四轴视觉坐标测量系统的设计与应用研究

毕 超 郝 雪 房建国

四轴视觉坐标测量系统的设计与应用研究

毕 超 郝 雪 房建国

（北京航空精密机械研究所 精密制造技术航空科技重点实验室，北京 100076）

针对涡轮叶片气膜孔的几何参数测量难题，基于工业影像测头与多轴运动机构相结合的设计思想，设计并研制了一套新型的四轴视觉坐标测量系统，由工业影像测头、三坐标测量机、回转工作台和叶片定位工装等集成在一起而构成。在应用过程中，三坐标测量机和回转工作台分别用于实现工业影像测头和被测叶片的运动轨迹，而后由工业影像测头采集被测气膜孔的正焦图像并将图像数据转化到叶片设计坐标系中，从而获得其孔径以及孔心的三维坐标。最后，应用该测量系统对被测叶片前缘部位上的目标气膜孔进行了10次等精度重复测量实验，孔径的重复性测量精度≤±10μm，孔心坐标的重复性测量精度均≤±15μm，然后对一列12个气膜孔逐个测量，验证了该测量系统的可行性与功能实现。

三坐标测量机；视觉测量；涡轮叶片；气膜孔

1 引言

近年来，根据我国国防现代化建设的迫切需要，新一代航空发动机的效率、推力和推重比等性能指标大幅提升，使得涡轮前的燃气温度上升到了1700～1900K，而涡轮叶片材料的耐受温度仅为1200K，二者之间的差值达到了500K以上，这就给工作在此极端环境中的涡轮叶片等关键零部件带来了极大的安全隐患。因此，为了实现此类叶片在高温高压下的可靠、稳定与长寿命工作，必须对其采取相应的防护与冷却措施。

目前，在发动机内高温零部件的多种冷却技术中，外部气膜冷却是一种先进且高效的冷却手段，通过在燃烧室、整流导向器和高压涡轮叶片等零部件的表面上开设一系列孔径处于0.3～1.2mm、空间分布位置复杂且数量为几十至几百个的气膜孔来实现。对于高压涡轮导向叶片而言，通入其内腔的冷却介质在完成腔内冲击对流后，会从分布于叶片表面上的众多气膜孔中喷射出来，而后在燃气压力与摩擦力的作用下，冷却介质将贴附于叶片表面而形成一层薄的冷却气膜，从而达到冷却和保护涡轮叶片免遭高温高压燃气流破坏的目的。为了最大限度地发挥出外部气膜冷却技术的降温与防护效果，需要使加工出的气膜孔符合设计文件的要求，因而需要实现对气膜孔的实际孔径与空间位置等形位参数的检测与控制，而这一直以来都是制孔过程中的测量难点。

在国内，为了提高涡轮叶片类零件的质量检测水平，很多研究人员在多轴运动系统与光学测量技术方面开展了积极探索。周阿维等参照叶片磨床机构搭建了立式布局的航空叶片四轴测量系统，并采用非接触式与接触式测量相结合的复合传感技术，通过一次设定就可以完成航空叶片的型面测量。李兵等基于复合式叶片型面测量原理而研制出了一套四坐标测量系统，分别应用电感测头和激光三角法测头测量叶片的叶根榫头和叶身型面，并对影响其测量精度的各项几何误差进行了分析、提取与补偿。鲍晨兴等应用机器视觉方法并配合四轴运动机构，研制出了一套基于工业CCD的叶片气膜孔快速检测系统，对气膜孔定量检测技术与设备进行了初步探索，尚无法实现孔位置参数的获取。

为了应对气膜孔的孔径与空间位置的检测难题，本文基于工业影像测头与多轴运动机构相结合的设计思想，并根据高压涡轮导向叶片上的气膜孔分布特点，研制出了一套具有“三个平动自由度+一个转动自由度”的新型四轴视觉坐标测量系统，将工业影像测头的非接触、频响高、轻便灵活和信息丰富等优点与常规三坐标测量机的行程大、定位精确、技术成熟和通用性强等优点结合在一起，并且增加了回转工作台（第四轴）以实现多轴测量功能。

2 设计思想

气膜孔的实际几何技术状态是否符合涡轮叶片的冷却设计要求，需要由相应的测量手段或设备做出评价和判断。当前，非接触式的视觉测量技术取得了飞速发展与长足进步，解决了传统测量方法难以或无法解决的多种问题，在航空航天等领域中的应用前景越来越广阔。同时，三坐标测量机作为获取尺寸、形状和相互位置等数据的常规精密仪器设备，技术成熟且通用性强，因而可以通过搭载工业影像测头而构成新型的视觉或图像坐标测量系统，用于测量数据的快速、精确获取。

然而，处于固定方位的工业影像测头只能获取到被测物体上的某一部分或某一方位的图像数据，因而仅仅依靠三坐标测量机的三个直线轴无法有效完成处于涡轮叶片上不同方位的气膜孔的测量任务。根据气流的方向要求，高压涡轮导向叶片气膜孔的轴线均位于与叶片积叠轴相垂直的平面内，并且呈现为放射状特征，因而需要在已有的三个直线轴的基础上再加入一个旋转轴（第四轴）构成四轴测量系统，通过旋转轴的运动来改变工业影像测头与被测叶片之间的相对位置与姿态，使具有不同轴线角度的气膜孔均能够进入到工业影像测头的视场中以完成测量。在本文中，为了降低整个测量系统的设计与装配难度，同时确保轴行程可以充分用于测量任务，采用了工业影像测头的方位固定而高压涡轮导向叶片能够实现转位的方式，而这也成为本文对新型四轴视觉坐标测量系统的主导设计思想。

图1 系统的组成框图

基于上述分析，本文采用“三个移动轴+一个旋转轴”的总体结构形式，将三坐标测量机、回转工作台、叶片定位工装、工业影像测头和照明光源等集成在一起而构建出非接触式的四轴视觉坐标测量系统，其组成框图如图1所示。在该系统中，工业影像测头安装在轴的移动末端上，通过、和轴的运动实现其测量轨迹；回转工作台的转角范围为0º～360º，用于根据被测气膜孔的轴线角度进行叶片转位；叶片定位工装则安装在回转工作台上，用于被测高压涡轮导向叶片的装夹和定位，使叶片积叠轴的方向与轴平行。

在应用过程中，还需要将由工业影像测头采集到的二维图像数据（单位：pixel）转化为三维物理测量数据（单位：mm），并最终转换到此类叶片的设计坐标系中。因此，本文建立了6个直角坐标系，分别为图像像素坐标系o-、图像物理坐标系o-、机器坐标系-、回转台坐标系O-XYZ、工装坐标系O-XYZ和叶片设计坐标系（工件坐标系）-，如图2所示。而采集到的测量数据从二维图像空间到三维叶片空间的坐标系转换过程为o-→o-→-→O-XYZ→O-XYZ→-。

图2 系统的6个直角坐标系

3 系统组成

根据上述系统设计思想，应用PEARL型三坐标测量机和SGMCS-04C3B11型旋转电机来构成该测量系统的机械本体，从而搭建出用于气膜孔检测的四轴视觉坐标测量系统，如图3所示。

PEARL型三坐标测量机为移动桥式结构，各个直线轴的有效运动范围均为500mm，并且配备了分辨率为0.5μm的高分辨率光栅检测系统，使整机的重复定位精度为2.8μm，长度测量的示值误差为（2.5+3×/1000）μm（为被测长度）。SGMCS-04C3B11型旋转电机为小容量系列的直接驱动伺服电机，内置20位的绝对型编码器，角度定位精度可以达到1''。

图3 四轴视觉坐标测量系统

工业影像测头是该测量系统的前端传感器，包括CCD、镜头和照明光源。其中，CCD选用Grasshopper3系列高性能面阵相机，该相机采用Sony ICX674型CCD芯片，其分辨率为1920×1440，像元尺寸为4.54μm×4.54μm；镜头选用MML-ST系列标准物方远心镜头，其分辨率为11.2μm，景深为0.44mm，放大倍率为3.0×，工作距离为108.3mm；照明光源则采用MCEP型白色LED点光源，其功率为3.0W，可以通过远心镜头上的光源接口直接安装在镜头上，实现均匀的同轴落射照明。

在系统搭建过程中，为了使所获取的测量数据准确、可靠，并且使后续测量数据的坐标变换与处理过程进一步简化，在将工业影像测头通过转接机构安装于三坐标测量机的轴末端后，还需要调整工业影像测头的成像光轴，使其与轴的运动方向平行，以确保成像平面与平面平行；同时，在将回转工作台安装于三坐标测量机上后，还需要通过机械调整与找正而使其旋转轴线处于竖直方位，即与轴平行。

4 实验与结果分析

为了检验该测量系统的功能和有效性，并探索其在气膜孔的孔径与分布位置测量方面的可行性及应用效果，以某高压涡轮导向叶片作为被测对象，对位于其叶身前缘部位上的某一列气膜孔特征开展了测量实践，验证了系统的功能实现和重复性测量精度。在测量过程中，通过目标孔拾取、路径规划、自动对焦、图像处理和坐标转换等步骤获取到了被测气膜孔出口表面的直径和孔心坐标，以此来分别表征该孔的孔径与分布位置参数，实验现场如图4所示。

图4 实验现场

首先，将被测叶片装夹在回转工作台上的叶片定位工装中，在上位机软件中拾取待测的目标气膜孔，并根据其分布特点与测量需求进行叶片与测头的运动轨迹规划，一方面，控制回转工作台完成叶片转位，使待测气膜孔朝向测量系统轴的负方向；另一方面，控制三坐标测量机带动工业影像测头向待测孔移动，通过、和轴的运动使整个气膜孔进入到工业影像测头的视场范围内。然后，锁住轴和轴，通过轴带动工业影像测头在对焦范围内进行小步长移动，同时根据基于Laplacian算子的自动对焦评价函数判断工业影像测头的对焦状态，最终使工业影像测头正确对焦于被测孔出口处的局部表面，采集到细节最清晰、信息最丰富的气膜孔正焦图像，如图5所示；而后经过中值滤波、阈值分割、特征识别和边缘检测等图像处理步骤提取出气膜孔边缘上的全部像素，并对这些像素进行基于最小二乘法的圆周拟合，得到图像像素坐标系o-ij下的孔径和孔心坐标，如图6所示；最后，通过像素尺寸当量（1.5μm/pixel）换算将像素数据转换为以mm为单位的物理测量数据，并进一步将其经由机器坐标系等转换到叶片设计坐标系中，获得孔的直径以及孔心在中的三维空间坐标，二者分别用于表征被测气膜孔的孔径与空间位置参数，完成气膜孔形位参数的检测任务。

图5 被测气膜孔的正焦图像

图6 孔径与孔心坐标计算

按照以上步骤，本文选取位于该叶片前缘部位上的某一列气膜孔作为被测对象。首先，为了验证系统的重复性测量精度，对该列气膜孔中的第一个孔的孔径和孔心坐标等精度连续测量10次，所得测量结果如表1所示。

表1 该列上第一个孔的测量结果

假设实验过程中的单次测量误差服从正态分布，通过对表1中的数据进行计算可知，对于该气膜孔来说，孔径的测量结果的平均值为0.815mm，标准差为2.3μm，则孔径的单次测量极限误差为±6.9μm（取置信系数为3）；孔心坐标（，，）的测量结果的平均值为（28.990，-6.720，268.610），其中，、和坐标分量的标准差分别为4.3m、4.1m和4.2m，则单次测量的极限误差分别为±12.9μm、±12.3μm、±12.6μm。同时，孔径与孔心坐标的测量结果处于各自极限误差范围内的概率为99.73%。根据此类气膜孔特征的形位参数检测要求，该测量系统能够达到的重复性精度水平可以满足使用需求。

然后，通过规划的运动轨迹对该列上沿着叶片设计坐标系的轴方向等间距分布的12个气膜孔逐个进行测量，所得结果如表2所示。

表2 12个气膜孔的测量结果

5 结束语

根据视觉测量与多轴运动原理，基于三坐标测量机、回转工作台、工业影像测头和叶片定位工装等搭建了一套非接触式的新型四轴视觉坐标测量系统，并进行了系统功能的实验验证，以在涡轮叶片气膜孔特征的几何技术状态监控方面开展积极实践与探索。在应用过程中，通过三坐标测量机的运动实现工业影像测头的测量轨迹，并由回转工作台实现被测叶片的转位，使具有不同轴线角度的气膜孔均能进入到工业影像测头的视场中；再由工业影像测头对准并采集被测气膜孔的正焦图像，最后经由图像处理、最小二乘拟合与坐标系转换等步骤获取被测孔的孔径与孔心坐标，实现了预定功能，并且重复性测量精度可以满足此类气膜孔特征的检测任务需求，因而可以作为一项气膜孔特征的形位参数的检测技术解决方案。

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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

基础性军工科研院所稳定支持项目（K020VA01）。

毕超（1987），高级工程师，仪器科学与技术专业；研究方向：精密测试技术及仪器。

2021-05-19