Research of automatic measurement system aiming at blades based on structured light

鄧珍波，殷　鳴，向召偉，陳俊宇，殷國富

DENG Zhen-bo, YIN Ming, XIANG Zhao-wei, CHEN Jun-yu, YIN Guo-fu

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

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基于結(jié)構(gòu)光的葉片自動檢測系統(tǒng)研發(fā)

Research of automatic measurement system aiming at blades based on structured light

鄧珍波，殷鳴，向召偉，陳俊宇，殷國富

DENG Zhen-bo, YIN Ming, XIANG Zhao-wei, CHEN Jun-yu, YIN Guo-fu

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

摘 要：針對三坐標(biāo)檢測葉片型面時成本高、檢測輪廓有限，以及光學(xué)掃描檢測時難以快速、自動、完整掃描的問題，設(shè)計了基于結(jié)構(gòu)光掃描儀的葉片自動化檢測系統(tǒng)。PCI運動控制卡作為上位運動控制器，帶細分的步進電機作為動力元件，完成了三自由度的自動化檢測系統(tǒng)搭建和葉片掃描檢測。實驗結(jié)果表明，合理的掃描規(guī)劃高效地完成了整個葉片的掃描，并依托點云數(shù)據(jù)快速地實現(xiàn)了整個葉片三維逆向重構(gòu)與檢測。對比結(jié)構(gòu)光學(xué)檢測與三坐標(biāo)的截面輪廓檢測精度，該檢測系統(tǒng)能夠快速地獲取檢測模型并準(zhǔn)確地完成整個葉片精度檢測，提高了效率，降低了成本。

關(guān)鍵詞：逆向工程；葉片；結(jié)構(gòu)光；自動化檢測系統(tǒng)；掃描規(guī)則

0 引言

葉片作為汽輪機、航空發(fā)動機等設(shè)備的關(guān)鍵零部件，需求量大、型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工與檢測難度大，如何高效制造出大量符合要求的葉片是當(dāng)前研究的熱點。葉片型面是空間異形曲面，高效準(zhǔn)確地檢測葉片十分重要[1,2]。當(dāng)前常用的葉片檢測方法有標(biāo)準(zhǔn)樣板法、大型投影儀測量法、葉片自動繪圖測量法[3]、工業(yè)CT測量法[4]、光學(xué)掃描儀法[5～7]和三坐標(biāo)測量機（Coordinate Measuring Machine，CMM）測量法[8]。樣板法在汽輪機等葉片的粗加工中應(yīng)用比較廣泛，成本低且操作簡單直觀，但樣板靠拋光工人手工打磨，不能滿足設(shè)計人員對葉片越來越高的要求?；诠I(yè)CT的測量方法成本較高，測量效率較低，且操作比較繁瑣。CMM測量法測量精度高、重復(fù)性好、自動化程度高，適用于葉片的終檢，但成本較高、檢測輪廓有限。光學(xué)掃描包含激光掃描和光柵式掃描，能夠掃描得到整個模型表面的點云數(shù)據(jù)，得到全尺寸偏差。但合理規(guī)劃掃描路徑以便自動獲取模型完整點云數(shù)據(jù)是一個難題，且獲取的點云中存在噪聲點，會對測量精度產(chǎn)生一定的影響。隨著科技的發(fā)展，對葉片的精度檢測對葉片的精度檢測要求越來越高，從傳統(tǒng)的二維截面輪廓誤差逐漸升級為三維全尺寸誤差，對葉片的檢測提出了一系列要求，主要體現(xiàn)在：1）測量精度要求嚴苛，要求達到納米級；2）測量過程自動化與智能化，要求能夠一鍵式操作出檢測報表；3）二維輪廓檢測向三維全尺寸測量過度。逆向工程是一種從產(chǎn)品獲取對應(yīng)數(shù)字模型，依據(jù)反求模型對產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計、精度檢測等后續(xù)操作的方法[9,10]。針對葉片檢測中存在的一些問題，本文以葉片為對象，以結(jié)構(gòu)光三維掃描儀（ATOS）為工具，設(shè)計了一套自動化檢測平臺，結(jié)合逆向模型與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字模型比對生成零件全尺寸誤差云圖。

1 自動化檢測平臺設(shè)計

本文完成葉片三維模型的逆向重構(gòu)，需實現(xiàn)無死角掃描拍攝來獲取整個葉片型面上的點云數(shù)據(jù)。如圖1所示，針對不同型號的葉片，要完整地掃描完葉根、外弧、內(nèi)弧、進氣邊、出氣邊和葉根等關(guān)鍵部分，需要對葉片進行多角度拍攝。文章采用ATOS Core 200，掃描范圍為200mm×150mm×150mm，至少設(shè)計三個自由度才能夠?qū)崿F(xiàn)完整點云數(shù)據(jù)采集。

圖1　葉片結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

分析葉片結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計具有三個自由度的自動化檢測系統(tǒng)。如圖2所示，三個運動分別為掃描儀移動、掃描儀擺動、葉片轉(zhuǎn)動。掃描儀的豎直上下移動動力源為帶剎車的86步進電機，傳動部分選用同步帶，相對伺服電機與絲杠傳動成本較低，又能夠保證掃描時的定位精度。掃描儀的小幅擺動依靠帶減速器的57步進電機，既增強了電機的載荷特性，又可實現(xiàn)小角度的擺動。葉片掃描時靠電磁吸盤固定。吸盤固定在自動轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺由57步進電機匹配蝸桿蝸輪加工完成。

圖2　結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

1.2 控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)三個自由度的準(zhǔn)確控制，以及實現(xiàn)良好的人機交互，選用基于PC+PCI運動控制卡的上位控制方式。PC機選用win7 32位系統(tǒng)、CPU為Intel(R) Core(TM) i5-4440、內(nèi)存8GB；PCI運動控制卡選用樂創(chuàng)的MPC08卡，可控制四軸運動、三軸聯(lián)動，最大脈沖頻率可以達到2MHz。采用C++語言在MFC平臺上編制控制面板，實現(xiàn)良好的人機交互，如圖3所示。該控制平臺可以根據(jù)不同的掃描葉片調(diào)整各個運動參數(shù)，可以實現(xiàn)人工個性化掃描與自動化智能掃描。

圖3　控制系統(tǒng)

2 掃描逆向

文中采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)，掃描頭由左右兩臺高分辨率CCD工業(yè)相機和投射鏡頭組成。掃描頭上的投影裝置將抗干擾能力較強的藍光投影到被測葉片表面，根據(jù)葉片表面輪廓高度的變化，投影光柵發(fā)生不同程度變形，具有不同姿態(tài)與視角的左右兩臺高分辨率CCD相機同時攝取圖像。結(jié)合相移與灰度編碼技術(shù)，解決規(guī)則的光柵圖像受到物體表面高度的調(diào)制而發(fā)生變形所造成的兩幅圖像上空間點的對應(yīng)問題, 并通過兩臺相機的三角交匯快速獲得形體的三維坐標(biāo)信息?？焖佾@取葉片零件的完整掃描數(shù)據(jù)并擬合成所需要的三角面片(STL)模型，是基于逆向工程的葉片全尺寸檢測的關(guān)鍵。

圖4　結(jié)構(gòu)光掃描原理

2.1 點云掃描

根據(jù)葉片大小與形狀，本自動化掃描系統(tǒng)設(shè)置三個軸的運動參數(shù)獲取完整的葉片點云數(shù)據(jù)。由于葉片大小不一、形狀復(fù)雜、葉冠和葉根完整點云數(shù)據(jù)獲取難度較大，掃描拍攝時需調(diào)整掃描儀與葉片之間的相對位置。規(guī)劃掃描路徑時，為了兼顧掃描過程的快速性和完整性，將整個掃描劃分為三個部分，如圖5所示：初步快速軸向整體掃描，完成葉片大部分點云數(shù)據(jù)的獲??；葉冠補充掃描則是高效完善初步掃描時未能獲取的葉冠數(shù)據(jù)；葉根補充掃描補全葉根死角處的點云數(shù)據(jù)，提高檢測精度。

2.2 逆向擬合

經(jīng)掃描所得點云數(shù)據(jù)包含噪聲點，去除噪點得到葉片點云數(shù)據(jù)，再將計算所得點云數(shù)據(jù)進行曲面封裝。首先把鄰域點集投影到擬合平面上，化三維為二維，計算局部平面正則三角化；然后從局部三角化出發(fā)構(gòu)造全局三角化，從而用三角曲面擬葉片STL模型；最后將生成的葉片模型與參數(shù)模型對比得到制造偏差。

圖5　葉片掃描流程

3 檢測分析

葉片檢測的主要指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)截面輪廓的弦長、進氣邊邊界圓半徑、出氣邊邊界圓半徑、最大厚度值等參數(shù)。如圖6(a)、圖6(b)分別為距離葉根底面70.2600mm、26.9100mm兩個截面輪廓的偏差值。從圖中可知，四項主要參數(shù)偏差值都控制在50μm范圍內(nèi)，具有較高的精度。對比分析三坐標(biāo)檢測與基于結(jié)構(gòu)光柵兩種檢測方法，如表1所示：三坐標(biāo)檢測時截面Z=70.2600mm處最大截面厚度為4.1600mm、Z=26.9100mm處最大截面厚度為5.9858mm，結(jié)構(gòu)光掃面檢測時Z=70.2600mm處最大截面厚度為4.1405mm、Z=26.9100mm處最大截面厚度為5.9900mm，最大截面厚度差值分別為0.0205mm和0.0158mm，測量差異都在5%以內(nèi)。

圖6　截面輪廓檢測

隨著技術(shù)的不斷提高，對葉片的檢測要求也不斷苛刻，簡單的截面輪廓檢測已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)和使用要求。如圖7所示，根據(jù)掃描點云數(shù)據(jù)反求出葉片數(shù)字模型，與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型進行對比，得到葉片三維全尺寸偏差，可以更加全面地分析葉片的加工制造精度。由于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模建模時沒進行圓角設(shè)計，在對比分析時出現(xiàn)較大偏差，屬于正常范圍。葉身部分偏差值達到了0.13mm，誤差值較大，該葉片加工時精度較低?；诮Y(jié)構(gòu)光的空間三維尺寸檢測，得到葉片任意空間位置處的偏差值，并且以彩圖的形式表示出數(shù)值大小，直觀形象。

表1　不同檢測方法對比

圖7　全尺寸檢測

4 結(jié)論

本文針對燃氣輪機不同型號的葉片開發(fā)了一套基于結(jié)構(gòu)光柵的自動化檢測系統(tǒng)，簡單的人機交互界面提供了掃描參數(shù)設(shè)置接口，能夠根據(jù)不同型號葉片規(guī)劃智能檢測路徑，實現(xiàn)葉片高效準(zhǔn)確的掃描與逆向建模。制定好特定型號葉片的掃描規(guī)程，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片快速檢測，降低人為因素造成的干擾。相比三坐標(biāo)檢測方式，結(jié)構(gòu)光柵檢測技術(shù)將二維檢測擴展到了三維空間，掃描精度與三坐標(biāo)精度相近，可以求出視角范圍內(nèi)任意位置的加工制造偏差，進一步提高了葉片的使用性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介：鄧珍波（1988 -），男，四川自貢人，碩士研究生，研究方向為增材制造。

基金項目：四川省科技支撐計劃項目（2014GZ0114；2015GZ0012；2014GZ0054；2015GZ0025）

收稿日期：2015-09-23

中圖分類號：TH164

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0012-04