航空發動機葉片檢測三維重建

郭怡

摘 ? 要：為滿足航空發動機葉片焊接修復高質量要求和特殊性，為了實現焊槍路徑及工藝參數規劃，滿足焊接修復余量小且利于機械加工的目的;結合在葉片修復中通常只有破損葉片的實物，而沒有葉片原始的CAD模型的現實，開展適用于破損葉片的光學三維檢測與曲面修復研究。本文采用微距三維測量系統獲取葉片表面點云數據，設計自動機械臂平臺搭載掃描頭對整個葉片進行掃描，開發相應算法將點云數據融合為葉片的點云模型，突破葉片三維復雜曲面快速檢測與重構問題，特別是缺損部位曲面的修復，從而解決焊接修復時高精度柔性化問題，具有重要的理論意義和應用價值。

關鍵詞：逆向工程 ?三維重建 ?激光測量

中圖分類號：TP18 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0052-02

航空發動機葉片是航空發動機部件中的關鍵部分，在航空航天，汽車，能源，機械等各領域都有著極為廣泛的應用[1]。葉片作為高性能航空發動機的核心工作部件，全壽命周期中，發動機的銷售收入和后期的維修收入分別占總收入的 60%和 40%，且后期維修的利潤率更高。航空發動機壓氣機轉子葉片在高溫環境下高速旋轉工作，與工質（空氣）進行能量轉換，承受著較大的負荷，易發生各種不同程度的損傷，而且損壞率較高。由于葉片造價昂貴，故大量破損葉片需要焊接修復。傳統的手工修理方法耗時且精度低。為提高葉片維修的效率和精度，目前國際上在發動機葉片維修中已大量采用自動焊接專用設備。航空發動機葉片工作環境相當嚴酷，需要承受高溫、高壓、高摩擦等，這就對葉片性能提出了極高的要求，所以在葉片在使用維修過程中，必須采用高精度的檢測方法對葉片進行全面而又嚴格的檢測以確保葉片缺損修復質量達標。目前，常用的做法是采用逆向工程建立葉片的三維模型，通過對葉片表面的測量、三維數據重構獲取高精度的葉片三維模型，根據葉片曲面的數學模型精準預估葉片缺損，從而實現了葉片檢測[2]。

為滿足航空發動機葉片焊接修復高質量要求和特殊性，為了實現焊槍路徑及工藝參數規劃，滿足焊接修復余量小且利于機械加工的目的;結合在葉片修復中通常只有破損葉片的實物，而沒有葉片原始的CAD模型的現實，開展適用于破損葉片的光學三維檢測與曲面修復研究，突破葉片三維復雜曲面快速檢測與重構問題（特別是缺損部位曲面的修復），從而解決焊接修復時高精度柔性化問題，具有重要的理論意義和應用價值。

1 ?總體方案設計

由微距三維測量系統獲取葉片表面點云數據，設計自動機械臂平臺搭載掃描頭對整個葉片進行掃描，開發相應算法將點云數據融合為葉片的點云模型。再對葉片缺損部位進行初步檢測定位，根據部位的分類采用不同重構方法恢復葉片原始曲面模型，進而實現對缺損部位的精確測量和定量估計，總體方案如圖1所示。

2 ?關鍵內容

針對缺損葉片修復問題，本文通過對缺損部分模型的數學理論和算法深入研究，提出適用于航空發動機葉片的高精度三維測量方法和葉片曲面重構算法，并構建光學測量和重構系統。通過對缺損葉片三維測量數據進行預處理和點云重構，使其能夠自動檢測葉片缺損部位，并預測和重構原始理想葉片的曲面模型，精確估計缺損葉片的位置和形態，進而實現缺損葉片的自動修復。

2.1 葉片的微距三維測量系統和算法

葉片點云數據采集由微距相機與網格光柵結構光構成的掃描器，實現高精度的葉片局部三維掃描[3]。通過搭建機械臂平臺，搭載掃描器按照一定路徑移動，實現對葉片的完整掃描?？赏ㄟ^在掃描器安裝光學標記點，由安裝在外部的相機進行測量，以獲得掃描器空間位置，通過測量機械臂活動的方式，對機械臂進行硬件標定。實現機械臂控制算法，通過控制不同自由度關節電機的方式，實現掃描頭的空間高精度自由移動。配合掃描頭空間數據，實現相鄰幀點云的融合。對點云模型進行閉合、漏洞檢測，研究掃描器路徑的自動規劃和自動重掃，實現模型的自主自動掃描功能。

2.2 葉片三維測量數據處理和葉片點云模型重構技術

由三維測量系統獲得的葉片局部的點云數據需要注冊到統一世界坐標系下，并拼接為整個葉片的點云模型以便后續進行葉片曲面模型的重構。為了獲得高精度的點云模型，需要對點云數據進行去噪和平滑等預處理操作、局部點云之間進行高精度的匹配和拼接、對葉片三維測量不準確或匹配拼接失敗的點云數據進行重新掃描和全局匹配拼接、以及對點云模型的全局優化處理。內容包括：三維測量系統機械臂的定位和路徑獲取、點云特征匹配與拼接算法、保持邊界的點云濾波算法、點云模型的閉環檢測和增量式更新算法。

2.3 葉片缺損部分曲面模型重構技術

根據葉片點云數據對缺損部位進行定位和重構，需要對原始理想葉片的曲面模型進行估計。在沒有葉片原始CAD模型的條件下，從無缺損區域的點云數據利用葉片的對稱特性估計葉片曲面模型，以及從缺損區域周圍根據曲面平滑和延伸特性估計葉片曲面和曲線模型[4]。根據缺損發生在葉片上的不同部位，如葉尖、前后緣、葉片和葉背等，對數據進行分類采用不同的重構方法。研究內容包括：基于神經網絡的缺損檢測算法、基于相似性度量的曲面重構算法和曲面曲線延伸算法、基于能量最小化平滑和利用細分曲面重構葉片模型、基于截面線的缺損部分曲面重構和定量估計方法、缺損部分的數據分類和邊界提取問題。

3 ?結語

對于破損葉片目前主要采取更換和修復兩種手段，直接更換新的葉片將會帶來經濟上的壓力，若根據葉片損傷程度，修復具備修復價值的葉片，則損傷葉片使用壽命可大大延長，葉片所需更換數目將減少，整體維修費用將大幅降低，獲得很好經濟效益。本文采用微距測量技術，對需要修復的缺損葉片進行三維形貌測量，獲得葉片三維點云數據，進而實現缺損葉片三維重構，以指導焊接修復軌跡，從而解決焊接修復時高精度柔性化問題，具有重要的理論意義和應用價值。

參考文獻

[1] 于之靖，宋四同.基于逆向工程的航空發動機葉片數字化建模[J].機床與液壓，2011，39（17）：122-125.

[2] 廖駿.基于線結構光的航空發動機葉片三維形貌測量技術研究[D].南昌航空大學， 2017.

[3] 吳奇.基于結構光與旋轉平臺的三維重建技術[D].電子科技大學，2017.

[4] 董玲，楊洗陳，張海明，等.自由曲面破損零件激光再制造修復路徑生成[J].中國激光， 2012，39（7）：1-6.