三類葉片藍(lán)光面陣檢測(cè)及三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)探究

莊世寧 楊子一

摘要：目前葉片三維型面檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理需求迫切，但由于三維型面檢測(cè)存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)處理過(guò)程繁瑣、人為處理一致性差等問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量效率低下，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。本文以中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面的三維檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，本文主要探索中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面三維檢測(cè)，研究了GOM ATOS藍(lán)光面陣三維檢測(cè)技術(shù)，完成了對(duì)渦輪葉片、靜子葉片、導(dǎo)向葉片三類6 種葉片的三維快速檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究，為未來(lái)在葉片型面三維檢測(cè)的全面自動(dòng)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：葉片;藍(lán)光面陣檢測(cè)技術(shù);三維數(shù)據(jù)

1???? 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型獨(dú)特、生產(chǎn)技術(shù)要求較高，加工檢測(cè)以二維抽樣檢測(cè)為主。隨著設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)水平的提升，同時(shí)考慮到由于葉片工作溫度高、應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，其整體質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)，因此對(duì)葉片的二維抽樣檢測(cè)以逐漸不能滿足工藝設(shè)計(jì)需求。我公司主要應(yīng)用GOM ATOS藍(lán)光面陣三維檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行葉片型面三維檢測(cè)，但由于檢測(cè)過(guò)程對(duì)參考點(diǎn)位置、定位方法、操作人員的操作水平等等過(guò)程相關(guān)，對(duì)于特性零件沒(méi)有總結(jié)出足夠的方法規(guī)律;而數(shù)據(jù)處理過(guò)程繁瑣，人為因素大，耗時(shí)長(zhǎng)，大范圍推廣應(yīng)用存在一定的應(yīng)用難度。需要通過(guò)多類型葉片進(jìn)行三維檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)多類型葉片快速三維檢測(cè)及自動(dòng)數(shù)據(jù)處理。

2???? 柔性專用夾具設(shè)計(jì)

對(duì)于葉片三維型面檢測(cè)時(shí)，由于單幅拍照范圍有限，需要數(shù)十次的三維拍照檢測(cè)，每張拍照檢測(cè)結(jié)果通過(guò)公共參考點(diǎn)進(jìn)行軟件自動(dòng)計(jì)算拼接，形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于拼接存在一定誤差，且拍照次數(shù)越多耗時(shí)越長(zhǎng)。因此優(yōu)化貼點(diǎn)位置，減少拍照及拼接次數(shù)時(shí)，提高檢測(cè)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。本研究通過(guò)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)柔性頂尖專用夾具框架減少零件貼點(diǎn)，減少零件檢測(cè)干涉;通過(guò)高精度小視場(chǎng)與轉(zhuǎn)臺(tái)合理編配，提高了檢測(cè)精度和效率。

3???? 檢測(cè)過(guò)程及點(diǎn)云處理優(yōu)化研究

（1）???? 掃描頭的定位和測(cè)量?jī)?yōu)化

ATOS Core采用兩個(gè)立體相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)三角掃描原理，通過(guò)ATOS軟件計(jì)算后，各相機(jī)像素會(huì)轉(zhuǎn)換成獨(dú)立三維坐標(biāo)。測(cè)量時(shí)，根據(jù)零件類型選擇合適的裝方式，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)形式轉(zhuǎn)換，自由地移動(dòng)到工件附近。而最后所有單獨(dú)的測(cè)量數(shù)據(jù)都會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成一個(gè)共同的坐標(biāo)系，并合成一個(gè)完整的三維點(diǎn)云。

（2）???? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格優(yōu)化處理

ATOS Core采用GOM的三次掃描技術(shù)。立體相機(jī)與投影儀相結(jié)合，在單次掃描中一次性捕捉工件的三個(gè)不同方向數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)整合計(jì)算后，根據(jù)工件精度要求，選擇合理的多邊形網(wǎng)格優(yōu)化參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)工件的自由曲面和基元。通過(guò)軟件可以進(jìn)行三維分析以及二維截面或點(diǎn)分析，也可以根據(jù)CAD數(shù)據(jù)生成例如線、面、圓或圓柱等基元。

4???? 三類葉片三維檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理模塊開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

基于藍(lán)光面陣三維檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)渦輪葉片、靜子葉片、導(dǎo)向葉片三類6種葉片開(kāi)展了三維檢測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究，通過(guò)類型數(shù)據(jù)基準(zhǔn)自定義拾取、基準(zhǔn)建立、通用參數(shù)選取定義、三維擬合等模塊編輯，完成了三類葉片三維檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理模塊。

具體應(yīng)用過(guò)程如下：

4.1? 測(cè)量準(zhǔn)備

（1）???? 選擇導(dǎo)入的CAD文件;

（2）???? 處理CAD的錯(cuò)誤面片;

（3）???? 利用該軟件快速編制航空幾種常見(jiàn)的葉片的葉型測(cè)量計(jì)劃;

（4）???? 確定CAD坐標(biāo)系是否正確;

（5）???? 根據(jù)實(shí)際情況選擇需要檢測(cè)的葉片類型，同時(shí)選擇功能。

4.2? 普通榫齒葉片

首先，在量棒直徑處輸入量棒直徑，隨后點(diǎn)擊“構(gòu)造量棒”，點(diǎn)擊基準(zhǔn)齒的齒底圓，軟件將自動(dòng)構(gòu)造量棒。隨后，點(diǎn)擊構(gòu)造側(cè)面點(diǎn)，構(gòu)造側(cè)面基準(zhǔn)點(diǎn)。如果葉片很長(zhǎng)，用葉根齒型定X向旋轉(zhuǎn)可能會(huì)有較大偏差，此時(shí)可以構(gòu)造葉冠內(nèi)背方向的基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)勾選“作為X軸旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)”隨后點(diǎn)擊確認(rèn)，將自動(dòng)構(gòu)造對(duì)齊，隨后進(jìn)入葉型檢測(cè)模塊。

4.3? 半榫齒葉片

操作方法和榫齒葉片類似。不同的是，半榫齒葉片側(cè)面和內(nèi)背各自都至少需要三個(gè)點(diǎn)，否則無(wú)法點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕。

4.4? 帶氣膜孔的榫齒葉片

操作方法和榫齒葉片類似。選擇完基準(zhǔn)后確認(rèn)，軟件自動(dòng)構(gòu)造對(duì)齊后進(jìn)入葉型檢測(cè)模塊。

4.5? 靜子葉片

依次點(diǎn)擊構(gòu)造圓柱/ 平面，然后選擇CAD的圓柱/ 平面部分，即可構(gòu)造基準(zhǔn)。

4.6? 導(dǎo)向葉片扇形件

下圖是導(dǎo)向葉片扇形件的基準(zhǔn)構(gòu)造界面。根據(jù)圖紙要求，將A1，A2，A3，B4，C5，C6（名稱不同圖紙可能不同）的坐標(biāo)依次輸入。

4.7? 導(dǎo)向葉片

在構(gòu)造導(dǎo)向葉片基準(zhǔn)的界面下直接構(gòu)造基準(zhǔn)，側(cè)面和內(nèi)背各自都至少需要三個(gè)點(diǎn)，否則無(wú)法點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕。通道點(diǎn)可以一個(gè)點(diǎn)或者根冠通道各一個(gè)點(diǎn)。選擇完基準(zhǔn)后點(diǎn)擊確認(rèn)。

5翼型檢測(cè)模塊開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

為了與傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行比對(duì)，本研究基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)二次開(kāi)發(fā)通用翼型檢測(cè)模塊。實(shí)現(xiàn)三維型面檢測(cè)數(shù)據(jù)二維截面自動(dòng)截取擬合比對(duì)及參數(shù)輸出。具體應(yīng)用當(dāng)構(gòu)造完基準(zhǔn)后，軟件會(huì)進(jìn)入翼型檢測(cè)模塊。

5.1? 加載和保存配置

由于翼型參數(shù)較多，但是同一類型產(chǎn)品參數(shù)變化不大，為減少重復(fù)操作，可以保存現(xiàn)有配置或者加載之前的配置。同時(shí)程序會(huì)自動(dòng)加載上一次配置。

5.2? 全局設(shè)置

設(shè)置截面數(shù)量、氣流方向、邊緣擬合方式、單獨(dú)擬合方式等參數(shù)。

5.3? 輪廓和位置

定義葉片輪廓分段和公差的選項(xiàng)。

5.4? 尺寸公差

根據(jù)圖紙要求在菜單中輸入尺寸公差。

5.5? 構(gòu)造截面

在輸完葉型參數(shù)后，點(diǎn)擊確認(rèn)，軟件會(huì)跳出構(gòu)造截面的窗口。輸入截面名字，選擇參考平面和截面高度，點(diǎn)擊確認(rèn)，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算截面并出具報(bào)告。

6???? 報(bào)告與結(jié)論

6.1? 報(bào)告

7???? 結(jié)論

（1）???? 本文通過(guò)設(shè)計(jì)柔性頂尖專用夾具框架減少零件貼點(diǎn)，減少零件檢測(cè)干涉;通過(guò)高精度小視場(chǎng)與轉(zhuǎn)臺(tái)合理編配，提高檢測(cè)精度。

（2）???? 通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格優(yōu)化處理探究試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化快速處理參數(shù)。

（3）???? 通過(guò)開(kāi)發(fā)藍(lán)光面陣檢測(cè)三維數(shù)據(jù)處理程序自動(dòng)生成模塊，并分別完成對(duì)渦輪葉片、靜子葉片、導(dǎo)向葉片三類6 種葉片的自動(dòng)處理程序。

（4）???? 通過(guò)開(kāi)發(fā)處理及報(bào)告集成腳本程序，完成對(duì)自動(dòng)生成模塊及檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)的集成規(guī)范輸出。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 張羅丹.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片超聲C掃三維可視化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究[D].蘭州理工大學(xué)，2019.

[2]?? 周欣康.基于三維掃描點(diǎn)云分析的航空葉片型面檢測(cè)[D].華中科技大學(xué)，2015.

作者簡(jiǎn)介：

莊世寧，1987年，男，工程師，本科，葉型檢測(cè)技術(shù)研究.