，將這些像點(diǎn)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(shí)現(xiàn)基于景深合成的氣膜孔形貌三維重建。

圖7 清晰像點(diǎn)提取Fig．7 Extraction of focused image points

在試驗(yàn)過(guò)程中，工業(yè)相機(jī)沿著X 軸方向的移動(dòng)范圍為1.5 mm，步長(zhǎng)為0.03 mm，順序采集了51 幅圖像以組成對(duì)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(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig．9 3D data cloud of the hole wall……

對(duì)從每幅圖像中提取到的環(huán)狀點(diǎn)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(duì)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(cè)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(jué)測(cè)量任務(wù)。

圖10 每圈點(diǎn)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(jì)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(duì)該氣膜孔的軸線方向進(jìn)行10 次重復(fù)性測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab．1 Measuring results

從表1 中可以看出，對(duì)于該孔來(lái)說(shuō)，α 和γ 的測(cè)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(mǎn)足此類(lèi)氣膜孔特征的形位參數(shù)檢測(cè)要求，從而為解決氣膜孔軸線方向測(cè)量問(wèn)題提供了參考與解決思路。 在上述試驗(yàn)過(guò)程中，用于氣膜孔軸線方程計(jì)算的孔壁三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其精度水平會(huì)受到多種因素的影響，例如，三軸移動(dòng)平臺(tái)的直線定位誤差、雙軸位置轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)定位誤差、工業(yè)相機(jī)的姿態(tài)誤差以及圖像處理算法的誤差等，這些誤差都會(huì)反映到測(cè)量結(jié)果中。 因此，應(yīng)用所獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行孔軸線參數(shù)方程的最小二乘擬合時(shí)，所得到的氣膜孔軸線角度α和γ 與其真實(shí)值之間的測(cè)量誤差，是這些誤差綜合作用的結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)渦輪葉片氣膜孔的軸線方向測(cè)量難題，本文將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與多軸運(yùn)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并搭建了一套非接觸式的新型五軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，并在氣膜孔的軸線角度檢測(cè)方面開(kāi)展了積極實(shí)踐與探索。在應(yīng)用過(guò)程中，采集被測(cè)氣膜孔的圖像序列，并基于景深合成技術(shù)實(shí)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(diǎn)云，最后通過(guò)對(duì)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(cè)氣膜孔的軸線矢量。通過(guò)某高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔的軸線方向測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的可行性與功能實(shí)現(xiàn)，軸線角度的重復(fù)性測(cè)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。