基于线结构光的叶片型面特征检测方法研究

刘浩浩，殷 鸣，王宗平，欧登荧，谢罗峰，殷国富,

(1.四川大学机械工程学院，四川 成都 610065; 2.四川大学空天科学与工程学院，四川 成都 610065)

0 引 言

叶片是燃气轮机和航空发动机的核心部件，其形状特征对于整机性能的影响至关重要[1-2]。叶片的精确测量目前主要采用三坐标测量机，其成本高、检测过程复杂、整体效率较低，也难以实现叶片三维形貌的准确重构[3]。随着我国两机行业的高速发展，对于叶片在研发、生产和维修等方面全生命周期检测的要求不断提高，迫切需要新的高效精密检测手段。

近年来光学测量技术的发展为叶片三维形貌的检测提供了新的技术手段。非接触式光学测量可以在不接触物体表面的情况下快速获取待测物体表面信息。近年来很多针对叶片检测的非接触式方法被提出，刘博文等[4]采用一种以多个线激光扫描传感器为主体的叶片测量方案，该方案测量效率高，但引入较多安装误差，需提前标定多个传感器的位置关系。Li等[5]通过3个目标球实现光学传感器与转台平面之间的标定，进一步将叶片点云统一在坐标系下。该方法未考虑传感器安装位姿对所测轮廓与测量基准之间的偏离影响。Fu等[6]向叶片表面投射具有一定编码规则的结构光，通过相位解算得到叶片三维点云数据，但是叶片表面的光反射对测量结果有较大影响。向志聪等[7]利用相位轮廓测量系统测量出叶片前缘三维轮廓，该方法测量精度较高，但前期需经过复杂的标定过程。Sun等[8]提出一种采用标准量块的叶片轮廓数据采集与拼接方案，该方案对标准量块的安装位置要求较高，需将量块正对点激光传感器，通过标准量块厚度实现数据拼接。该方案可实现Y方向上的精确拼接，但在X方向上存在拼接误差。面向叶片检测的实际需求，如何进行综合设计从而建立通用合理的自动化扫描测量装置、可靠的系统标定及数据拼接策略与方法，是控制成本的同时提高测量效率和精度的难点与关键。

本文从现行叶片检测标准出发，在线结构光测量原理基础上设计搭建了一套四自由度检测平台；利用该平台对线结构光传感器位姿进行校准和叶片轴线位姿进行校准；提出一种基于圆柱标定物的线结构光数据采集与拼接方法，实现采集数据的精确拼接，同时避免了复杂的坐标转换和转台轴线的标定过程；最终以某型号燃气轮机导向叶片为对象进行了实验测试，通过与精密三坐标测量机实测数据的对比验证了本文所建立装置和方法面向叶片型面实际检测需求的可行性。

1 基于线结构光的叶片检测平台

面向覆盖叶片全型面检测的需求，同时考虑与现行叶片检测标准的通用性，构建基于线结构光的检测平台如图1所示。

图 1 基于线结构光的叶片型面检测平台

由于线结构光传感器单次测量范围仅为叶片截面上一段轮廓线，因此为实现叶片全型面的扫描，平台由一个转动分量与3个平移分量构成。以X、Y、Z轴移动以及转台转动为主运动，3个平移分量作用于线结构光传感器（以下简称传感器），转动分量作用于待测叶片。在测量过程中，通过合理规划测量时的运动路径，能够在一定尺寸范围内实现待测叶片的全型面自动扫描。平台选用的3个平移轴为卓立汉光KSA系列高精密电动直线模组，其分辨率均为 1 μm，重复定位准确度均小于±3 μm；其中X、Y轴行程为200 mm，Z轴行程为400 mm，能够基本满足中小型叶片的测量范围需求；转台为RAK200高精密电动旋转台，其重复定位精度小于±0.005°，角度范围为 0°～360°。采用更高精度的硬件有助于提高测量精度，但测量装置成本会相应提高。

选择合适的线结构光传感器，能够在尽量避免精加工叶片反光表面数据缺失的同时保证较高的测量精度。本文选用的数据采集设备为基恩士LJV7060线结构光传感器，其采用的光源为405 nm波长的蓝色半导体激光，可减轻因目标表面材质、颜色等原因造成的数据缺失现象。该传感器的主要技术参数见表1，具有测量速度快、精度高、重复性高、环境适应性强等特点，满足叶片型面精确检测的需求。

表 1 LJ-V7060线结构光传感器主要技术参数

现行的叶片检测标准中通常采用等截面法[9]，需对叶片轴线的垂直方向上若干待测截面进行测量，将其截面轮廓数据以及特征参数与叶片CAD数据进行对比，评估出叶片加工质量。因此，从现行叶片检测标准出发进行检测，为建立与CAD模型理论截面所在坐标系一致的测量坐标系，传感器与叶片之间的相对位姿关系必须能够得到严格的保证。为此，在平台中集成了如图1中所示的倾角采集仪与倾角微调仪，以实现对传感器与叶片位姿的精确校准。

2 传感器及叶片位姿的标定与校准

如前文所述，考虑与现行叶片检测标准的通用性，针对所构建的平台提出一种传感器位姿和叶片轴线位姿的校准方法，使传感器发射的激光面垂直于叶片轴线。首先通过测量与标定的方式校准传感器绕平移轴的偏转角度；再以叶片榫头处基准面为参考，校准叶片轴线，使其垂直于激光面。

2.1 传感器位姿校准

传感器安装完成后，由于安装误差、平台连接件的加工误差等因素的影响，传感器自身位姿会与3根平移轴构成的全局坐标系O-XYZ间形成一个三维偏转误差向量：

其中，各参数为欧拉角定义，θ为绕X轴偏转时的俯仰角；φ为绕Y轴偏转时的自转角；ψ为绕Z轴偏转时的旋进角。各偏转角度对传感器的影响如图2所示。

图 2 传感器绕X、Y、Z轴偏转

在叶片检测过程中，待测叶片的目标截面垂直于叶片轴线及转台轴线，传感器发出的激光面应平行于全局坐标系的XOY面。因此传感器安装后产生的俯仰角θ、自转角 φ必须得到校准，否则无法实现对目标截面轮廓数据的测量。

2.1.1 传感器绕X、Y轴偏转角度校准

如图1所示，在检测平台中集成了与传感器位于同一安装平面的双轴倾角采集仪（BWS2000，准确度 0.001°，分辨率 0.000 5°），可实现对俯仰角 θ、自转角 φ的精确测量。同时在传感器下方集成了可实现绕X、Y、Z轴偏转角度调节的倾角微调机构。该倾角微调机构由一个单轴倾角微调仪和一个双轴倾角微调仪组成。

所测得的俯仰角θ、自转角 φ通过倾角微调机构进行校准：不断调节倾角微调机构中的X、Y轴倾角微调仪，使倾角采集仪测量结果接近0°，此时传感器所属平面平行于全局坐标系XOY平面，即传感器绕X、Y轴偏转角度得到校准。

2.1.2 传感器绕Z轴偏转角度校准

旋进角ψ即传感器绕Z轴偏转角度对测量结果的影响如图3所示。旋进角ψ的存在将使传感器在平台X轴不同处测得的轮廓数据无法通过X平移运动关系进行直接拼接。

图 3 旋进角ψ对测量结果的影响

旋进角ψ无法通过倾角采集仪进行测量，因此通过光学标定的方式进行标定和校准。当传感器数据坐标系的X轴和检测平台X轴平行时，即可实现旋进角ψ的校准。

标定采用一矩形标定块，其表面采用研磨加工，表面粗糙度为Ra0.8。标定块置于电磁铁上固定，标定面A0与XOZ面存在偏角δ。如图4所示，两个测量位下轮廓倾斜程度与偏角δ和旋进角ψ均相关。因此在旋进角校准过程中，首先消除偏角δ以保证标定面A0与XOZ面的平行，然后通过标定面A0的轮廓信息反求旋进角ψ。

图 4 旋进角ψ标定原理

具体的标定和校准过程如下：

1)调节平移轴，使标定面A0在两个测量位下均处于传感器的有效测量范围内。

2)在测量位1采集一组轮廓数据L1，记录横坐标x为0时的y坐标数据l1（即图4所示O1C1）。

3)移动X轴LX，在测量位2采集一组轮廓数据L2，记录横坐标x为0时的y坐标数据l2（即图4所示O2C2）。

4)根据几何关系，C2S平行于平台X轴且长度为LX，由于旋进角ψ较小，可得：

进一步，转动转台且角度为δ，由于δ为近似值，所以重复步骤2)～4)，即可完成偏角δ的消除。

5)实现上述过程后，两个测量位轮廓倾斜程度只与旋进角ψ有关，且轮廓倾斜程度即为旋进角ψ。再次采集测量位1轮廓，其斜率为K，则有ψ=arctanK。进一步，调节传感器下方对应的Z轴倾角微调仪，即可实现旋进角ψ的校准。

至此，传感器位姿校准完成。

2.2 叶片轴线位姿校准

现行叶片检测标准中，截面数据是沿着叶片轴线的垂直方向截取出若干个截面进行测量，因此测量需满足传感器激光面垂直于叶片轴线。在完成传感器位姿校准后，激光面已平行于全局坐标系XOY面，因此只需使叶片轴线垂直于XOY面即可。

在叶片加工和检测过程中，其自身轴线由榫头部分的基准面确定。如图5所示，榫头处基准面A、B平行于叶片轴线，因此要实现叶片轴线与XOY面垂直，需同时保证基准面A、B与XOY面垂直。

图 5 叶片轴线校准原理

叶片轴线位姿的校准过程如下：

1)调节平移轴及转台，使基准面A正对传感器且处于传感器测量范围内。

2)采集测量位1的轮廓数据，记录数据坐标系上x=0处的y轴坐标y1。

3)移动Z轴LZ，在测量位2采集一组轮廓数据，记录x=0处的y轴坐标y2。

4)若y1≠y2，证明基准面A与XOY面不垂直且两者之间的夹角θ′为：

进一步，多次调节电磁铁下方对应的倾角微调仪，直到y1=y2即可完成基准面A与XOY面的垂直标定。

5)转台转动90°，使基准面B正对传感器，并重复步骤2)～4)，完成基准面B与XOY面的垂直标定。

实现上述步骤后，基准面A、B与XOY面垂直，即完成了叶片轴线的位姿校准。

3 基于圆柱标定物的数据采集与拼接

因传感器单次测量范围有限，但要完成叶片截面的测量，则必须协调平移轴与转台进行多视场下的测量，然后将测量数据进行坐标系的统一，即数据拼接[10]。结合检测平台特点，本文提出一种基于圆柱标定物的数据拼接方案，该方案不需要将传感器与转台轴线之间的位置关系进行标定，并且实现过程简单，适用于各种结构形式的叶片。

在完成传感器与叶片轴线的位姿校准后，将圆柱标定物按照一定位置关系与待测叶片放置在电磁铁上固定，通过提前规划的运动路径将不同视角下的轮廓数据进行采集，拼接得到待测截面的完整轮廓数据。轮廓采集方案的具体实现步骤如下：

1)调节平移轴，使圆柱标定物处于传感器测量范围内，并且传感器激光面处于第一个待测截面高度上，如图6所示。

图 6 待测叶片放置方式

2)采集圆柱标定物轮廓数据M0：

记此时传感器数据坐标系为M0-xy，传感器位于测量位O1。利用最小二乘法对M0进行圆拟合，得到圆心坐标C1(xC1,yC1)。

3)保持Z轴不变，多次调节X、Y轴，使传感器处于多个测量位下并完成叶片单侧截面的扫描。设传感器共存在i个测量位，第k个测量位与测量位O1的位置向量为：

第k个测量位下测量数据为：

将多个测量位下数据转换到测量位O1下（即测量数据统一到坐标系M0-xy中），有：

再将转换后的数据M1、···、Mi与M0拼接，得到数据集M：

M即传感器照射面的单侧轮廓数据，如图7所示。

图 7 数据集M对应的轮廓数据

4)将转台转动180°并移动X、Y轴，采集圆柱标定物的另一面轮廓数据N0，记此时传感器数据坐标系为N0-xy，利用最小二乘法对N0进行圆拟合，得到圆心坐标C2(xC2,yC2)。

5)按照步骤3)的原理采集完叶片另一侧截面数据，得到数据集N。N即传感器照射面的另一侧轮廓数据，如图8所示。

图 8 数据集N对应的轮廓数据

6)根据图9所示的几何关系，两组数据集可通过圆心坐标拼接在同一坐标系下。数据坐标系M0-xy与N0-xy的y轴间距为：

图 9 基于圆柱标定物的数据拼接原理

x轴间距为：

将坐标系N0-xy下数据统一到坐标系M0-xy，有：

式中：(xn,yn)——坐标系N0-xy下任意一点坐标；

(xm,ym)——点(xn,yn)转换到数据坐标系M0-xy中的坐标。

由式(11)可将数据集N转换到坐标系M0-xy下，实现了数据集M、N的轮廓拼接，得到当前截面完整轮廓。

7)调节Z轴，可测量叶片的其他待测截面。

利用该方案进行数据采集与拼接，轮廓采集次数少，大大节省了测量时间；运动控制简单，只涉及到平移轴的移动以及转台的一次转动；坐标转换处理方便，无需进行复杂的数据处理且无需标定转台轴线；适用范围广，能测量大部分叶片的截面。

4 实验验证

4.1 叶片截面轮廓度偏差对比

实验采用某型号燃气轮机导向叶片作为实验对象，待检叶片有3个目标截面，通过判断截面轮廓度是否在公差范围内，从而保证叶片加工质量。检测截面在叶片型面上的位置如图10所示。图中h1=52.08 mm,h2=77.55 mm，h3=102.03 mm。

图 10 待检叶片目标截面位置

按照本文检测方案采集叶片截面轮廓数据，将采集的点云和三坐标测量的点云进行对比，可得到叶片型面上3条型线的偏差对比图，如图11所示。型线轮廓度偏差数据如表2所示。

图 11 型线偏差对比图（单位：mm）

表 2 型线轮廓度对比偏差mm

由表2可知，线结构光检测与三坐标检测结果的轮廓度偏差在±0.02 mm以内，最大标准偏差为0.017 mm。

4.2 叶片型面特征参数偏差对比

叶片型面特征参数包括前后缘半径、弦长、最大厚度等[11]。将测量数据的型面主要特征参数与三坐标检测报告进行对比，结果如表3所示。

表 3 截面主要特征参数对比偏差mm

由表3可知，线结构光检测方案与三坐标检测方案测得的弦长最大偏差为0.017 mm，前缘半径最大偏差为0.015 mm，后缘半径最大偏差为0.004 mm，最大厚度偏差最大为-0.015 mm，主要特征参数偏差均在±0.018 mm以内。

5 结束语

本文提出一种基于线结构光的叶片型面特征检测方法，基于线结构光测量原理，设计搭建了一套四自由度检测平台。从现行叶片检测标准出发，利用平台上集成的倾角微调仪实现了线结构光传感器位姿和叶片轴线位姿的精确校准；提出一种基于圆柱标定物的数据采集与拼接方法，该方法运动控制简单且数据处理方便。结果表明，使用本文提出的叶片检测方法能采集到叶片完整的截面轮廓，并且检测结果与三坐标检测结果的轮廓度偏差在±0.02 mm以内，提取的主要特征参数偏差均在±0.018 mm以内。本文所提方法为叶片型面的高效精密检测提供了可行的技术手段。