四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

畢 超 郝 雪 房建國(guó)

四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

畢 超 郝 雪 房建國(guó)

（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）

針對(duì)渦輪葉片氣膜孔的幾何參數(shù)測(cè)量難題，基于工業(yè)影像測(cè)頭與多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)并研制了一套新型的四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，由工業(yè)影像測(cè)頭、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和葉片定位工裝等集成在一起而構(gòu)成。在應(yīng)用過(guò)程中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)分別用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)影像測(cè)頭和被測(cè)葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡，而后由工業(yè)影像測(cè)頭采集被測(cè)氣膜孔的正焦圖像并將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到葉片設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中，從而獲得其孔徑以及孔心的三維坐標(biāo)。最后，應(yīng)用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)被測(cè)葉片前緣部位上的目標(biāo)氣膜孔進(jìn)行了10次等精度重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，孔徑的重復(fù)性測(cè)量精度≤±10μm，孔心坐標(biāo)的重復(fù)性測(cè)量精度均≤±15μm，然后對(duì)一列12個(gè)氣膜孔逐個(gè)測(cè)量，驗(yàn)證了該測(cè)量系統(tǒng)的可行性與功能實(shí)現(xiàn)。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；視覺(jué)測(cè)量；渦輪葉片；氣膜孔

1 引言

近年來(lái)，根據(jù)我國(guó)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需要，新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、推力和推重比等性能指標(biāo)大幅提升，使得渦輪前的燃?xì)鉁囟壬仙搅?700～1900K，而渦輪葉片材料的耐受溫度僅為1200K，二者之間的差值達(dá)到了500K以上，這就給工作在此極端環(huán)境中的渦輪葉片等關(guān)鍵零部件帶來(lái)了極大的安全隱患。因此，為了實(shí)現(xiàn)此類(lèi)葉片在高溫高壓下的可靠、穩(wěn)定與長(zhǎng)壽命工作，必須對(duì)其采取相應(yīng)的防護(hù)與冷卻措施。

目前，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫零部件的多種冷卻技術(shù)中，外部氣膜冷卻是一種先進(jìn)且高效的冷卻手段，通過(guò)在燃燒室、整流導(dǎo)向器和高壓渦輪葉片等零部件的表面上開(kāi)設(shè)一系列孔徑處于0.3～1.2mm、空間分布位置復(fù)雜且數(shù)量為幾十至幾百個(gè)的氣膜孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于高壓渦輪導(dǎo)向葉片而言，通入其內(nèi)腔的冷卻介質(zhì)在完成腔內(nèi)沖擊對(duì)流后，會(huì)從分布于葉片表面上的眾多氣膜孔中噴射出來(lái)，而后在燃?xì)鈮毫εc摩擦力的作用下，冷卻介質(zhì)將貼附于葉片表面而形成一層薄的冷卻氣膜，從而達(dá)到冷卻和保護(hù)渦輪葉片免遭高溫高壓燃?xì)饬髌茐牡哪康摹榱俗畲笙薅鹊匕l(fā)揮出外部氣膜冷卻技術(shù)的降溫與防護(hù)效果，需要使加工出的氣膜孔符合設(shè)計(jì)文件的要求，因而需要實(shí)現(xiàn)對(duì)氣膜孔的實(shí)際孔徑與空間位置等形位參數(shù)的檢測(cè)與控制，而這一直以來(lái)都是制孔過(guò)程中的測(cè)量難點(diǎn)。

在國(guó)內(nèi)，為了提高渦輪葉片類(lèi)零件的質(zhì)量檢測(cè)水平，很多研究人員在多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與光學(xué)測(cè)量技術(shù)方面開(kāi)展了積極探索。周阿維等參照葉片磨床機(jī)構(gòu)搭建了立式布局的航空葉片四軸測(cè)量系統(tǒng)，并采用非接觸式與接觸式測(cè)量相結(jié)合的復(fù)合傳感技術(shù)，通過(guò)一次設(shè)定就可以完成航空葉片的型面測(cè)量。李兵等基于復(fù)合式葉片型面測(cè)量原理而研制出了一套四坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，分別應(yīng)用電感測(cè)頭和激光三角法測(cè)頭測(cè)量葉片的葉根榫頭和葉身型面，并對(duì)影響其測(cè)量精度的各項(xiàng)幾何誤差進(jìn)行了分析、提取與補(bǔ)償。鮑晨興等應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)方法并配合四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，研制出了一套基于工業(yè)CCD的葉片氣膜孔快速檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)氣膜孔定量檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行了初步探索，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)孔位置參數(shù)的獲取。

為了應(yīng)對(duì)氣膜孔的孔徑與空間位置的檢測(cè)難題，本文基于工業(yè)影像測(cè)頭與多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，并根據(jù)高壓渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔分布特點(diǎn)，研制出了一套具有“三個(gè)平動(dòng)自由度+一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度”的新型四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，將工業(yè)影像測(cè)頭的非接觸、頻響高、輕便靈活和信息豐富等優(yōu)點(diǎn)與常規(guī)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的行程大、定位精確、技術(shù)成熟和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，并且增加了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（第四軸）以實(shí)現(xiàn)多軸測(cè)量功能。

2 設(shè)計(jì)思想

氣膜孔的實(shí)際幾何技術(shù)狀態(tài)是否符合渦輪葉片的冷卻設(shè)計(jì)要求，需要由相應(yīng)的測(cè)量手段或設(shè)備做出評(píng)價(jià)和判斷。當(dāng)前，非接觸式的視覺(jué)測(cè)量技術(shù)取得了飛速發(fā)展與長(zhǎng)足進(jìn)步，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法難以或無(wú)法解決的多種問(wèn)題，在航空航天等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊。同時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為獲取尺寸、形狀和相互位置等數(shù)據(jù)的常規(guī)精密儀器設(shè)備，技術(shù)成熟且通用性強(qiáng)，因而可以通過(guò)搭載工業(yè)影像測(cè)頭而構(gòu)成新型的視覺(jué)或圖像坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量數(shù)據(jù)的快速、精確獲取。

然而，處于固定方位的工業(yè)影像測(cè)頭只能獲取到被測(cè)物體上的某一部分或某一方位的圖像數(shù)據(jù)，因而僅僅依靠三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三個(gè)直線軸無(wú)法有效完成處于渦輪葉片上不同方位的氣膜孔的測(cè)量任務(wù)。根據(jù)氣流的方向要求，高壓渦輪導(dǎo)向葉片氣膜孔的軸線均位于與葉片積疊軸相垂直的平面內(nèi)，并且呈現(xiàn)為放射狀特征，因而需要在已有的三個(gè)直線軸的基礎(chǔ)上再加入一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（第四軸）構(gòu)成四軸測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)來(lái)改變工業(yè)影像測(cè)頭與被測(cè)葉片之間的相對(duì)位置與姿態(tài)，使具有不同軸線角度的氣膜孔均能夠進(jìn)入到工業(yè)影像測(cè)頭的視場(chǎng)中以完成測(cè)量。在本文中，為了降低整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與裝配難度，同時(shí)確保軸行程可以充分用于測(cè)量任務(wù)，采用了工業(yè)影像測(cè)頭的方位固定而高壓渦輪導(dǎo)向葉片能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)位的方式，而這也成為本文對(duì)新型四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想。

圖1 系統(tǒng)的組成框圖

基于上述分析，本文采用“三個(gè)移動(dòng)軸+一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸”的總體結(jié)構(gòu)形式，將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、葉片定位工裝、工業(yè)影像測(cè)頭和照明光源等集成在一起而構(gòu)建出非接觸式的四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，其組成框圖如圖1所示。在該系統(tǒng)中，工業(yè)影像測(cè)頭安裝在軸的移動(dòng)末端上，通過(guò)、和軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其測(cè)量軌跡；回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)角范圍為0o～360o，用于根據(jù)被測(cè)氣膜孔的軸線角度進(jìn)行葉片轉(zhuǎn)位；葉片定位工裝則安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，用于被測(cè)高壓渦輪導(dǎo)向葉片的裝夾和定位，使葉片積疊軸的方向與軸平行。

在應(yīng)用過(guò)程中，還需要將由工業(yè)影像測(cè)頭采集到的二維圖像數(shù)據(jù)（單位：pixel）轉(zhuǎn)化為三維物理測(cè)量數(shù)據(jù)（單位：mm），并最終轉(zhuǎn)換到此類(lèi)葉片的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中。因此，本文建立了6個(gè)直角坐標(biāo)系，分別為圖像像素坐標(biāo)系o-、圖像物理坐標(biāo)系o-、機(jī)器坐標(biāo)系-、回轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系O-XYZ、工裝坐標(biāo)系O-XYZ和葉片設(shè)計(jì)坐標(biāo)系（工件坐標(biāo)系）-，如圖2所示。而采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)從二維圖像空間到三維葉片空間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過(guò)程為o-→o-→-→O-XYZ→O-XYZ→-。

圖2 系統(tǒng)的6個(gè)直角坐標(biāo)系

3 系統(tǒng)組成

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用PEARL型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和SGMCS-04C3B11型旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)構(gòu)成該測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械本體，從而搭建出用于氣膜孔檢測(cè)的四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，如圖3所示。

PEARL型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)，各個(gè)直線軸的有效運(yùn)動(dòng)范圍均為500mm，并且配備了分辨率為0.5μm的高分辨率光柵檢測(cè)系統(tǒng)，使整機(jī)的重復(fù)定位精度為2.8μm，長(zhǎng)度測(cè)量的示值誤差為（2.5+3×/1000）μm（為被測(cè)長(zhǎng)度）。SGMCS-04C3B11型旋轉(zhuǎn)電機(jī)為小容量系列的直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，內(nèi)置20位的絕對(duì)型編碼器，角度定位精度可以達(dá)到1''。

圖3 四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)

工業(yè)影像測(cè)頭是該測(cè)量系統(tǒng)的前端傳感器，包括CCD、鏡頭和照明光源。其中，CCD選用Grasshopper3系列高性能面陣相機(jī)，該相機(jī)采用Sony ICX674型CCD芯片，其分辨率為1920×1440，像元尺寸為4.54μm×4.54μm；鏡頭選用MML-ST系列標(biāo)準(zhǔn)物方遠(yuǎn)心鏡頭，其分辨率為11.2μm，景深為0.44mm，放大倍率為3.0×，工作距離為108.3mm；照明光源則采用MCEP型白色LED點(diǎn)光源，其功率為3.0W，可以通過(guò)遠(yuǎn)心鏡頭上的光源接口直接安裝在鏡頭上，實(shí)現(xiàn)均勻的同軸落射照明。

在系統(tǒng)搭建過(guò)程中，為了使所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，并且使后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換與處理過(guò)程進(jìn)一步簡(jiǎn)化，在將工業(yè)影像測(cè)頭通過(guò)轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)安裝于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軸末端后，還需要調(diào)整工業(yè)影像測(cè)頭的成像光軸，使其與軸的運(yùn)動(dòng)方向平行，以確保成像平面與平面平行；同時(shí)，在將回轉(zhuǎn)工作臺(tái)安裝于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上后，還需要通過(guò)機(jī)械調(diào)整與找正而使其旋轉(zhuǎn)軸線處于豎直方位，即與軸平行。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)該測(cè)量系統(tǒng)的功能和有效性，并探索其在氣膜孔的孔徑與分布位置測(cè)量方面的可行性及應(yīng)用效果，以某高壓渦輪導(dǎo)向葉片作為被測(cè)對(duì)象，對(duì)位于其葉身前緣部位上的某一列氣膜孔特征開(kāi)展了測(cè)量實(shí)踐，驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和重復(fù)性測(cè)量精度。在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)目標(biāo)孔拾取、路徑規(guī)劃、自動(dòng)對(duì)焦、圖像處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等步驟獲取到了被測(cè)氣膜孔出口表面的直徑和孔心坐標(biāo)，以此來(lái)分別表征該孔的孔徑與分布位置參數(shù)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

首先，將被測(cè)葉片裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的葉片定位工裝中，在上位機(jī)軟件中拾取待測(cè)的目標(biāo)氣膜孔，并根據(jù)其分布特點(diǎn)與測(cè)量需求進(jìn)行葉片與測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，一方面，控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)完成葉片轉(zhuǎn)位，使待測(cè)氣膜孔朝向測(cè)量系統(tǒng)軸的負(fù)方向；另一方面，控制三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)帶動(dòng)工業(yè)影像測(cè)頭向待測(cè)孔移動(dòng)，通過(guò)、和軸的運(yùn)動(dòng)使整個(gè)氣膜孔進(jìn)入到工業(yè)影像測(cè)頭的視場(chǎng)范圍內(nèi)。然后，鎖住軸和軸，通過(guò)軸帶動(dòng)工業(yè)影像測(cè)頭在對(duì)焦范圍內(nèi)進(jìn)行小步長(zhǎng)移動(dòng)，同時(shí)根據(jù)基于Laplacian算子的自動(dòng)對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)判斷工業(yè)影像測(cè)頭的對(duì)焦?fàn)顟B(tài)，最終使工業(yè)影像測(cè)頭正確對(duì)焦于被測(cè)孔出口處的局部表面，采集到細(xì)節(jié)最清晰、信息最豐富的氣膜孔正焦圖像，如圖5所示；而后經(jīng)過(guò)中值濾波、閾值分割、特征識(shí)別和邊緣檢測(cè)等圖像處理步驟提取出氣膜孔邊緣上的全部像素，并對(duì)這些像素進(jìn)行基于最小二乘法的圓周擬合，得到圖像像素坐標(biāo)系o-ij下的孔徑和孔心坐標(biāo)，如圖6所示；最后，通過(guò)像素尺寸當(dāng)量（1.5μm/pixel）換算將像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以mm為單位的物理測(cè)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步將其經(jīng)由機(jī)器坐標(biāo)系等轉(zhuǎn)換到葉片設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中，獲得孔的直徑以及孔心在中的三維空間坐標(biāo)，二者分別用于表征被測(cè)氣膜孔的孔徑與空間位置參數(shù)，完成氣膜孔形位參數(shù)的檢測(cè)任務(wù)。

圖5 被測(cè)氣膜孔的正焦圖像

圖6 孔徑與孔心坐標(biāo)計(jì)算

按照以上步驟，本文選取位于該葉片前緣部位上的某一列氣膜孔作為被測(cè)對(duì)象。首先，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的重復(fù)性測(cè)量精度，對(duì)該列氣膜孔中的第一個(gè)孔的孔徑和孔心坐標(biāo)等精度連續(xù)測(cè)量10次，所得測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 該列上第一個(gè)孔的測(cè)量結(jié)果

假設(shè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的單次測(cè)量誤差服從正態(tài)分布，通過(guò)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可知，對(duì)于該氣膜孔來(lái)說(shuō)，孔徑的測(cè)量結(jié)果的平均值為0.815mm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.3μm，則孔徑的單次測(cè)量極限誤差為±6.9μm（取置信系數(shù)為3）；孔心坐標(biāo)（，，）的測(cè)量結(jié)果的平均值為（28.990，-6.720，268.610），其中，、和坐標(biāo)分量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.3m、4.1m和4.2m，則單次測(cè)量的極限誤差分別為±12.9μm、±12.3μm、±12.6μm。同時(shí)，孔徑與孔心坐標(biāo)的測(cè)量結(jié)果處于各自極限誤差范圍內(nèi)的概率為99.73%。根據(jù)此類(lèi)氣膜孔特征的形位參數(shù)檢測(cè)要求，該測(cè)量系統(tǒng)能夠達(dá)到的重復(fù)性精度水平可以滿(mǎn)足使用需求。

然后，通過(guò)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)該列上沿著葉片設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的軸方向等間距分布的12個(gè)氣膜孔逐個(gè)進(jìn)行測(cè)量，所得結(jié)果如表2所示。

表2 12個(gè)氣膜孔的測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)視覺(jué)測(cè)量與多軸運(yùn)動(dòng)原理，基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、工業(yè)影像測(cè)頭和葉片定位工裝等搭建了一套非接觸式的新型四軸視覺(jué)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以在渦輪葉片氣膜孔特征的幾何技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控方面開(kāi)展積極實(shí)踐與探索。在應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)影像測(cè)頭的測(cè)量軌跡，并由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)葉片的轉(zhuǎn)位，使具有不同軸線角度的氣膜孔均能進(jìn)入到工業(yè)影像測(cè)頭的視場(chǎng)中；再由工業(yè)影像測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)并采集被測(cè)氣膜孔的正焦圖像，最后經(jīng)由圖像處理、最小二乘擬合與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等步驟獲取被測(cè)孔的孔徑與孔心坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能，并且重復(fù)性測(cè)量精度可以滿(mǎn)足此類(lèi)氣膜孔特征的檢測(cè)任務(wù)需求，因而可以作為一項(xiàng)氣膜孔特征的形位參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)解決方案。

1 蔣睿嵩，汪文虎，王增強(qiáng)，等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密成形技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J]. 航空制造技術(shù)，2016，21：57～62

2 范小軍，杜長(zhǎng)河，李亮，等. 氣膜孔幾何位置對(duì)旋流冷卻流動(dòng)與傳熱特性的影響[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，50(7)：32～38

3 Sun Xiaokai, Zhao Gang, Jiang Peixue, et al. Influence of hole geometry on film cooling effectiveness for a constant exit flow area[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 130: 1404～1415

4 董一巍，吳宗璞，李效基，等. 葉片氣膜孔加工與測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 航空制造技術(shù)，2018，61(13)：16～25

5 周阿維，邵偉，吳瑩. 應(yīng)用錐光偏振全息技術(shù)的航空葉片測(cè)量新方法[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2017，28(12)：1394～1399

6 李兵，陳磊，丁建軍，等. 復(fù)合式葉片測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析與補(bǔ)償[J]. 中國(guó)工程科學(xué)，2013，15(1)：39～44

7 鮑晨興，王磊，李凱，等. 基于CCD的葉片氣膜孔快速檢測(cè)技術(shù)研究[J]. 航空精密制造技術(shù)，2017，53(2)：52～55

8 張麗，吳興鎖. 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)引進(jìn)對(duì)幾何量檢測(cè)技術(shù)的推進(jìn)[J]. 航空精密制造技術(shù)，2013，49(4)：58～59

9 Huang Jie, Xu Bin. A machine vision system for position measurement of small holes on spherical surface [J]. Nanotechnology and Precision Engineering,2016, 14(1): 28～34

10 畢超，郝雪，李劍飛，等. 氣膜孔圖像對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2019，39(6)：77～83

11 李學(xué)哲，石照耀，陳洪芳，等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，43(4)：557～565

12 畢超，郝雪，劉孟晨，等. 氣膜孔視覺(jué)測(cè)量中的坐標(biāo)系建立與轉(zhuǎn)換[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，32(10)：1515～1521

Design and Application of the Four-axis Vision Coordinate Measuring System for Film Cooling Holes

Bi Chao Hao Xue Fang Jianguo

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Precision Manufacturing Technology, Beijing Precision Engineering Institute for Aircraft Industry, Beijing 100076)

For the difficulties in geometrical parameters measurement of those film cooling holes on turbine blades, a new-type four-axis vision coordinate measuring system based on the design concept of combination of industrial camera and multi-axis motion mechanism was established in the paper, which was integrated by an industrial camera, coordinate measuring machine, turntable and special fixture of blade, etc. In the application procedure, coordinate measuring machine was used to realize the moving track of the industrial camera, while turntable to realize the rotation of the measured blade. And then, the focused image data collected by the camera were transformed from the image coordinate system to the blade coordinate system, in which the diameter and 3D coordinates of the measured hole would be derived. Finally, the target hole on the leading edge of a turbine blade was measured 10 times by the system, in which the repeatability accuracy of the diameter and 3D coordinates were smaller than ±10μm and ±15μm respectively. Also, a row of film cooling holes on the blade were measured to derive their parameters, which verified the feasibility and functions of the system.

coordinate measuring machine；vision measurement；turbine blades；film cooling holes

V232.4，TB921

A

基礎(chǔ)性軍工科研院所穩(wěn)定支持項(xiàng)目（K020VA01）。

畢超（1987），高級(jí)工程師，儀器科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)；研究方向：精密測(cè)試技術(shù)及儀器。

2021-05-19