专利名称：一种大型叶片全尺寸检测方法
技术领域：
本发明涉及快速三维非接触式测量方法。特别是一种航空发动机、燃气轮机、汽轮机等大型精密叶片的测量方法。
背景技术：
目前，我国每年生产叶片的数量已经超过200万片，叶片型面尺寸精度最高已经达到±0.04mm，前后缘(边缘)圆角半径最小达到0.09 mm，这些叶片的尺寸精度误差现有技术是通过标准样板和三座标测量机接触测量方式得到测量。现有技术的测量方法的缺点是:用标准样板测量叶片，成本很高，即一种类型的叶片需要多套标准样板，而且测量精度低，属于定性检测，测量精度完全取决于实际操作人员的经验，这种测量方式已经突显出不能适应高速发展的行业需求。三坐标测量机测量叶片，虽然测量精度高，但测量效率低，成本高，常用于叶片的终检，特别是对大型精密叶片，由于受到测量工作台面尺寸的限制，有时甚至无法测量。各类叶片的检测，无论是标准样板测量法，还是三座标测量法都是测量叶片的型线，但叶片型线测量的致命缺点是:由于型线数量有限，不能完全真实反映叶片的实际状态，因此，经常有超差叶片无法被检测出叶片质量难以保证。
发明内容
为了克服现有技术测量方法存在的上述技术缺陷，本发明基于“光栅面扫描技术+白光聚焦技术”，设计三维非接触测量方法，实施对航空发动机叶片、燃气轮机和汽轮机等大型精密叶片的非接触测量，解决提高叶片型面和边缘的测量精度和测量效率。本发明实现发明目的采用的技术方案是:该方法借助于光栅面扫描对叶片型面尺寸测量和白光聚焦对叶片边缘测量，将两种的点云数据统一到同一坐标系中，生成叶片整体点云数据，实现对大型叶片全尺寸的非接触式检测。检测方法包括以下步骤:
(I)、建立与测量系统光学三维扫描测量头相对位置可调的叶片支架，在叶片支架上设置标志点，用于以后数据的拼接；
⑵、对光学三维扫描测量头中光栅面扫描摄像头获得的图像进行去噪、增强处理；
⑶、步骤⑵处理后的图像，基于摄影测量原理和光束平差优化方法获得标志点坐标；将标志点坐标输入到三维测量系统计算机的软件中，在三维测量系统计算机上建立叶片支架正反面的光栅面扫描原始模型及基础坐标系；
⑷、将被测叶片安装在叶片支架上，光学三维扫描测量头中光栅面扫描摄像头对叶片支架和叶片一起进行测量，光学三维扫描测量头获得的图像按步骤⑵处理，处理后的图像，基于摄影测量原理和光束平差优化方法获得标志点坐标；计算机通过识别叶片支架的标志点特征将测量得到的标志点坐标与步骤⑵、⑶所述的标志点坐标对齐,将测量数据载入到步骤⑶所述的原始模型中，完成单次测量；
(5)、计算机将步骤⑷的测量结果在步骤⑶建立的基础坐标系中拼合，拼合的内容包括计算机已存储的多次执行步骤⑷获得的被测叶片的单次测量数据； (6)、计算机判断步骤⑷的拼合结果是否为完整的叶片型面数据，如果完整，则优化测量结果，测量结束，将数据导入叶片专用测量软件中，对叶片的关键尺寸作误差，利用分析处理软件对测量结果进行分析，叶片型面数据如果不完整，则通过调整叶片支架的三维空间位置，按步骤⑵进行在次测量；
(7).光学三维扫描测量头中白光聚焦摄像头获得的图像，基于白光聚焦测量原理，三维光学测量系统获得支架上设置标志点的坐标，将标志点坐标输入到三维测量软件，在计算机上建立叶片支架正反面的白光聚焦测量的原始模型及基础坐标系；
(8).光学三维扫描测量头中的白光聚焦摄像头对叶片支架和叶片一起进行基于白光聚焦测量，三维光学测量系统计算机通过识别叶片支架的标志点特征将测量得到的标志点坐标和步骤(7)所述的标志点坐标对齐，将测量数据载入到步骤(7)所述的原始模型中，完成单次测量；
O).计算机将步骤(8)的测量结果在步骤(7)建立的基础坐标系中拼合，拼合的内容包括计算机已存储的多次执行步骤⑶获得的被测叶片的单次测量数据；
CO).计算机判断步骤⑶的拼合结果是否为完整的叶片边缘细节区域数据，判读依据为叶片局部曲率变化小于设定的阈值；
(11).如果完整，则优化测量结果，测量结束，将数据导入叶片专用测量软件中，对叶片的关键尺寸作误差，利用分析处理软件对测量结果进行分析，如果不完整，则通过调整叶片支架的三维空间位置，按步骤⑴，进行在次测量；
(12).将步骤⑶和(7堪础坐标系及步骤(6)和(11)两种测量的点云数据统一到同一坐标系中，生成叶片整体点云数据，利用分析处理软件对测量结果进行分析得检测结果。本发明的有益效果是，检测方法速度快、精度高、检测成本低，同时可对叶片的型面与边缘一次检测，检测设备通用，可适用于对大型精密叶片进行加工工序间和成品进行检测。下面结合实施例对本发明进行详细描述。
具体实施例方式大型叶片全尺寸检测方法，该方法借助于光栅面扫描对叶片型面尺寸测量和白光聚焦对叶片边缘测量，将两种的点云数据统一到同一坐标系中，生成叶片整体点云数据，实现对大型叶片全尺寸的非接触式检测，检测方法包括以下步骤:
(I)、建立与测量系统光学三维扫描测量头相对位置可调的叶片支架，在叶片支架上设置标志点，用于以后数据的拼接；
⑵、对光学三维扫描测量头中光栅面扫描摄像头获得的图像进行去噪、增强处理；
⑶、步骤⑵处理后的图像，基于摄影测量原理和光束平差优化方法获得标志点坐标；将标志点坐标输入到三维测量系统计算机的软件中，在三维测量系统计算机上建立叶片支架正反面的光栅面扫描原始模型及基础坐标系；
⑷、将被测叶片安装在叶片支架上，光学三维扫描测量头中光栅面扫描摄像头对叶片支架和叶片一起进行测量，光学三维扫描测量头获得的图像按步骤⑵处理，处理后的图像，基于摄影测量原理和光束平差优化方法获得标志点坐标；计算机通过识别叶片支架的标志点特征将测量得到的标志点坐标与步骤⑵、⑶所述的标志点坐标对齐,将测量数据载入到步骤(3)所述的原始模型中，完成单次测量；
(5)、计算机将步骤⑷的测量结果在步骤⑶建立的基础坐标系中拼合，拼合的内容包括计算机已存储的多次执行步骤⑷获得的被测叶片的单次测量数据；
(6)、计算机判断步骤⑷的拼合结果是否为完整的叶片型面数据，如果完整，则优化测量结果，测量结束，将数据导入叶片专用测量软件中，对叶片的关键尺寸作误差，利用分析处理软件对测量结果进行分析，叶片型面数据如果不完整，则通过调整叶片支架的三维空间位置，按步骤⑵进行在次测量；
(7).光学三维扫描测量头中白光聚焦摄像头获得的图像，基于白光聚焦测量原理，三维光学测量系统获得支架上设置标志点的坐标，将标志点坐标输入到三维测量软件，在计算机上建立叶片支架正反面的白光聚焦测量的原始模型及基础坐标系；
(8).光学三维扫描测量头中的白光聚焦摄像头对叶片支架和叶片一起进行基于白光聚焦测量，三维光学测量系统计算机通过识别叶片支架的标志点特征将测量得到的标志点坐标和步骤(7)所述的标志点坐标对齐，将测量数据载入到步骤(7)所述的原始模型中，完成单次测量；
O).计算机将步骤(8)的测量结果在步骤(7)建立的基础坐标系中拼合，拼合的内容包括计算机已存储的多次执行步骤⑶获得的被测叶片的单次测量数据；
CO).计算机判断步骤⑶的拼合结果是否为完整的叶片边缘细节区域数据，判读依据为叶片局部曲率变化小于设定的阈值；
(11).如果完整，则优化测量结果，测量结束，将数据导入叶片专用测量软件中，对叶片的关键尺寸作误差，利用分析处理软件对测量结果进行分析，如果不完整，则通过调整叶片支架的三维空间位置，按步骤⑴，进行在次测量；
(12).将步骤⑶和(7堪础坐标系及步骤(6)和(11)两种测量的点云数据统一到同一坐标系中，生成叶片整体点云数据，利用分析处理软件对测量结果进行分析得检测结果。本发明基于“光栅面扫描技术+白光聚焦技术”，设计大型叶片(如航空发动机叶片、燃气轮机和汽轮机叶片)全尺寸检测方法，基于“光栅面扫描技术”测量叶片型面尺寸等区域，由于是面扫描，测量速度很快，效率大大高于三座标测量法，可以提高5 10倍；基于“白光聚焦技术测量”测量叶片的边缘(进气边、排气边)等叶片细节区域。本发明涉及的测量装置，包括:由步进电机、高精密丝杆导轨、叶片支架、两轴转台、滑道、光学三维扫描测量头和测量计算机组成的测量系统。步进电机通过控制系统带动光学三维扫描测量头在高精密丝杆导轨上沿垂直方向运动，高精密丝杆导轨和底座平台固定连接；叶片支架包括:框式标志点支架和叶片夹具，框式标志点支架为一面开口的框形结构，框架四周粘贴有标志点，叶片夹具位于框式标志点支架的两侧边框之间，框式标志点支架和叶片夹具分别和两轴转台的上表面固定连接，两轴转台和滑道形成两轴转台既能在两轴方向旋转又能沿滑道滑动的连接结构，滑道和底座平台固定连接。叶片夹具为气动夹持装置。被测叶片安装在叶片夹具上，计算机通过数据传输线缆连接光学三维扫描测量头，待测叶片放置于叶片支架转台上，此转台由测量软件的随动控制单元控制可沿两轴方向及滑道方向运动。光学三维扫描测量头包括左右光栅面扫描摄像头、左右白光聚焦摄像头、中部配有基于白光聚焦的高亮度微小尺寸光点形成光点发生器，此设备基于白光聚焦原理制造，透镜阵列单元白光聚焦发生器的光点尺寸:0.008-0.01mm。
本实施例，基于三维光学测量系统、面结构光投影轮廓术及白光聚焦技术测量对叶片进行检测，基于“光栅面扫描技术”测量叶片型面尺寸等区域；基于“白光聚焦技术测量”测量叶片的边缘(包括:进气边、排气边)等叶片细节区域；将两种测量的点云数据统一到同一坐标系中，生成叶片整体点云数据。光学三维扫描测量头向被测叶片表面投射正弦条纹型面结构光，采用外差式多频相移法求解和展开相位，以相位为图像匹配的约束条件，利用双目立体视觉中的极限约束关系得到叶片型面三维点云数据，实现叶片型面尺寸等区域光学测量。基于“白光聚焦技术测量”由光学三维扫描测量头发出光点，依据等高路径，并由随动控制单元控制叶片托架等步距升高，依次投射到叶片边缘(进气边、排气边)等叶片细节区域，测量过程中测量计算机控制光点大小及测量路径，据此生成叶片的边缘(进气边、排气边)等叶片细节区域数据。由于叶片形状复杂难以单次测量得到完整数据，因此需要多次测量，以拼接的方法获得整个叶片的测量结果。
权利要求
1.一种大型叶片全尺寸检测方法，该方法借助于光栅面扫描对叶片型面尺寸测量和白光聚焦对叶片边缘测量，将两种的点云数据统一到同一坐标系中，生成叶片整体点云数据，实现对大型叶片全尺寸的非接触式检测，检测方法包括以下步骤: (I)、建立与测量系统光学三维扫描测量头相对位置可调的叶片支架，在叶片支架上设置标志点，用于以后数据的拼接； ⑵、对光学三维扫描测量头中光栅面扫描摄像头获得的图像进行去噪、增强处理； ⑶、步骤⑵处理后的图像，基于摄影测量原理和光束平差优化方法获得标志点坐标；将标志点坐标输入到三维测量系统计算机的软件中，在三维测量系统计算机上建立叶片支架正反面的光栅面扫描原始模型及基础坐标系； ⑷、将被测叶片安装在叶片支架上，光学三维扫描测量头中光栅面扫描摄像头对叶片支架和叶片一起进行测量，光学三维扫描测量头获得的图像按步骤⑵处理，处理后的图像，基于摄影测量原理和光束平差优化方法获得标志点坐标；计算机通过识别叶片支架的标志点特征将测量得到的标志点坐标与步骤(2)、(3)所述的标志点坐标对齐，将测量数据载入到步骤⑶所述的原始模型中，完成单次测量； (5)、计算机将步骤(4)的测量结果在步骤⑶建立的基础坐标系中拼合，拼合的内容包括计算机已存储的多次执行步骤⑷获得的被测叶片的单次测量数据； (6)、计算机判断步骤⑷的拼合结果是否为完整的叶片型面数据，如果完整，则优化测量结果，测量结束，将数据导入叶片专用测量软件中，对叶片的关键尺寸作误差，利用分析处理软件对测量结果进行分析，叶片型面数据如果不完整，则通过调整叶片支架的三维空间位置，按步骤⑵进行在次测量； (7).光学三维扫描测量头中白光聚焦摄像头获得的图像，基于白光聚焦测量原理，三维光学测量系统获得支架上设置标志点的坐标，将标志点坐标输入到三维测量软件，在计算机上建立叶片支架正反面的白光聚焦测量的原始模型及基础坐标系； (8).光学三维扫描测量头中的白光聚焦摄像头对叶片支架和叶片一起进行基于白光聚焦测量，三维光学测量系统计算机通过识别叶片支架的标志点特征将测量得到的标志点坐标和步骤(7)所述的标志点坐标对齐，将测量数据载入到步骤(7)所述的原始模型中，完成单次测量； O).计算机将步骤(8)的测量结果在步骤(7)建立的基础坐标系中拼合，拼合的内容包括计算机已存储的多次执行步骤⑶获得的被测叶片的单次测量数据； CO).计算机判断步骤⑶的拼合结果是否为完整的叶片边缘细节区域数据，判读依据为叶片局部曲率变化小于设定的阈值； (II).如果完整，则优化测量结果，测量结束，将数据导入叶片专用测量软件中，对叶片的关键尺寸作误差，利用分析处理软件对测量结果进行分析，如果不完整，则通过调整叶片支架的三维空间位置，按步骤⑴，进行在次测量； (12).将步骤⑶和(7堪础坐标系及步骤(6)和(11)两种测量的点云数据统一到同一坐标系中，生成叶片整体点云数据，利用分析处理软件对测量结果进行分析得检测结果。
全文摘要
一种大型叶片全尺寸检测方法，解决标准样板测量精度低，三坐标测量效率低，成本高的技术问题，采用的技术方案是，该方法借助于光栅面扫描对叶片型面尺寸测量和白光聚焦对叶片边缘测量，通过叶片支架上的标志点坐标值，分别建立光栅面扫描原始模型及基础坐标系和白光聚焦测量的原始模型及基础坐标系在各自原始模型及基础坐标系中进行检测点云数据拼合，在将两种的点云数据统一到同一坐标系中，生成叶片整体点云数据，实现对大型叶片全尺寸的非接触式检测。
文档编号G01B11/25GK103148784SQ20131008129
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者赵灿, 汤春瑞, 刘丹丹, 何万涛, 郭延艳, 梁永波 申请人:哈尔滨鹰瑞达科技开发有限公司