非接觸式發動機葉片快速檢測系統設計

鄭 琪，張天輝，龍 智，蔡 凱，趙建文

（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，山西太原 030000）

葉型檢測可分為接觸式和非接觸式兩種類型，其中接觸式測量主要分為觸發測頭和模擬測頭兩種，非接觸式可分為激光三角法、摩爾條紋法、超聲波法、X/Y 射線法、結構光法以及CCD 相機拍照法[1]。隨著生產需求的不斷增加，葉片型面復雜且多樣化，檢測效率和精度難以兩全的矛盾日益突出。非接觸式測量因其檢測效率高被廣泛應用于類似發動機葉片型面的復雜零件的檢測領域。

李婷婷等分析不同工藝和檢測設備檢測方式多樣化的特點，根據不同的加工工藝給出了精度和效率最佳的匹配方案[2]。高繼昆采用非接觸式白光光學測頭取代了接觸式測頭，并在檢測精度和效率方面與三坐標測量儀器進行了對比，均有很大提升[3]。

目前，接觸式和非接觸式檢測在檢測效率上雖然已經有了很大的提升，但相比規則的零件測量過程，仍然難以滿足生產使用要求[4]。為此提出一種非接觸式發動機葉片快速檢測系統設計。

1 檢測系統結構設計

非接觸式發動機葉片快速檢測系統的硬件部分包括電控柜、機架、線激光檢測組件、夾具定位組件、產品夾具、二軸精密定位平臺；軟件部分通過重構后模型與CAD 模型的配準，實現發動機葉片快速檢測，并設計了三維模型可視化操作軟件[5]。

1.1 線激光組件結構設計

作為檢測系統的核心元器件，決定了數據采集效率的高低，為了使檢測效率得到最大幅度的提升，選用兩臺線激光將產品按照前后面分成兩部分進行掃描[6]，同時，在滿足精度要求的前提下，線激光的工作范圍按照大于等于二分之一產品高度的型號進行了選取。避免了兩塊線激光同時工作時相互干擾，兩塊線激光錯位安裝，并設計了護罩對線激光進行防護[7]。線激光組件示意圖如圖1 所示。

圖1 線激光組件

1.2 夾具定位組件結構設計

夾具定位組件包括產品夾具、無檢測傳感器、固定限位板、整形機構，傳感器檢測到有料信號時，整形機構方可開始動作，整形機構將裝夾了產品的夾具整形定位，確保檢測過程中產品穩定可靠[8]。夾具定位組件示意圖如圖2 所示。

圖2 夾具定位組件

1.3 產品夾具結構設計

產品夾具設計合理與否關系到產品定位姿態的準確性和產品的穩固性，同時，盡可能使產品裝夾過程簡單易上手[9]。夾具結構如圖3 所示，通過仿形定位和兩側面夾緊定位結構實現產品完全定位，其中仿形滑塊之間設計有復位彈簧[10]，當松開蝶形螺母時，滑塊自動復位與產品分離，便于取下產品，產品夾具示意圖如圖3 所示。

圖3 產品夾具

1.4 二軸精密定位平臺結構設計

二軸精密定位平臺的運行精度直接影響到最終的檢測精度，根據檢測要求進行精度分配計算后可知，平臺兩個方向的直線度和定位精度均不得超過4 μm，因此，平臺設計選用了性能穩定的大理石作為主要支撐結構，為了保證運行過程穩定可靠[11]，驅動模塊由直線電機和高精度直線導軌組成，并配合磁柵尺來進一步提高定位精度，組成結構如圖4 所示。

圖4 二軸精密定位平臺

2 系統軟件設計

為了人機交互便捷高效，同時能夠直觀展示產品檢測過程和檢測結果，基于QT5 框架開發了Windows7 操作系統環境下的操作軟件，軟件功能主要包括：檢測操作模塊、三維重構后的數字化模型配準結果可視化模塊、葉型尺寸檢測結果配圖實時顯示模塊[12]。

2.1 主檢測界面

該界面包括3D 掃描圖像實時顯示區域、不同產品型號選擇下拉列表、檢測結果配圖顯示區域、設備運行狀態顯示區域以及歷史記錄查詢、設備調試、算法類型選擇、虛擬運行等功能按鈕[13]。

2.2 三維重構后配準結果顯示界面

兩組線激光所采集到的數據分為獨立的4 部分，無法直接用于模型配準，需根據二軸精密定位平臺中的磁柵尺實時觸發位置進行上、下層數據的精確融合，同時，根據兩組線激光相互位置關系完成前后兩面的精確融合，最終，將完整的數字化模型與對應型號產品的標準CAD 模型進行配準，配準后的偏差結果分別以文字和云圖的方式顯示在界面中，如圖5 所示。

圖5 三維重構后配準結果顯示界面

2.3 檢測流程

由于在精密定位平臺中計算的葉片誤差與實際測量誤差不完全吻合，為此在測量數據的處理時，最重要的環節是實現測量數據與葉片理論模型的精確匹配，即通過匹配使被測葉片點相對于理論模型的誤差最小，從而減小系統誤差的影響。

測量數據點與葉片模型匹配采用均方根誤差作為目標函數。誤差最小目標函數為：

式中，ka為理論模型點的誤差。

設置其均方根誤差為：

匹配步驟如下：

1）令a=1。

2）計算誤差最小目標函數。

3）計算均方根誤差。

4）當L＞k0時，輸出k0，匹配結束。

因為測量坐標系和理論模型的坐標系重合，測量數據的姿態接近局部最優解，可以通過局部優化得到完全匹配[14-16]。誤差匹配完成后，由人工進行模式選擇，通過上位機軟件操作界面實現人機互動，將命令下發到下位機PLC 控制中心，完成命令類型轉換后發送到各個執行元器件上，具體檢測流程如圖6所示。

圖6 檢測流程圖

3 實驗分析

3.1 檢測結果

將被檢測產品樣本和檢測設備置于標準溫度環境下恒溫4～6 小時后，根據檢測設備的檢測流程對產品樣本進行多次測量，結果如表1 所示，葉片葉型重復檢測結果變化曲線如圖7 所示。

圖7 葉片葉型重復測量結果變化曲線

表1 重復檢測結果

3.2 標準不確定度評定

3.2.1 A類標準不確定度分量u1的評估

A 類標準不確定度分量u1來自測量的重復性，也就是葉片根截面輪廓度Di。對葉片根截面輪廓度進行10 組測量，得到如下測量結果（單位mm）：0.222，0.223，0.231，0.231，0.225，0.231，0.231，0.222，0.230，0.225。

用貝塞爾公式計算標準差如式（3）所示：

3.2.2 B類標準不確定度分量u2的評估

B 類標準不確定度分量u2主要由二軸精密定位平臺XZ移動模塊的X軸引入的不確定度u21和Z軸引入的不確定度u22確定。

1）X軸引入的不確定度u21

查閱二軸精密定位平臺計量報告可知，X軸掃描誤差不超過±3 μm，則aX=3 μm，為正態分布，k=1.96，可知u21=aX/k=1.5 μm。

2）Z軸引入的不確定度u22

查閱二軸精密定位平臺計量報告可知，Z軸掃描誤差不超過±3 μm，則aZ=3 μm，為正態分布，k=1.96，可知u22=aZ/k=1.5 μm。由于測量環境溫度與標準溫度相差很小，因此，溫度引入的不確定度可忽略不計。

3.2.3 擴展不確定度的評估

取包含因子k=2，則擴展不確定度為：

經評定，非接觸式發動機葉片快速檢測系統的擴展不確定度達到了產品檢測精度的要求。

4 結束語

非接觸式發動機葉片快速檢測系統的設計包括了硬件的設計建模仿真和可視化人機界面，該系統的優點體現在：數據采集過程與產品無實質性接觸，實現了非接觸檢測過程，避免了接觸式檢測過程中測頭對產品姿態的影響[17]；兩組線激光對產品的覆蓋范圍大，掃描過程分為上、下兩層，數據采集效率大幅提升，線激光采用由線到面的數據采集方式，可獲得更多的原始數據，大大減少了數據擬合過程，降低了擬合過程引入的誤差，提高了檢測精度[18]。經標準不確定度評定，系統檢測精度滿足現有產品對檢測精度的要求。