劉 璐，段發(fā)階，李天宇，鞏 鑫，劉昌文，李佳欣，鐘國舜

(1.天津大學(xué)，精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2 中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都 621000；3.中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所，北京 100000)

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片長期工作在高溫、高腐蝕等極端環(huán)境中，在服役的過程中非常容易產(chǎn)生裂紋、凹痕、劃痕、裂口等表面缺陷[1-4]，嚴(yán)重影響設(shè)備安全。壓氣機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其葉片在研制過程中，每次試驗(yàn)之后需進(jìn)行故障檢測(cè)，壓氣機(jī)扇形段葉片數(shù)量大、密度高，檢測(cè)項(xiàng)目多，葉片間距僅10～20 mm，測(cè)量空間極其狹小，且缺陷本身的尺度小、形態(tài)差異大，位置隱蔽，檢測(cè)過程極易受環(huán)境及零件結(jié)構(gòu)本身影響，特征提取非常困難，因此葉片表面缺陷檢測(cè)一直是葉片故障檢測(cè)過程中的難點(diǎn)。

傳統(tǒng)葉片裂紋等表面缺陷檢測(cè)的方法需要把葉片從發(fā)動(dòng)機(jī)中取出，拿到實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行微晶分析，這種檢測(cè)方法需要對(duì)葉片進(jìn)行破壞，屬于有損檢測(cè)?，F(xiàn)有的無損檢測(cè)方法多依賴人工，如X射線檢測(cè)、紅外熱圖檢測(cè)和超聲檢測(cè)[5-12]等，由檢測(cè)人員手持檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)人工檢測(cè)，然而現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備尺寸較大，無法伸入葉片間隙中實(shí)現(xiàn)對(duì)深處葉片表面的掃描，此外，依賴人工手持探頭進(jìn)行葉片掃描檢測(cè)，易受檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)影響，出現(xiàn)漏檢的情況。因此，檢測(cè)儀器設(shè)備的小型化、自動(dòng)化是目前的重要問題。

本文提出一種反射式微型結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)扇形段葉片表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，基于改進(jìn)結(jié)構(gòu)光視覺，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓氣機(jī)扇形段葉片表面形貌的三維重構(gòu)，為葉片故障診斷提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

航空發(fā)動(dòng)機(jī)扇形段葉片表面缺陷測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成硬件包括微型視覺傳感器(包括相機(jī)與線激光器)、圖像采集卡、PLC控制器、驅(qū)動(dòng)器、工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)模組，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

扇形段葉片的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，作為發(fā)揮導(dǎo)氣作用的靜子葉片，為了提高葉片剛性和自振頻率，扇形段葉片被設(shè)計(jì)成兩端固定的方式，相鄰的葉片間隙可近似看作矩形導(dǎo)氣槽，但葉片間隙僅10～20 mm，這給葉片的檢驗(yàn)工作帶來極高難度。傳統(tǒng)的掃描結(jié)構(gòu)一般為：將葉片固定后，由多自由度機(jī)械臂帶動(dòng)探頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描。由于扇形段葉片的特殊結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)機(jī)械控制的方法，需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)，軌跡插補(bǔ)控制定位精度較差，在扇形段葉片間隙狹小的空間內(nèi)極容易碰傷葉片。

圖2 典型扇形段葉片

為簡(jiǎn)化機(jī)械控制，本系統(tǒng)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行分解，將整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械控制分成2個(gè)部分，如圖3所示(為了表述方便，這里將圖中的運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行編號(hào))，分別是傳感器控制組①～④與葉片控制組⑤⑥。傳感器控制組具有4個(gè)自由度，分別是x、y、z3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，以及以z軸方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)；葉片控制組具有2個(gè)自由度，分別是以y軸方向?yàn)樾D(zhuǎn)中心的俯仰以及葉片軸向方向的旋轉(zhuǎn)。

圖3 扇形段葉片測(cè)量裝置

扇形段葉片通過工裝安裝在葉片控制組的轉(zhuǎn)動(dòng)盤上，葉片控制組帶動(dòng)葉片傾斜一定角度，使得微型傳感器的y向掃描運(yùn)動(dòng)方向與葉片的導(dǎo)氣方向處于平行狀態(tài)，將復(fù)雜的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為傳感器的一維直線運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)葉片表面掃描。

扇形段葉片表面掃描的流程如圖4所示。

圖4 扇形段葉片測(cè)量工作流程

2 微型視覺傳感器設(shè)計(jì)及測(cè)量原理

2.1 微型視覺傳感器設(shè)計(jì)

扇形段葉片的測(cè)量空間狹小，為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，保證運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制精度是一方面，測(cè)量傳感器體積的小型化也是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的關(guān)鍵。

由于線結(jié)構(gòu)光的測(cè)量需要激光平面與相機(jī)主光軸具有一定夾角，傳統(tǒng)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量傳感器受限于直射光路，其空間體積相對(duì)于10～20 mm的扇形段葉片間隙過大，實(shí)驗(yàn)證明，使用傳統(tǒng)線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，葉片內(nèi)部會(huì)有測(cè)量盲區(qū)，即使調(diào)整測(cè)量角度，線激光或相機(jī)視場(chǎng)也總會(huì)受到遮擋。因此，測(cè)量傳感器的體積必須滿足可以深入葉片間隙的要求，其截面寬度必須小于10 mm。如圖5所示，本文改進(jìn)了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光測(cè)量的方式，設(shè)計(jì)了微型視覺傳感器，通過轉(zhuǎn)折光路，改變了線結(jié)構(gòu)光視覺的等效測(cè)量位置，通過2個(gè)反射鏡，分別改變激光平面與微型相機(jī)的投射方向，從而改變其空間的相交位置，實(shí)現(xiàn)光路體積壓縮。傳感器探頭的理論設(shè)計(jì)位移測(cè)量方向與x軸平行，為方便位移測(cè)量后的坐標(biāo)系統(tǒng)一，需要保證相機(jī)光軸或激光平面投射方向中任一方向與傳感器位移測(cè)量方向相同。

圖5 微型視覺傳感器光路

假設(shè)激光投射器聚焦距離為L，相機(jī)焦距為f，L1表示反射前激光線的光程，L2表示經(jīng)平面鏡反射后至與相機(jī)光軸交點(diǎn)位置的光程，有如下約束條件：

L=L1+L2

(1)

相機(jī)物距為F，c1為相機(jī)主光軸經(jīng)過反射鏡前的光程，c2為經(jīng)平面鏡反射后至與激光平面交點(diǎn)位置的光程，有如下約束：

F=c1+c2

(2)

2.2 傳感器測(cè)量原理

經(jīng)過平面鏡反射后，線結(jié)構(gòu)光投射在被測(cè)物體表面，光平面與物體表面相交，形成一條激光條紋線，假設(shè)A點(diǎn)為激光條紋線上一點(diǎn)，A點(diǎn)在相機(jī)像平面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為A′，通過對(duì)線結(jié)構(gòu)光的激光平面進(jìn)行標(biāo)定后，得到線激光平面、世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系之間的空間位置關(guān)系，就可以建立起A與A′點(diǎn)之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)由二維平面像點(diǎn)與空間三維點(diǎn)的唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到空間點(diǎn)相對(duì)于傳感器的空間相對(duì)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)微小位移測(cè)量。

假設(shè)OL為光平面上一點(diǎn)，以O(shè)L為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系OLXLYL，并根據(jù)右手法則，將光平面坐標(biāo)系擴(kuò)展為三維坐標(biāo)，記為OLXLYLZL。令相機(jī)坐標(biāo)系為ocxcyczc，圖像坐標(biāo)系為OIXY，像素坐標(biāo)系為OEXEYE，則有

(3)

式中：R、T分別為從相機(jī)坐標(biāo)系到光平面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移變換。

R、T分別為：

(4)

(5)

依據(jù)攝像機(jī)透視變換關(guān)系，可得

(6)

式中：ρ為比例因子；A為相機(jī)的內(nèi)參矩陣；f為相機(jī)焦距。

由于光平面滿足zL=0，則式(6)可寫為

(7)

標(biāo)定好方向矢量(r1,r4,r7)，(r2,r5,r8)，平移矢量(Tx,Ty,Tz)，攝像機(jī)焦距f，即可建立光平面上點(diǎn)與圖像像素的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三維空間測(cè)量。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置：微型相機(jī)像素為1 280×720。激光器選用PGL牌激光器，波長為405 nm，聚焦處線寬為44 μm，使用位移臺(tái)為卓立漢光KA、TBR系列。

使用張正友標(biāo)定法[13]對(duì)相機(jī)內(nèi)參進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的參數(shù)如表1所示。

表1 相機(jī)標(biāo)定結(jié)果

假設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系下光平面的方程為

Acx+Bcy+Ccz+Dc=0

(8)

標(biāo)定后的參數(shù)計(jì)算為：

Ac=-0.001 1,Bc=0.078 5,Cc=-0.091 2，Dc=1

圖6為自加工扇形段葉片模型，與實(shí)際扇形段葉片具有類似的幾何特征，本文對(duì)此模型進(jìn)行了掃描試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖6 扇形段模型

(a)部分掃描圖片

為了驗(yàn)證系統(tǒng)精度，本文展開了對(duì)比試驗(yàn)，通過位移臺(tái)移動(dòng)一定距離，將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)與激光干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。在傳感器全量程范圍內(nèi)，測(cè)量誤差最大為68.9 μm，具有較好的測(cè)量效果。

表2 精度對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語

本文搭建并完成了一套基于視覺檢測(cè)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)扇形段葉片表面形貌測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)傳感器掃描運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了分解，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)控制邏輯，避免了插補(bǔ)算法帶來的運(yùn)動(dòng)控制誤差，設(shè)計(jì)了一種可用于狹小空間進(jìn)行表面測(cè)量的微型視覺傳感器，折疊了傳統(tǒng)線結(jié)構(gòu)光傳感器的空間光路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了10 mm空間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)扇形段葉片表面檢測(cè)，為后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜子葉片故障檢測(cè)具有重要意義。