燃機葉片型面三維光學掃描檢測方法研究

陳俊宇，殷 鳴，殷國富，向召偉，鄧珍波

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

0 引 言

葉片是汽輪發電機和渦輪發動機的重要零件之一，葉片的型面質量直接影響著汽輪機的能量轉換效率，它的形狀誤差對二次流損耗有著較大的影響。在葉片的生產過程中對型面的檢測十分嚴格，測量要求準確度較高[1-2]。目前對于葉片的測量，主要有標準樣板法[3]和三坐標測量法[4]。兩者都存在檢測過程復雜、測量效率低、無法準確反映葉片整個型面偏差值等缺點。

近年來隨著反求技術的發展，接觸式測量機已不再是葉片檢測的唯一或最佳選擇，采用非接觸式光學測量可以在與實物不接觸的情況下，利用非相干法或相干法原理獲取被測物體三維信息，并且由于其良好的準確性和實時性已成為測量領域的熱點，近年來很多非接觸測量葉片的方法被提出。文獻[5]研究了非接觸式白光測量機在葉片型面檢測中的應用，介紹了白光測量機檢測葉片的過程和分析方法，但檢測過程需要夾具對葉片進行裝夾定位，檢測過程復雜。文獻[6]研究了相位測量輪廓術應用于葉片測量，這種方法測量準確度高，但成本也高。文獻[7]分析了非接觸式激光位移傳感器的傾斜度誤差，用其獲得葉片表面數據并進行誤差分析，但激光測量機對環境要求較高，測量過程需要建立坐標系，測量時間長。文獻[8]研究了三維激光掃描發動機葉片的過程，介紹了掃描后發動機葉片曲面重構方法，并對發動機葉片三維和二維進行誤差分析，但沒有驗證是否滿足葉片檢測要求。

本文為了驗證兩種三維光學掃描方法檢測燃氣輪機葉片型面的效果。采用三維光學掃描和三坐標測量的方法對某燃氣輪機葉片進行數據采集，將點云進行去除噪點、統一采樣等方式進行精簡，并與設計模型配準后進行誤差分析，最后將兩種檢測結果進行對比分析，驗證了三維光學掃描能滿足葉片型面檢測要求，提出一種燃氣輪機葉片型面檢測的新方法。

1 葉片型面數據采集

1.1 三維光學掃描數據采集

1.1.1 三維光學掃描儀原理

實驗采用的手持式三維激光掃描儀是AMETEK公司的handy scan 700，其原理是基于三角形測距法和光柵條紋位移原理，通過對待測物發射線激光反射到攝影機中從而構建出完整的待測物3D模型，技術參數為：1）測量準確度最高為0.02 mm；2）測量速率為 480000次/s；3）測量范圍為275mm×250mm；4）操作溫度范圍為0～40℃。采用的三維光柵掃描儀是德國GOM公司的atos core 200，其工作原理是采用攝影測量、光柵測量兩種方法來測量實物，運用數字圖像處理技術，獲得實物的三維CAD數模，技術參數如下：1）測量準確度最高為0.008mm；2）測量范圍300mm×230mm；3）測量距離為 440 mm；4）操作溫度為 5～40℃。

1.1.2 數據采集過程

本文三維激光掃描儀與三維光柵掃描儀的掃描流程基本一致，對汽輪機葉片兩種光學掃描數據采集過程[9]如下：1）校準和配置儀器。校準掃描儀能夠提高掃描準確度，確保掃描準確性。汽輪機葉片屬于復雜的曲面零件，因此兩種三維光學掃描儀設置分辨率（每英寸范圍內能夠通過掃描得到多少真實的像素數量，即分辨率越高，獲得的葉片三維點云越多）為0.05mm，三維激光掃描儀的成像準確度（成像準確度越高，采集葉片表面點云越接近真實形狀，但同樣會增加噪點）設置為0.03mm。2）對葉片噴涂顯像劑。由于待檢葉片表面光滑，會產生一定光反射，需要通過噴涂顯像劑保證掃描的葉片點云數據更加完整。3）貼定位標點。檢測過程需要移動葉片，對于三維激光掃描，其定位標點貼在檢測平臺和葉片零件上，如圖1（a）所示，而三維光柵掃描需將定位標點貼在葉片上，如圖1（b）所示。葉片型面形狀復雜，因此在葉片上貼定位標點應盡量貼在零件平面上，在彎曲率較高的表面如進出汽邊上不貼定位標點，并保證定位標定點間隔一定距離。4）掃描定位標點。5）掃描葉片。在手持式三維激光掃描過程中移動葉片零件實現葉片360°掃描，而在三維光柵掃描過程中只移動葉片進行拍照，需多次拍照后進行數據拼接。6）編輯掃描數據。在掃描軟件中通過刪除噪點和孤立的片面、合并掃描數據、對齊掃描結果等操作對葉片掃描結果進行快速的處理。7）保存掃描數據。將編輯后的掃描數據以STL格式保存下來為后續葉片數據分析做準備。

1.2 三坐標測量葉片數據采集

三坐標測量機通常由測量主機、控制系統、測量頭、計算機（測量軟件）等部分組成。本文實驗中采用HEXAGON公司ZOOL3活動橋式測量機，它是中型尺寸帶垂直軸的移動L型橋式測量機，其特點是結構簡單、開敞性好、視野開闊、上下零件方便，運動速度快，準確度高。其技術參數如下：1）測量準確度為0.003mm；2）測量范圍最大為2000mm×4000mm×1800mm。

圖1 三維光柵掃描貼標定點后葉片

其工作環境要求溫度范圍在20℃左右，保證噪音（用連續的聲壓的當量來衡量）小于70 dB（A）,相對濕度25%～75%，從而保證三坐標測量準確度達到葉片檢測要求。

實驗中三坐標檢測葉片過程如下：將葉片放在吸盤上固定，在通過手動方式建立測量坐標系前提下，測頭在檢測截面上移動獲得點云數據。

2 葉片檢測數據處理分析過程

本文三維光學掃描獲得的點云數據量都在幾十萬個點以上，同時在葉片進出氣邊有許多噪點。因此在進行分析之前對點云進行數據精簡，采用設定點云之間最大間距的方法去除掃描過程中產生的噪點，通過統一采樣的方法設定保留的點云個數，并通過點云優化保證曲率不發生明顯變化[10]。再將精簡處理后的三維光學掃描點云數據和三坐標測量獲得的點云導入逆向校核軟件中與設計模型分別進行對比分析。采用的逆向校核軟件具有專門的葉片檢測模塊，可以更加快捷地對葉片型面數據進行分析。整個葉片型面分析過程包括模型配準、3D比較、2D比較、葉片截面分析、生成分析報告。

首先將兩種三維光學掃描和三坐標測得的點云分別與標準模型進行配準，在產品幾何形狀檢測中，常用的配準定位方法有以下3類：基于標記的配準方法、基于特征的配準的方法和基于表面點集的配準方法[11]。在三坐標檢測過程中已經建立了測量坐標系，因此不用對三坐標點云進行配準。對于三維光學掃描獲得的點云數據配準，為了消除數據分析系統誤差，應采用與三坐標檢測相同的坐標系選擇方法。三坐標的測量坐標系的確定是根據6點定位原理分別以葉根底面-葉根側面-葉根徑向面3個平面為基準。所以采用基于特征的配準方式對三維光學掃描葉片數據進行分析，從而保證檢測結果的準確性。

模型配準之后通過3D和2D分析比較命令和葉片分析模塊可以計算葉片型面的偏差值，其中包含葉片型面型線偏差圖，型線偏差的最大和最小值、標準偏差、偏差分布范圍和直方圖、葉片型面特征參數最大厚度和弦長等尺寸偏差值等[12]。

3 葉片檢測數據對比

3.1 葉片型面型線輪廓度偏差對比

本次實驗采用某燃汽輪機中壓缸動葉片作為實驗對象，其型面要求檢測準確度達到0.05mm，為了判斷葉片型面是否合格，通常對其關鍵截面進行檢測，判斷其型線輪廓度是否在公差范圍內，從而保證葉片型面質量。采用的汽輪機葉片需要對其型面的兩個關鍵截面B-B與C-C分別進行檢測，其中截面B-B與葉根端面距離為32.5mm，截面C-C為65mm，檢測截面在葉片型面上位置如圖2所示，其檢測截面型線輪廓度公差范圍為±0.1mm。

圖2 葉片檢測截面圖

通過對比分析三坐標測量與標準模型的數據，得到截面C-C型線偏差圖如圖3（a）所示，同理，得到三維光柵掃描和三維激光掃描的檢測截面C-C型線偏差圖如圖3（b）與圖3（c）所示。根據公差范圍設定型線偏差色譜圖，紅色部分為測量數據超過設計型線的公差范圍。從圖中對比可知，對于實驗中采用的葉片對象，兩種三維光學掃描和三坐標測量結果表明在出汽邊、進汽邊、背弧段都超過型線輪廓度允許的公差范圍，且超過公差的部分基本一致，另外三維激光掃描結果顯示在內弧段也存在超差。

圖3 檢測截面C-C型線偏差圖

圖4 檢測截面型線點云偏差分布圖

表1 葉片型面型線輪廓度偏差對比

對比分析兩種三維光學掃描與三坐標檢測結果在檢測截面上的型線偏差值，如表1所示。在兩個檢測截面上三維光柵掃描與三坐標測量結果的最大偏差、最小偏差和標準偏差3個指標上最大相差0.004 mm，而三維激光掃描與三坐標測量結果則最大相差為0.011mm。在逆向校核軟件中通過葉片三維點云與設計模型配準之后，在兩個檢測截面上生成每個點云的偏差值，在一定的偏差范圍內點云個數不同，通過軟件分析可以得出相應偏差區間點云所占比例。如圖4（a）和圖4（b）所示，兩個檢測截面上兩種三維光學掃描與三坐標測量結果在每個偏差范圍之內點云所占比例基本相同，三維光柵掃描與三坐標測量結果在相同偏差值區間內點云數據所占百分比相差都在0.4%之內，而三維激光掃描與三坐測量相差都在0.97%之內。

通過以上檢測截面型線偏差圖和偏差值及其分布范圍對比，表明三維光柵掃描與三坐標檢測型線偏差圖與偏差值相差較小，點云偏差分布情況更加接近。

3.2 葉片型面特征參數偏差對比

葉片型面特征參數包括前后緣半徑、弦線、弦長、軸弦長、弦傾角、中弧線、最大厚度等。根據實際生產檢測對葉片檢測截面的最大厚度和弦長滿足尺寸公差的要求，因此對比分析以上兩個葉片型面特征參數尺寸。本實驗所用葉片的檢測截面最大厚度公差為-0.13～0.20mm，弦長的公差范圍為±0.25mm。在反求軟件中通過葉片分析模塊得出兩種三維光學掃描和三坐標測量的截面最大厚度和弦長的值及其偏差值如表2所示，在兩個檢測截面上三維光柵掃描與三坐標檢測的最大厚度最大相差為0.008 mm，弦長最大相差為0.006 mm，而三維激光掃描與三坐標檢測的結果在最大厚度和弦長最大相差分為0.014mm和0.018mm。

表2 葉片型面關鍵尺寸對比

通過對比以上數據可知，兩種三維光學掃描與三坐檢測結果相差不大，但三維光柵掃描與三坐標檢測數據更加接近。

3.3 數據分析

三坐標檢測葉片型面準確度高，能夠準確的得到葉片型面檢測截面的數據偏差情況。因此將兩種三維光學掃描和三坐標檢測的測量結果進行對比，可以判斷三維光學掃描是否能滿足葉片檢測要求。根據葉片實際生產誤差要求，通過對比以上數據可知，兩種三維光學掃描測量結果都能夠基本滿足葉片檢測要求，且可以實現葉片3D尺寸檢測，同時三維光柵掃描與三坐標檢測結果更加接近。

4 結束語

本文介紹了兩種三維光學掃描和三坐標測量在汽輪機葉片型面檢測中的數據采集和分析過程。比較兩種三維光學掃描方法檢測葉片型面，三坐標檢測時間短、操作簡單，但三維激光掃描比三維光柵掃描檢測時間更短，操作更加便捷。將兩種三維光學掃描分析結果與三坐標檢測結果進行對比，結果表明兩種三維光學檢測結果能滿足葉片型面檢測要求，但三維光柵掃描準確度更高，檢測結果與三坐標測量結果相差更小。

如果在三維光學掃描檢測過程中建立專用夾具和檢測平臺，并實現分析軟件的自動化檢測，還可以進一步提高檢測效率，為實現汽輪機葉片型面的自動化高效檢測提供一種重要手段。

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