畢 超, 郝 雪, 劉孟晨, 房建國

(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)域中,發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件,為航空器提供維持飛行所需的動(dòng)力,直接影響著飛行的機(jī)動(dòng)性、安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等性能,現(xiàn)已成為一個(gè)國家的科技、工業(yè)和國防實(shí)力的重要體現(xiàn)。近年來,隨著世界航空工業(yè)的蓬勃發(fā)展,新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)日益向著質(zhì)量更輕、壽命更長、推力更大、推重比更高、耗油率更低、耐久性更好和可靠性更優(yōu)等的方向發(fā)展[1]。而要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo),就需要進(jìn)一步提高渦輪前的燃?xì)鉁囟?。目?推重比為10的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到1 940 K[2],超越了工作在此溫度環(huán)境下的高壓渦輪葉片材料的耐溫極限。

因此,必須采取必要的技術(shù)手段使高壓渦輪葉片具有相應(yīng)的承溫能力,以實(shí)現(xiàn)其長期、穩(wěn)定工作。除了采用耐高溫材料、熱障涂層和熱防護(hù)技術(shù)之外,先進(jìn)的氣膜冷卻技術(shù)也是確保高壓渦輪葉片在高溫環(huán)境中可靠服役的重要技術(shù)手段,該技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于渦輪葉片上,有效地提升了高壓渦輪系統(tǒng)的性能和效率。所謂氣膜冷卻技術(shù),就是將冷卻介質(zhì)從冷卻氣膜孔(簡稱“氣膜孔”)中噴射出來以在葉片表面形成冷卻氣膜,從而對葉片起到隔熱和冷卻的作用[3]。研究表明:葉片在高溫高壓下的機(jī)械性能和冷卻效果與葉身型面上的氣膜孔的孔徑、空間位置和軸線角度等形位參數(shù)有著極其重要的關(guān)系。因此,為了確保加工出的氣膜孔符合渦輪葉片的設(shè)計(jì)要求,從而使冷卻氣膜的覆蓋更加完善,必須對氣膜孔的實(shí)際幾何技術(shù)狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控。

通常來說,對于氣膜孔的質(zhì)量控制和要求主要體現(xiàn)在:(1) 孔徑,公差值一般為0.10 mm,而且要為通孔;(2) 空間位置,主要包括幾何位置和孔間距等,位置度公差一般為0.10～0.15 mm;(3) 軸線角度,一般要求控制在±1°范圍內(nèi)。然而,氣膜孔具有孔徑小、數(shù)量多、深徑比大、位置和角度復(fù)雜以及質(zhì)量要求高等特點(diǎn),而且大多分布于高壓渦輪葉片的葉尖、葉身型面和緣板等部位,這就給批量氣膜孔的快速、精確檢測帶來了巨大困難[4]。

目前,氣膜孔的形位參數(shù)檢測已經(jīng)引起了國內(nèi)外航空制造企業(yè)的高度關(guān)注。近年來,隨著測量技術(shù)的進(jìn)步,多種形式的視覺測量手段被引入到了航空領(lǐng)域中,極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量手段的局限。視覺測量屬于非接觸式測量技術(shù),是將計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用于幾何特征的測量和定位,把圖像作為獲取信息的手段,不僅具有非接觸式測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),還具有成本低、輕便小巧、機(jī)動(dòng)靈活和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場,現(xiàn)在已成為非接觸式測量領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容[5]。例如,奧地利Alicona公司研制的自動(dòng)變焦三維表面測量儀InfiniteFocus G5,是集微型三坐標(biāo)測量和表面形貌檢測于一體的3D光學(xué)測量系統(tǒng),通過將光學(xué)系統(tǒng)的小景深與垂直掃描相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)、三維形貌和表面粗糙度等的測量,也可以應(yīng)用于氣膜孔的形位參數(shù)檢測[6]。該測量系統(tǒng)的最佳水平分辨率為0.44 μm,最佳垂直分辨率為10 nm,最大掃描高度為22.5 mm,最小可重復(fù)性可以達(dá)到0.001 μm,并且具有可溯源、高分辨率和高可重復(fù)性等特點(diǎn)。

在國內(nèi),為了提高氣膜孔的質(zhì)量檢測水平,很多研究人員也開展了積極探索。王呈、關(guān)軍等介紹了采用五軸光學(xué)復(fù)合坐標(biāo)測量機(jī)實(shí)現(xiàn)氣膜孔的位置度檢測的思路和途徑,并提出了一種方便快捷的葉片氣膜孔工件坐標(biāo)系的建立方法,但并未開展真實(shí)氣膜孔的測量實(shí)驗(yàn)[7,8];鮑晨興等基于機(jī)器視覺原理,研制了一套基于CCD的葉片氣膜孔快速檢測系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)氣膜孔軸線角度和直徑的測量,重復(fù)性誤差分別為0.2°和0.1 mm[9],但檢測過程嚴(yán)重依賴于圖像處理的精度,而且無法實(shí)現(xiàn)孔壁形貌的三維重建;隋鑫等將接觸式與非接觸式傳感器集成到三坐標(biāo)測量機(jī)上以實(shí)現(xiàn)微孔的幾何參數(shù)測量,應(yīng)用玻璃光纖探針來觸碰微孔內(nèi)壁,然后由圖像傳感器捕獲探針與微孔之間的相對位置關(guān)系圖像[10],從而獲取所需參數(shù),對于微孔內(nèi)壁的圓柱度和錐度的測量重復(fù)性分別達(dá)到了1.36 μm和1.51 μm,但測量效率不高,因而無法滿足批量氣膜孔的檢測需求。這些研究雖然取得了一定成果,但尚未達(dá)到成熟且實(shí)用的水平,在工程化應(yīng)用上還無法滿足批量氣膜孔對于檢測效率、準(zhǔn)確性和重復(fù)性等的要求。

為了解決高壓渦輪葉片氣膜孔的三維形貌獲取難題,從而為后續(xù)的形位參數(shù)提取提供依據(jù),本文基于機(jī)器視覺原理,搭建了非接觸式的四軸視覺測量系統(tǒng),并應(yīng)用景深合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了待測氣膜孔的孔壁形貌的三維重建以及點(diǎn)云獲取。該系統(tǒng)以三坐標(biāo)測量機(jī)框架作為平臺(tái),以高精度轉(zhuǎn)臺(tái)作為回轉(zhuǎn)軸,并且采用由工業(yè)相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭與光源等構(gòu)成的圖像采集裝置作為前端傳感器。在三維重建的過程中,通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)圖像采集裝置以小步長運(yùn)動(dòng)以獲取被測氣膜孔的對焦圖像序列,而后應(yīng)用景深合成技術(shù)構(gòu)造出孔壁形貌的三維立體圖像,并轉(zhuǎn)化為孔壁的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而為氣膜孔形位參數(shù)的獲取奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 氣膜孔的幾何特征

高壓渦輪導(dǎo)向葉片是一種特殊的熱端零件,主要由外緣板、葉身和內(nèi)緣板等構(gòu)成,而且大多數(shù)為具有異形截面的復(fù)合式氣冷空心葉片,位于燃燒室與高壓渦輪轉(zhuǎn)子之間[11]。相鄰導(dǎo)向葉片之間的通道共同構(gòu)成了氣流的收斂管道,可以對流經(jīng)導(dǎo)向葉片的氣流起到導(dǎo)向、整流和加速的作用,從而使高溫高壓燃?xì)庠谶M(jìn)入高壓渦輪轉(zhuǎn)子時(shí)具有一定的速度和方向。因此,由燃燒室流出的高溫高壓燃?xì)鈱⑹紫葲_擊到高壓渦輪導(dǎo)向葉片,從而使其成為渦輪部件中承受溫度最高且承受熱沖擊最猛烈的零件[12];同時(shí),為了提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和推重比,往往采用提高渦輪前燃?xì)鉁囟鹊姆椒?而這將導(dǎo)致高壓渦輪導(dǎo)向葉片的工作溫度進(jìn)一步升高。在這樣的背景下,必須對葉片采取熱防護(hù)和冷卻措施,而氣膜冷卻技術(shù)作為一種有效的冷卻手段,已被廣泛應(yīng)用于高壓渦輪葉片上。

具體說來,氣膜冷卻技術(shù)就是在渦輪葉片的葉尖、葉身型面和緣板等部位設(shè)計(jì)大量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布不均的冷卻氣膜孔,如圖1所示。這些氣膜孔分布于葉片表面上,并且與葉片內(nèi)腔相通,這樣就可以通過葉片內(nèi)部的冷卻通道將溫度相對較低的氣體通過氣膜孔噴射出來,從而在葉片表面形成薄的冷卻氣膜包覆,以隔絕從燃燒室噴出的高溫高壓燃?xì)?實(shí)現(xiàn)對渦輪葉片的冷卻和保護(hù)。目前,分布于高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔,數(shù)量通常為幾十到幾百個(gè),而且孔徑非常小,大多處于φ0.3～φ1.2 mm之間,而深徑比則為1～3。根據(jù)氣流的方向,氣膜孔通常沿著葉身方向呈線性排列,位置精度要求高;而孔的軸線則位于與導(dǎo)向葉片的積疊軸相垂直的平面內(nèi),呈現(xiàn)為放射狀特征,而且每排孔的軸線方向都不盡相同,有些氣膜孔的軸線與葉片表面夾角較小,形成斜孔,這就給加工和測量都帶來了很大難度。

圖1 高壓渦輪導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Structure characters of the high-pressure turbine blade

3 系統(tǒng)的測量原理

氣膜冷卻技術(shù)的關(guān)鍵在于氣膜孔的設(shè)計(jì)與布局,而加工后的氣膜孔能否滿足設(shè)計(jì)模型的精度與質(zhì)量控制要求,就需要由相應(yīng)的測量設(shè)備對其實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行評定。根據(jù)高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔的分布特點(diǎn)與測量需求,本文應(yīng)用三坐標(biāo)測量機(jī)框架、高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)、葉片專用夾具和圖像采集裝置等搭建了非接觸式的四軸視覺測量系統(tǒng),如圖2所示,以實(shí)現(xiàn)氣膜孔的孔壁形貌特征的三維重建和顯示,從而為實(shí)現(xiàn)氣膜孔的孔徑、空間位置與軸線角度等形位參數(shù)的非接觸式測量提供依據(jù),進(jìn)而為解決氣膜孔加工過程中的量值傳遞與溯源難題提供技術(shù)支撐。

圖2 測量系統(tǒng)組成圖Fig.2 Composition drawing of the measuring system

在圖2中,測量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由X、Y和Z三個(gè)直線軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。其中,X、Y和Z軸集成在一起,由三坐標(biāo)測量機(jī)框架實(shí)現(xiàn),而回轉(zhuǎn)軸單獨(dú)布置,由高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn),而被測的高壓渦輪導(dǎo)向葉片則通過葉片專用夾具固定在回轉(zhuǎn)軸上。圖像采集裝置安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)框架的Z軸末端,因而可以沿著相互垂直的X、Y和Z軸進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)動(dòng)或者聯(lián)動(dòng),并且實(shí)現(xiàn)由X、Y和Z軸構(gòu)成的直角坐標(biāo)系內(nèi)任意一點(diǎn)的精確定位。

基于所設(shè)計(jì)的氣膜孔視覺測量系統(tǒng),本文采用了景深合成技術(shù)(depth from focus,DFF)來實(shí)現(xiàn)氣膜孔的孔壁形貌特征的三維重建,從而為后續(xù)的三維可視化與形位參數(shù)提取奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。景深合成的思想源于自動(dòng)對焦技術(shù),是一種由一系列具有不同對焦位置的圖像恢復(fù)出被測物體的三維形貌特征的方法[13]。由于被測物體在成像光軸方向上的三維起伏,處于不同截面(垂直成像光軸方向)上的物點(diǎn)的物距均不相同。而圖像采集裝置為遠(yuǎn)心成像系統(tǒng),其物方焦距和放大倍率固定,并且景深范圍有限,因而在同一對焦位置處,物體表面上的全部物點(diǎn)無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)清晰成像,而只有那些處于物方焦平面處的景深范圍之內(nèi)的物點(diǎn)能夠清晰成像,其他物點(diǎn)的成像則相對模糊。因此,通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使圖像采集裝置沿著成像光軸的方向以小步長移動(dòng),同時(shí)采集被測物體的圖像,則物方焦平面也將隨之移動(dòng),從而沿光軸方向完成對被測物體的掃描,如圖3所示。在這個(gè)過程中,將會(huì)得到一系列同一區(qū)域而對焦位置不同的圖像,這些圖像猶如一系列具有不同深度的截面,而每個(gè)物點(diǎn)則至少可以在其中的一幅圖像上清晰成像,因而這一系列圖像也稱為“對焦圖像序列”。

圖3 對焦圖像序列的采集過程Fig.3 Acquisition process of the focus image sequence

在獲得被測物體的對焦圖像序列后,通過相應(yīng)的對焦評價(jià)函數(shù)(例如Brenner梯度函數(shù)、Tenengrad梯度函數(shù)和灰度方差函數(shù)等)與規(guī)定的對焦測度來提取出每幅圖像中清晰成像的那部分像點(diǎn),并確定出這些像點(diǎn)所在圖像的索引值。因此,通過對對焦圖像序列的處理,可以獲取被測表面上的全部物點(diǎn)處于各自的正確對焦位置時(shí)(即清晰成像)的那幅圖像,而后通過標(biāo)定過程將圖像的索引值轉(zhuǎn)化為與之相對應(yīng)的深度信息,就可以重建出被測物體的三維立體圖像,實(shí)現(xiàn)景深合成;同時(shí),通過一定的疊合規(guī)則,將與每個(gè)物點(diǎn)相對應(yīng)的清晰像點(diǎn)全部融合到一幅圖像中,即可重建出一幅各個(gè)部位均十分清晰的合成圖像,整個(gè)過程的基本原理如圖4所示。

圖4 景深合成的基本原理Fig.4 Basic principle of depth from focus

基于以上的景深合成的基本原理,本文在上位機(jī)軟件中編寫了相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)代碼,也可以通過成熟的商用機(jī)器視覺算法包來實(shí)現(xiàn),例如德國MVtec公司的HALCON軟件等。

4 系統(tǒng)組成

本文選用北京航空精密機(jī)械研究所生產(chǎn)的PEARL 555型三坐標(biāo)測量機(jī)作為系統(tǒng)平臺(tái),在其框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將圖像采集裝置安裝在該型測量機(jī)的Z軸末端,以搭建非接觸式的氣膜孔視覺測量系統(tǒng),如圖5所示。該型測量機(jī)采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù),輕便高效,其敞開的工作空間更具操作性,X、Y和Z軸均采用天然花崗巖,具有相同的熱力學(xué)特性,同時(shí)采用內(nèi)置鋼絲的增強(qiáng)型同步帶,使整機(jī)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。X、Y和Z軸的行程均為500 mm,各軸光柵尺的分辨率為0.5 μm,測量不確定度為(2.5+3×L/1 000)μm(L為測量長度),重復(fù)定位精度為2.8 μm[14]。

圖5 氣膜孔視覺測量系統(tǒng)Fig.5 The vision measuring system of film cooling holes

在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面,采用了日本Yaskawa公司的SGMCS型直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸,該型電機(jī)可以在不帶減速器的狀態(tài)下直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載,能夠?qū)崿F(xiàn)從低速到高速的強(qiáng)力平滑運(yùn)行,并且內(nèi)置了20位的高分辨率編碼器,定位精度達(dá)1″,因而可以用于將被測零件精確定位到所需位置。

圖像采集裝置由工業(yè)相機(jī)、鏡頭與光源等組成,其中,工業(yè)相機(jī)選用了大恒圖像公司生產(chǎn)的水星MER系列工業(yè)數(shù)字相機(jī),該型相機(jī)采用全局曝光的Sony IMX252 CMOS傳感器,其分辨率為2 048×1 536像素,尺寸為3.45 μm×3.45 μm,幀率為125 幀/s,標(biāo)準(zhǔn)C接口,通過USB 3.0數(shù)據(jù)接口進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的傳輸。為了配合該型工業(yè)相機(jī)的使用,選用了日本MORITEX公司的MML-ST系列工業(yè)遠(yuǎn)心鏡頭,該型鏡頭具有高對比度、高分辨率和低失真度的特征,并且具有高水平的光學(xué)識(shí)別能力,其分辨率為11.2 μm,放大倍率為3×,工作距離為108.3 mm,景深為0.44 mm。

5 實(shí)驗(yàn)過程

基于景深合成的基本原理和四軸視覺測量系統(tǒng),本文通過對被測氣膜孔的孔壁進(jìn)行景深合成以重構(gòu)出其三維形貌。具體步驟為:首先,調(diào)整圖像采集裝置的空間方位,使其成像光軸的方向與測量系統(tǒng)的X軸的運(yùn)動(dòng)方向平行,并將待測高壓渦輪導(dǎo)向葉片固定在高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)上的葉片專用夾具中,通過回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn),使葉片上的待測氣膜孔的朝向圖像采集裝置;其次,通過X、Y和Z軸的運(yùn)動(dòng)使圖像采集裝置對準(zhǔn)被測氣膜孔,并且使整個(gè)氣膜孔處于圖像采集裝置的視場范圍中,再通過運(yùn)動(dòng)控制使圖像采集裝置沿X軸方向作小步長移動(dòng),從而改變其與待測氣膜孔之間的相對位置關(guān)系,并在移動(dòng)過程中采集氣膜孔各個(gè)對焦位置處的圖像,以形成對焦圖像序列;再次,在對焦圖像序列中,通過對焦評價(jià)函數(shù)、對焦測度與疊合規(guī)則提取出每幅圖像中由清晰像點(diǎn)構(gòu)成的清晰區(qū)域以及相應(yīng)的圖像索引值;最后,通過標(biāo)定將圖像索引值轉(zhuǎn)化為物理深度信息,并對深度信息進(jìn)行插值與擬合,即可恢復(fù)出比較精確的氣膜孔深度信息,從而通過二維圖像序列實(shí)現(xiàn)氣膜孔孔壁形貌的三維重建和測量。

為了驗(yàn)證本文所搭建的氣膜孔視覺測量系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性,選取了某個(gè)高壓渦輪導(dǎo)向葉片作為被測對象,對其上的某個(gè)氣膜孔進(jìn)行了景深合成實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.6 The experiment site

在實(shí)驗(yàn)過程中,測量系統(tǒng)沿X軸移動(dòng)的步長為0.03 mm,移動(dòng)范圍為1.2 mm,從而不斷調(diào)整圖像采集裝置在X軸方向的位置,使其物方焦平面對焦于被測氣膜孔的不同深度截面,順序采集了40幅圖像以組成對焦圖像序列。在三維重建過程中,以最低面為基準(zhǔn)面,則該氣膜孔的孔壁表面形貌的三維重建結(jié)果如圖7所示,將其轉(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8所示。

圖7 孔壁的三維形貌Fig.7 3D shape of the hole wall

圖8 孔壁的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.8 3D point data of the hole wall

從圖7和圖8中可以看出,本文所設(shè)計(jì)和搭建的氣膜孔視覺測量系統(tǒng),能夠通過景深合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)被測氣膜孔的孔壁三維形貌的重建和顯示,故可用于觀察氣膜孔的實(shí)際加工狀態(tài),并且能將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間三維點(diǎn)云,從而為后續(xù)的形位參數(shù)提取奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),具有一定的有效性和實(shí)用性。

6 結(jié) 論

本文應(yīng)用三坐標(biāo)測量機(jī)框架、高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)、葉片專用夾具和圖像采集裝置等搭建了非接觸式的氣膜孔視覺測量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了孔壁形貌的三維重建與三維點(diǎn)云提取,以應(yīng)對高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔特征的測量難題。該測量系統(tǒng)將新型的視覺測量技術(shù)與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量技術(shù)結(jié)合在一起,充分發(fā)揮了三坐標(biāo)測量機(jī)的移動(dòng)范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)等的優(yōu)點(diǎn)與視覺系統(tǒng)的非接觸、響應(yīng)快、采樣頻率高和信息豐富等的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)回避了各自的局限和不足,擴(kuò)展了坐標(biāo)測量技術(shù)的應(yīng)用范圍。在實(shí)驗(yàn)過程中,針對高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔,通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)圖像采集裝置以小步長移動(dòng),同時(shí)采集氣膜孔圖像以獲取對焦圖像序列,而后通過景深合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了孔壁三維形貌的重構(gòu)和顯示,從而為后續(xù)提取氣膜孔的形位參數(shù)提供了依據(jù),進(jìn)而為解決氣膜孔加工過程中的量值傳遞與溯源難題提供技術(shù)支撐。