基于線結構光的葉片型面特征檢測方法研究

劉浩浩，殷 鳴，王宗平，歐登熒，謝羅峰，殷國富,

(1.四川大學機械工程學院，四川 成都 610065; 2.四川大學空天科學與工程學院，四川 成都 610065)

0 引 言

葉片是燃氣輪機和航空發動機的核心部件，其形狀特征對于整機性能的影響至關重要[1-2]。葉片的精確測量目前主要采用三坐標測量機，其成本高、檢測過程復雜、整體效率較低，也難以實現葉片三維形貌的準確重構[3]。隨著我國兩機行業的高速發展，對于葉片在研發、生產和維修等方面全生命周期檢測的要求不斷提高，迫切需要新的高效精密檢測手段。

近年來光學測量技術的發展為葉片三維形貌的檢測提供了新的技術手段。非接觸式光學測量可以在不接觸物體表面的情況下快速獲取待測物體表面信息。近年來很多針對葉片檢測的非接觸式方法被提出，劉博文等[4]采用一種以多個線激光掃描傳感器為主體的葉片測量方案，該方案測量效率高，但引入較多安裝誤差，需提前標定多個傳感器的位置關系。Li等[5]通過3個目標球實現光學傳感器與轉臺平面之間的標定，進一步將葉片點云統一在坐標系下。該方法未考慮傳感器安裝位姿對所測輪廓與測量基準之間的偏離影響。Fu等[6]向葉片表面投射具有一定編碼規則的結構光，通過相位解算得到葉片三維點云數據，但是葉片表面的光反射對測量結果有較大影響。向志聰等[7]利用相位輪廓測量系統測量出葉片前緣三維輪廓，該方法測量精度較高，但前期需經過復雜的標定過程。Sun等[8]提出一種采用標準量塊的葉片輪廓數據采集與拼接方案，該方案對標準量塊的安裝位置要求較高，需將量塊正對點激光傳感器，通過標準量塊厚度實現數據拼接。該方案可實現Y方向上的精確拼接，但在X方向上存在拼接誤差。面向葉片檢測的實際需求，如何進行綜合設計從而建立通用合理的自動化掃描測量裝置、可靠的系統標定及數據拼接策略與方法，是控制成本的同時提高測量效率和精度的難點與關鍵。

本文從現行葉片檢測標準出發，在線結構光測量原理基礎上設計搭建了一套四自由度檢測平臺；利用該平臺對線結構光傳感器位姿進行校準和葉片軸線位姿進行校準；提出一種基于圓柱標定物的線結構光數據采集與拼接方法，實現采集數據的精確拼接，同時避免了復雜的坐標轉換和轉臺軸線的標定過程；最終以某型號燃氣輪機導向葉片為對象進行了實驗測試，通過與精密三坐標測量機實測數據的對比驗證了本文所建立裝置和方法面向葉片型面實際檢測需求的可行性。

1 基于線結構光的葉片檢測平臺

面向覆蓋葉片全型面檢測的需求，同時考慮與現行葉片檢測標準的通用性，構建基于線結構光的檢測平臺如圖1所示。

圖 1 基于線結構光的葉片型面檢測平臺

由于線結構光傳感器單次測量范圍僅為葉片截面上一段輪廓線，因此為實現葉片全型面的掃描，平臺由一個轉動分量與3個平移分量構成。以X、Y、Z軸移動以及轉臺轉動為主運動，3個平移分量作用于線結構光傳感器（以下簡稱傳感器），轉動分量作用于待測葉片。在測量過程中，通過合理規劃測量時的運動路徑，能夠在一定尺寸范圍內實現待測葉片的全型面自動掃描。平臺選用的3個平移軸為卓立漢光KSA系列高精密電動直線模組，其分辨率均為 1 μm，重復定位準確度均小于±3 μm；其中X、Y軸行程為200 mm，Z軸行程為400 mm，能夠基本滿足中小型葉片的測量范圍需求；轉臺為RAK200高精密電動旋轉臺，其重復定位精度小于±0.005°，角度范圍為 0°～360°。采用更高精度的硬件有助于提高測量精度，但測量裝置成本會相應提高。

選擇合適的線結構光傳感器，能夠在盡量避免精加工葉片反光表面數據缺失的同時保證較高的測量精度。本文選用的數據采集設備為基恩士LJV7060線結構光傳感器，其采用的光源為405 nm波長的藍色半導體激光，可減輕因目標表面材質、顏色等原因造成的數據缺失現象。該傳感器的主要技術參數見表1，具有測量速度快、精度高、重復性高、環境適應性強等特點，滿足葉片型面精確檢測的需求。

表 1 LJ-V7060線結構光傳感器主要技術參數

現行的葉片檢測標準中通常采用等截面法[9]，需對葉片軸線的垂直方向上若干待測截面進行測量，將其截面輪廓數據以及特征參數與葉片CAD數據進行對比，評估出葉片加工質量。因此，從現行葉片檢測標準出發進行檢測，為建立與CAD模型理論截面所在坐標系一致的測量坐標系，傳感器與葉片之間的相對位姿關系必須能夠得到嚴格的保證。為此，在平臺中集成了如圖1中所示的傾角采集儀與傾角微調儀，以實現對傳感器與葉片位姿的精確校準。

2 傳感器及葉片位姿的標定與校準

如前文所述，考慮與現行葉片檢測標準的通用性，針對所構建的平臺提出一種傳感器位姿和葉片軸線位姿的校準方法，使傳感器發射的激光面垂直于葉片軸線。首先通過測量與標定的方式校準傳感器繞平移軸的偏轉角度；再以葉片榫頭處基準面為參考，校準葉片軸線，使其垂直于激光面。

2.1 傳感器位姿校準

傳感器安裝完成后，由于安裝誤差、平臺連接件的加工誤差等因素的影響，傳感器自身位姿會與3根平移軸構成的全局坐標系O-XYZ間形成一個三維偏轉誤差向量：

其中，各參數為歐拉角定義，θ為繞X軸偏轉時的俯仰角；φ為繞Y軸偏轉時的自轉角；ψ為繞Z軸偏轉時的旋進角。各偏轉角度對傳感器的影響如圖2所示。

圖 2 傳感器繞X、Y、Z軸偏轉

在葉片檢測過程中，待測葉片的目標截面垂直于葉片軸線及轉臺軸線，傳感器發出的激光面應平行于全局坐標系的XOY面。因此傳感器安裝后產生的俯仰角θ、自轉角 φ必須得到校準，否則無法實現對目標截面輪廓數據的測量。

2.1.1 傳感器繞X、Y軸偏轉角度校準

如圖1所示，在檢測平臺中集成了與傳感器位于同一安裝平面的雙軸傾角采集儀（BWS2000，準確度 0.001°，分辨率 0.000 5°），可實現對俯仰角 θ、自轉角 φ的精確測量。同時在傳感器下方集成了可實現繞X、Y、Z軸偏轉角度調節的傾角微調機構。該傾角微調機構由一個單軸傾角微調儀和一個雙軸傾角微調儀組成。

所測得的俯仰角θ、自轉角 φ通過傾角微調機構進行校準：不斷調節傾角微調機構中的X、Y軸傾角微調儀，使傾角采集儀測量結果接近0°，此時傳感器所屬平面平行于全局坐標系XOY平面，即傳感器繞X、Y軸偏轉角度得到校準。

2.1.2 傳感器繞Z軸偏轉角度校準

旋進角ψ即傳感器繞Z軸偏轉角度對測量結果的影響如圖3所示。旋進角ψ的存在將使傳感器在平臺X軸不同處測得的輪廓數據無法通過X平移運動關系進行直接拼接。

圖 3 旋進角ψ對測量結果的影響

旋進角ψ無法通過傾角采集儀進行測量，因此通過光學標定的方式進行標定和校準。當傳感器數據坐標系的X軸和檢測平臺X軸平行時，即可實現旋進角ψ的校準。

標定采用一矩形標定塊，其表面采用研磨加工，表面粗糙度為Ra0.8。標定塊置于電磁鐵上固定，標定面A0與XOZ面存在偏角δ。如圖4所示，兩個測量位下輪廓傾斜程度與偏角δ和旋進角ψ均相關。因此在旋進角校準過程中，首先消除偏角δ以保證標定面A0與XOZ面的平行，然后通過標定面A0的輪廓信息反求旋進角ψ。

圖 4 旋進角ψ標定原理

具體的標定和校準過程如下：

1)調節平移軸，使標定面A0在兩個測量位下均處于傳感器的有效測量范圍內。

2)在測量位1采集一組輪廓數據L1，記錄橫坐標x為0時的y坐標數據l1（即圖4所示O1C1）。

3)移動X軸LX，在測量位2采集一組輪廓數據L2，記錄橫坐標x為0時的y坐標數據l2（即圖4所示O2C2）。

4)根據幾何關系，C2S平行于平臺X軸且長度為LX，由于旋進角ψ較小，可得：

進一步，轉動轉臺且角度為δ，由于δ為近似值，所以重復步驟2)～4)，即可完成偏角δ的消除。

5)實現上述過程后，兩個測量位輪廓傾斜程度只與旋進角ψ有關，且輪廓傾斜程度即為旋進角ψ。再次采集測量位1輪廓，其斜率為K，則有ψ=arctanK。進一步，調節傳感器下方對應的Z軸傾角微調儀，即可實現旋進角ψ的校準。

至此，傳感器位姿校準完成。

2.2 葉片軸線位姿校準

現行葉片檢測標準中，截面數據是沿著葉片軸線的垂直方向截取出若干個截面進行測量，因此測量需滿足傳感器激光面垂直于葉片軸線。在完成傳感器位姿校準后，激光面已平行于全局坐標系XOY面，因此只需使葉片軸線垂直于XOY面即可。

在葉片加工和檢測過程中，其自身軸線由榫頭部分的基準面確定。如圖5所示，榫頭處基準面A、B平行于葉片軸線，因此要實現葉片軸線與XOY面垂直，需同時保證基準面A、B與XOY面垂直。

圖 5 葉片軸線校準原理

葉片軸線位姿的校準過程如下：

1)調節平移軸及轉臺，使基準面A正對傳感器且處于傳感器測量范圍內。

2)采集測量位1的輪廓數據，記錄數據坐標系上x=0處的y軸坐標y1。

3)移動Z軸LZ，在測量位2采集一組輪廓數據，記錄x=0處的y軸坐標y2。

4)若y1≠y2，證明基準面A與XOY面不垂直且兩者之間的夾角θ′為：

進一步，多次調節電磁鐵下方對應的傾角微調儀，直到y1=y2即可完成基準面A與XOY面的垂直標定。

5)轉臺轉動90°，使基準面B正對傳感器，并重復步驟2)～4)，完成基準面B與XOY面的垂直標定。

實現上述步驟后，基準面A、B與XOY面垂直，即完成了葉片軸線的位姿校準。

3 基于圓柱標定物的數據采集與拼接

因傳感器單次測量范圍有限，但要完成葉片截面的測量，則必須協調平移軸與轉臺進行多視場下的測量，然后將測量數據進行坐標系的統一，即數據拼接[10]。結合檢測平臺特點，本文提出一種基于圓柱標定物的數據拼接方案，該方案不需要將傳感器與轉臺軸線之間的位置關系進行標定，并且實現過程簡單，適用于各種結構形式的葉片。

在完成傳感器與葉片軸線的位姿校準后，將圓柱標定物按照一定位置關系與待測葉片放置在電磁鐵上固定，通過提前規劃的運動路徑將不同視角下的輪廓數據進行采集，拼接得到待測截面的完整輪廓數據。輪廓采集方案的具體實現步驟如下：

1)調節平移軸，使圓柱標定物處于傳感器測量范圍內，并且傳感器激光面處于第一個待測截面高度上，如圖6所示。

圖 6 待測葉片放置方式

2)采集圓柱標定物輪廓數據M0：

記此時傳感器數據坐標系為M0-xy，傳感器位于測量位O1。利用最小二乘法對M0進行圓擬合，得到圓心坐標C1(xC1,yC1)。

3)保持Z軸不變，多次調節X、Y軸，使傳感器處于多個測量位下并完成葉片單側截面的掃描。設傳感器共存在i個測量位，第k個測量位與測量位O1的位置向量為：

第k個測量位下測量數據為：

將多個測量位下數據轉換到測量位O1下（即測量數據統一到坐標系M0-xy中），有：

再將轉換后的數據M1、···、Mi與M0拼接，得到數據集M：

M即傳感器照射面的單側輪廓數據，如圖7所示。

圖 7 數據集M對應的輪廓數據

4)將轉臺轉動180°并移動X、Y軸，采集圓柱標定物的另一面輪廓數據N0，記此時傳感器數據坐標系為N0-xy，利用最小二乘法對N0進行圓擬合，得到圓心坐標C2(xC2,yC2)。

5)按照步驟3)的原理采集完葉片另一側截面數據，得到數據集N。N即傳感器照射面的另一側輪廓數據，如圖8所示。

圖 8 數據集N對應的輪廓數據

6)根據圖9所示的幾何關系，兩組數據集可通過圓心坐標拼接在同一坐標系下。數據坐標系M0-xy與N0-xy的y軸間距為：

圖 9 基于圓柱標定物的數據拼接原理

x軸間距為：

將坐標系N0-xy下數據統一到坐標系M0-xy，有：

式中：(xn,yn)——坐標系N0-xy下任意一點坐標；

(xm,ym)——點(xn,yn)轉換到數據坐標系M0-xy中的坐標。

由式(11)可將數據集N轉換到坐標系M0-xy下，實現了數據集M、N的輪廓拼接，得到當前截面完整輪廓。

7)調節Z軸，可測量葉片的其他待測截面。

利用該方案進行數據采集與拼接，輪廓采集次數少，大大節省了測量時間；運動控制簡單，只涉及到平移軸的移動以及轉臺的一次轉動；坐標轉換處理方便，無需進行復雜的數據處理且無需標定轉臺軸線；適用范圍廣，能測量大部分葉片的截面。

4 實驗驗證

4.1 葉片截面輪廓度偏差對比

實驗采用某型號燃氣輪機導向葉片作為實驗對象，待檢葉片有3個目標截面，通過判斷截面輪廓度是否在公差范圍內，從而保證葉片加工質量。檢測截面在葉片型面上的位置如圖10所示。圖中h1=52.08 mm,h2=77.55 mm，h3=102.03 mm。

圖 10 待檢葉片目標截面位置

按照本文檢測方案采集葉片截面輪廓數據，將采集的點云和三坐標測量的點云進行對比，可得到葉片型面上3條型線的偏差對比圖，如圖11所示。型線輪廓度偏差數據如表2所示。

圖 11 型線偏差對比圖（單位：mm）

表 2 型線輪廓度對比偏差mm

由表2可知，線結構光檢測與三坐標檢測結果的輪廓度偏差在±0.02 mm以內，最大標準偏差為0.017 mm。

4.2 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、弦長、最大厚度等[11]。將測量數據的型面主要特征參數與三坐標檢測報告進行對比，結果如表3所示。

表 3 截面主要特征參數對比偏差mm

由表3可知，線結構光檢測方案與三坐標檢測方案測得的弦長最大偏差為0.017 mm，前緣半徑最大偏差為0.015 mm，后緣半徑最大偏差為0.004 mm，最大厚度偏差最大為-0.015 mm，主要特征參數偏差均在±0.018 mm以內。

5 結束語

本文提出一種基于線結構光的葉片型面特征檢測方法，基于線結構光測量原理，設計搭建了一套四自由度檢測平臺。從現行葉片檢測標準出發，利用平臺上集成的傾角微調儀實現了線結構光傳感器位姿和葉片軸線位姿的精確校準；提出一種基于圓柱標定物的數據采集與拼接方法，該方法運動控制簡單且數據處理方便。結果表明，使用本文提出的葉片檢測方法能采集到葉片完整的截面輪廓，并且檢測結果與三坐標檢測結果的輪廓度偏差在±0.02 mm以內，提取的主要特征參數偏差均在±0.018 mm以內。本文所提方法為葉片型面的高效精密檢測提供了可行的技術手段。