基于線激光掃描的航空發動機葉片非接觸式檢測研究

龍 智，鄭 琪，張天輝，方建軍，馬迎春

(1.中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412000；2.山西迪邁沃科光電工業有限公司，太原 030000)

0 引言

發動機是航空系統中廣泛使用的動力裝置，為提高發動機性能，保證發動機安全運行，檢測發動機葉型尺寸是非常必要的[1]。由于在航空發動機工作過程中，轉子與定子之間的運動因零件溫度和變形的不同而十分復雜，所以葉片葉型尺寸的檢測方法也都不一致[2]。當前檢測葉片葉型尺寸的主要方法是放電探頭法和超聲法，其中使用放電探頭法時，采用葉片放電的方式，即施加直流電壓的探頭依靠電機沿徑向運動[3]。當探測器開始動刀時，初始葉型尺寸與安裝葉型尺寸一致。但由于電壓波動，工作流體溫度、壓力的變化，以及探頭與葉片端面的污垢，會改變放電起始距離，造成檢測誤差；利用超聲波檢測葉片表面的空間反射率，并將處理后的超聲波反饋給傳感器，傳感器輸出數據進行處理后，激發信號與接收信號之間的時間間隔，再根據一定的關系得到葉片葉型尺寸。但在惡劣環境下，外界噪聲會引起檢測誤差。針對這一問題，提出了基于線激光掃描的航空發動機葉片非接觸式檢測研究。航空發動機葉片受不同光線照射時，葉片表面形態變化會引起光場變化。投影儀由CCD攝像機拍攝，用非接觸式技術分析投影圖像中所包含光場信息，處理被測葉片輪廓信息，由此確定葉片葉型尺寸。

1 航空發動機葉片結構

航空發動機是用來產生推力使飛機前進的，主要有壓氣機、燃燒室和汽輪機[4]。如圖1所示，3個結構部件組成了發動機的核心引擎。

圖1 航空發動機

葉片是航空發動機的重要組成部分，它直接影響發動機的推重比，可靠性，壽命和安全性能。同時，航空發動機葉片還確定飛機的飛行速度，可操縱性和其他重要指標是否符合標準。由于發動機葉片的惡劣工作環境，技術復雜性以及對檢測技術的高要求，如何實現航空發動機葉片三維輪廓的自動測量是本文的研究重點[5-7]。

2 基于線激光掃描的航空發動機葉片非接觸式檢測

2.1 線激光掃描裝置

針對航空發動機功能和葉片檢測特點，使用了固定掃描檢測系統和工件驅動工作平臺，由電機控制掃描區。圖2顯示了線激光掃描裝置[8-10]。

圖2 線激光掃描裝置

由圖2可知，該裝置硬件主要完成掃描過程中的圖像采樣和目標位置控制，并將光條紋圖像信息傳送給計算機，用于后續的視覺計算和輪廓點云數據集成。在軟件方面，主要完成了對光條圖中的光條圖中心的提取，以及光條圖變形距離的計算[11]。基于攝像機模型，通過計算被測光條的面點坐標，結合工作臺的位置參數，獲得目標的面點輪廓數據[12]。

2.1.1 檢測盒

采用激光輪廓儀對激光線掃描進行檢測，在高速模式下，最快采樣頻率為16 μs，曝光時間為64 kHz，也可以精確地檢測到黑色(反射較少)到光亮的表面(反射較大)。當使用時，它指定±48 mm米的量程，即在景深方向，每隔1毫米和800分在同一間隔內的光帶每隔一次形成點云數據[13-15]。

使用CCD相機，可以將光纖轉變成電荷形式進行存儲與傳遞，也可將電荷取出促使電壓發生改變。圖像經過透鏡處理后，所成像映射在電容數組表面，根據其表面亮度主要取決于每個電容單位上所形成的電荷。印刷機的線性CCD相機，每次捕捉到的光影都是呈直線行駛的，而使用數碼相機捕捉到的光影都是呈平面式的，一旦相機完成曝光行為，那么整條電路上的電容都會自動傳遞到下一個單元，完成電位轉變[16-18]。

2.1.2 圖像采集卡

圖像采集卡分辨率為768×576 pix，能夠實時改變采集間隔，使用自適應濾波處理技術，可以動態采集圖像信息，實現文字、圖形疊加。圖像采集卡的功能是將信號采集到電腦上，電腦以數據形式直接保存到硬盤上。將攝像機拍攝的信號從攝像機上轉存到計算機中，使用相關圖像編輯軟件，可以對數字化信號進行編輯處理，并將編輯后的信號轉換為標準流媒體格式，方便后續信號傳遞。

2.1.3 工作引擎

工作引擎為登月艙23步進伺服馬達，支援RS232，RS485串口通訊。使用的直流電壓是12～70伏特。該系統支持 SCL字符串命令控制，速度可調，實現RS485端口通信，并獨立收發數據。

2.2 光條位置檢測

線激光源向航空發動機葉片表面發射激光束，航空發動機葉片表面形狀調制成的光條紋形成于航空發動機葉片表面。光帶圖像是通過CCD相機拍攝的，利用激光三角剖分方法，可以計算出光條上每一位置、葉片表面深度變化引起的像元移動距離，但是，這僅僅是圖像坐標系統中像素之間的距離。若要將其轉化為葉片空間中的運動距離，則必須根據CCD相機成像模型進行計算，因為不管圖像坐標系的V方向如何，也不可以改變葉片空間坐標系的X方向，這種轉換實際上是一種二維變換。為實現對三維空間位置信息的檢測，需要借助線激光器，獲得如圖3所示的x方向坐標值。

圖3 線激光掃描非接觸式檢測原理

由圖3可知，線激光掃描檢測系統檢測坐標系XY面一般都設置在光平面。由此可以通過求解計算高度H值檢測坐標系統，以及求出圖3中高度H值在X方向上檢測坐標系統，實現坐標系統在X方向上轉換。

2.3 檢測數學模型構建

確定光條位置后，構建線激光掃描檢測數學模型，該模型可以在不考慮鏡面畸變的情況下，確定像坐標系高度值與真實空間高度值之間轉換關系[19-20]。

設XOYO為檢測坐標系中光平面，(XO,YO,ZO)為檢測坐標系坐標，(XC,YC,ZC)為攝像機坐標，由此得到的數學模型為：

(1)

公式(1)中，R、T分別表示圖像像素和大小。

基于航空發動機葉片表面輪廓特征的檢測，平移掃描和旋轉掃描是目前使用最為廣泛的兩種掃描方法。平移掃描方式是指檢測系統與航空發動機葉片之間的固定選擇；在旋轉掃描中，兩個位置之間有一個可供選擇，另一個可旋轉。所以對于公式(1)，可以將其改為公式(2)，其中式中d1為平移距離：

(2)

以旋轉掃描方式，航空發動機葉片通常向Z軸的零點移動。所以式(1)可以改為公式(3)，其中dz為被測葉片到Z軸零位置處需移動的距離，θ為葉片轉動角度：

(3)

選取固定線激光，讓航空發動機葉片以一定速度穿過掃描檢測區，完成葉片葉型尺寸掃描檢測。

2.4 非接觸式檢測流程設計

在實際空間中，通過分析圖像坐標系高度值與高度值之間的轉換關系，實現了風力發電機葉片葉型尺寸的在線檢測，非接觸式線激光掃描法對葉片材料沒有要求，不易受電磁干擾，動態響應性能優良，圖4中顯示了非接觸檢測過程。

圖4 非接觸式檢測流程

在航空發動機葉片非接觸式檢測過程中，用到的器件包括轉速同步傳感器、光纖測頭、轉速同步信號處理板、葉片尺寸模擬處理板、高速同步采集處理板，其選型方案如下：

選用SZGB-7光電式轉速傳感器，其具有調測量距離長，不受環境光干擾的特點。它可以與各種速度的數字顯示器一起使用，并且可以直接與計算機接口電路連接，并且可以不接觸地測量速度，線速度等。光纖測頭選用FU-TZ系列，其所需安裝空間較小，且易于更換。通過ACROMAG模擬信號處理板模擬葉片尺寸信號，轉速同步信號處理板選用A5E01708486型號，其能夠同步接收SZGB-7光電式轉速傳感器的轉速信號，并將轉速信號轉換為數字信號，傳輸至PCI8522高速同步采集板。

如圖4所示，非接觸式檢測流程為：

1)在外殼上安裝有反射式光纖位移傳感器，刀片掃過光纖探針后，反射光強度發生變化，可獲得檢測點的微量元素量。

2)通過對檢測點微面板傾斜信息的分析，修正傳感器實時檢測誤差，解決被測表面傾斜對坐標檢測的影響。

3)根據每個斜坡的輸出特性曲線，對每一個斜坡的斜面進行斜面傾角檢測，利用燈帶位置可以檢測到位移信息對斜面傾角的影響。

4)在位移信息確定后，葉片掃過探頭時，光強先增加后降低，而光強峰值則反映葉片葉型尺寸大小。

通過上述步驟，實現航空發動機葉片非接觸式檢測，并通過實驗驗證該方法的有效性。

3 實驗分析

針對航空發動機葉片線激光掃描非接觸檢測的需要，搭建了一種四坐標檢測儀，如圖5所示。

圖5 四坐標檢測儀

由圖5可知，四坐標儀的主體由3個縱軸組成，每個縱軸由伺服電機控制，滾珠絲杠的精確運動由伺服電機控制。配有軸線的雷尼紹光柵尺可精確定位坐標系，該激光器安裝在x軸上，能夠檢測出旋轉臺上葉片輪廓。

為了驗證所提方法的準確性，在直徑為25.010 mm的標準氣缸和模擬葉片上進行了多次測量實驗。在葉片測量結果中，將實際測量值與理論值相比，使用SVD-ICP(奇異值分解-迭代最近點)算法進行最佳擬合，然后計算出理論點相應測量點之間的最大誤差。分別使用放電探頭法、超聲法作為實驗對比方法，得到不同方法對航空發動機葉片葉型尺寸的檢測精度如表1所示。

表1 3種檢測方法的葉片葉型尺寸檢測精準度對比結果 mm

由表1可知，使用放電探頭法施加的電壓是靠著電機運動的，電壓波動較大，造成檢測誤差較大，航空發動機葉片葉型尺寸誤差在-0.11～+0.07 mm之間；而使用超聲波檢測方法，一旦受到高溫影響，空間反射率變低，導致激發信號與接收信號之間的時間間隔變長，也會造成檢測誤差較大，航空發動機葉片葉型尺寸誤差在-0.09～+0.09 mm之間。使用線激光掃描法是通過光轉換，不會受到溫度影響，使得檢測結果在標準誤差范圍內。航空發動機葉片葉型尺寸誤差在-0.008～+0.009 mm之間。由此可見，所提方法對航空發動機葉片葉型尺寸的檢測誤差較小，能夠準確檢測出航空發動機葉片葉型尺寸。

在此基礎上測試不同方法檢測航空發動機葉片的檢測效率，得到實驗對比結果如圖6所示。

圖6 不同檢測方法的葉片葉型尺寸檢測耗時對比結果

由圖6可知，使用放電探頭法的檢測耗時平均值為4.8 s，誤差較大；使用超聲波檢測的檢測耗時平均值為3.5 s，而使用線激光掃描法的檢測耗時平均值為3.5 s，0.9 s。由此可見，所提方法對航空發動機葉片葉型尺寸的檢測誤差較小，能夠準確檢測出航空發動機葉片葉型尺寸，且檢測耗時較短，具有較好的檢測效率，可應用于航空發動機葉片非接觸式檢測中，有效提升航空發動機葉片的檢測精準度及檢測效率。

4 結束語

利用激光在線掃描法對航空發動機葉片進行非接觸檢測，實現了光條位置正確自動檢測，實驗結果表明，所提方法對的航空發動機葉片葉型尺寸的檢測誤差率較高，檢測效率較好，證明了該方法的可行性、實用性和創新性。

但檢測系統仍存在一定的缺陷，需要進一步改進以滿足生產要求。

1)由于線激光發射僅2 mm寬，使用直線激光不能得到刀片前后邊緣的精確位置坐標，為此在今后研究進程中，使用平面激光掃描方式。

2)受試驗平臺和檢測方法的限制，CCD相機安裝角度受到限制，使得檢測系統無法對整個葉片進行完整輪廓檢測，只能對葉片截面進行檢測，所以在實際生產中應該考慮后期圖像拼接。