三类叶片蓝光面阵检测及三维数据处理技术探究
2020-11-06庄世宁杨子一
庄世宁 杨子一
摘要：目前叶片三维型面检测及数据处理需求迫切，但由于三维型面检测存在检测时间长、数据处理过程繁琐、人为处理一致性差等问题，导致测量效率低下，严重影响生产进度。本文以中小型航空发动机叶片型面的三维检测技术为基础，本文主要探索中小型航空发动机叶片型面三维检测，研究了GOM ATOS蓝光面阵三维检测技术，完成了对涡轮叶片、静子叶片、导向叶片三类6 种叶片的三维快速检测和数据处理技术研究，为未来在叶片型面三维检测的全面自动化应用奠定了基础。
关键词：叶片;蓝光面阵检测技术;三维数据
1 引言
航空发动机叶片自身结构复杂、造型独特、生产技术要求较高，加工检测以二维抽样检测为主。随着设计、工艺技术水平的提升，同时考虑到由于叶片工作温度高、应力状态复杂、工作环境恶劣，其整体质量直接影响到发动机的性能指标，因此对叶片的二维抽样检测以逐渐不能满足工艺设计需求。我公司主要应用GOM ATOS蓝光面阵三维检测设备进行叶片型面三维检测，但由于检测过程对参考点位置、定位方法、操作人员的操作水平等等过程相关，对于特性零件没有总结出足够的方法规律;而数据处理过程繁琐，人为因素大，耗时长，大范围推广应用存在一定的应用难度。需要通过多类型叶片进行三维检测及数据处理技术研究，实现多类型叶片快速三维检测及自动数据处理。
2 柔性专用夹具设计
对于叶片三维型面检测时，由于单幅拍照范围有限，需要数十次的三维拍照检测，每张拍照检测结果通过公共参考点进行软件自动计算拼接，形成三维点云数据。由于拼接存在一定误差，且拍照次数越多耗时越长。因此优化贴点位置，减少拍照及拼接次数时，提高检测效率和质量的关键。本研究通过开发设计柔性顶尖专用夹具框架减少零件贴点，减少零件检测干涉;通过高精度小视场与转台合理编配，提高了检测精度和效率。
3 检测过程及点云处理优化研究
（1） 扫描头的定位和测量优化
ATOS Core采用两个立体相机来实现三角扫描原理，通过ATOS软件计算后，各相机像素会转换成独立三维坐标。测量时，根据零件类型选择合适的装方式，通过手动或自动形式转换，自由地移动到工件附近。而最后所有单独的测量数据都会自动转换成一个共同的坐标系，并合成一个完整的三维点云。
（2） 点云数据网格优化处理
ATOS Core采用GOM的三次扫描技术。立体相机与投影仪相结合，在单次扫描中一次性捕捉工件的三个不同方向数据。通过数据整合计算后，根据工件精度要求，选择合理的多边形网格优化参数，能实现工件的自由曲面和基元。通过软件可以进行三维分析以及二维截面或点分析，也可以根据CAD数据生成例如线、面、圆或圆柱等基元。
4 三类叶片三维检测数据自动处理模块开发及应用
基于蓝光面阵三维检测技术，针对涡轮叶片、静子叶片、导向叶片三类6种叶片开展了三维检测数据处理技术研究，通过类型数据基准自定义拾取、基准建立、通用参数选取定义、三维拟合等模块编辑，完成了三类叶片三维检测数据自动处理模块。
具体应用过程如下：
4.1 测量准备
（1） 选择导入的CAD文件;
（2） 处理CAD的错误面片;
（3） 利用该软件快速编制航空几种常见的叶片的叶型测量计划;
（4） 确定CAD坐标系是否正确;
（5） 根据实际情况选择需要检测的叶片类型，同时选择功能。
4.2 普通榫齿叶片
首先，在量棒直径处输入量棒直径，随后点击“构造量棒”，点击基准齿的齿底圆，软件将自动构造量棒。随后，点击构造侧面点，构造侧面基准点。如果叶片很长，用叶根齿型定X向旋转可能会有较大偏差，此时可以构造叶冠内背方向的基准点，同时勾选“作为X轴旋转基准”随后点击确认，将自动构造对齐，随后进入叶型检测模块。
4.3 半榫齿叶片
操作方法和榫齿叶片类似。不同的是，半榫齿叶片侧面和内背各自都至少需要三个点，否则无法点击确认按钮。
4.4 带气膜孔的榫齿叶片
操作方法和榫齿叶片类似。选择完基准后确认，软件自动构造对齐后进入叶型检测模块。
4.5 静子叶片
依次点击构造圆柱/ 平面，然后选择CAD的圆柱/ 平面部分，即可构造基准。
4.6 导向叶片扇形件
下图是导向叶片扇形件的基准构造界面。根据图纸要求，将A1，A2，A3，B4，C5，C6（名称不同图纸可能不同）的坐标依次输入。
4.7 导向叶片
在构造导向叶片基准的界面下直接构造基准，侧面和内背各自都至少需要三个点，否则无法点击确认按钮。通道点可以一个点或者根冠通道各一个点。选择完基准后点击确认。
5翼型检测模塊开发及应用
为了与传统测量方法进行比对，本研究基于三维点云数据二次开发通用翼型检测模块。实现三维型面检测数据二维截面自动截取拟合比对及参数输出。具体应用当构造完基准后，软件会进入翼型检测模块。
5.1 加载和保存配置
由于翼型参数较多，但是同一类型产品参数变化不大，为减少重复操作，可以保存现有配置或者加载之前的配置。同时程序会自动加载上一次配置。
5.2 全局设置
设置截面数量、气流方向、边缘拟合方式、单独拟合方式等参数。
5.3 轮廓和位置
定义叶片轮廓分段和公差的选项。
5.4 尺寸公差
根据图纸要求在菜单中输入尺寸公差。
5.5 构造截面
在输完叶型参数后，点击确认，软件会跳出构造截面的窗口。输入截面名字，选择参考平面和截面高度，点击确认，程序会自动计算截面并出具报告。
6 报告与结论
6.1 报告
7 结论
（1） 本文通过设计柔性顶尖专用夹具框架减少零件贴点，减少零件检测干涉;通过高精度小视场与转台合理编配，提高检测精度。
（2） 通过点云数据网格优化处理探究试验，实现获取点云数据网格化快速处理参数。
（3） 通过开发蓝光面阵检测三维数据处理程序自动生成模块，并分别完成对涡轮叶片、静子叶片、导向叶片三类6 种叶片的自动处理程序。
（4） 通过开发处理及报告集成脚本程序，完成对自动生成模块及检测报告数据的集成规范输出。
参考文献：
[1] 张罗丹.航空发动机叶片超声C扫三维可视化无损检测技术研究[D].兰州理工大学，2019.
[2] 周欣康.基于三维扫描点云分析的航空叶片型面检测[D].华中科技大学，2015.
作者简介：
庄世宁，1987年，男，工程师，本科，叶型检测技术研究.
