一種面向航空發動機葉片表面三維形貌的面結構光精密檢測系統技術方案

本發明專利技術公開了一種面向航空發動機葉片表面三維形貌的面結構光精密檢測系統，該系統通過利用兩臺攝像機同步接收航空發動機渦輪葉片反射的光柵圖像，得到一系列點云數據，結合圖像算法，對點云數據處理以后恢復航空發動機渦輪葉片的高精度三維模型，根據得到三維模型，對測量系統和重構的葉片模型進行評估分析，完成對航空發動機渦輪葉片型面幾何質量的高速度、高精度和多參數無損檢測。

A precise surface structured light detection system for aeroengine blade surface

【技術實現步驟摘要】
一種面向航空發動機葉片表面三維形貌的面結構光精密檢測系統
本專利技術涉及一種面向航空發動機葉片表面三維形貌的面結構光精密檢測系統，屬于無損檢測
，主要針對航空發動機渦輪葉片難以高速度、高精度和多參數檢測的技術需求，提供一種渦輪葉片幾何面形質量的無損檢測系統。
技術介紹
在航空發動機的制造過程中，葉片是其中較為重要的組件，其型面復雜且尺寸跨度較大，在運行的過程中會受到較為嚴重的外力，工作情況較為惡劣，航空發動機葉片的幾何形狀與其尺寸對于其工作性能有著重要的影響。如今的航空發動機發展對航空發動機葉片的幾何面形質量的檢測精度和效率也提出了更高的要求。由于航空發動機渦輪葉片制造工藝復雜且要求精度高，屬于薄壁易變性材料，在制作過程中易出現電解損傷、鍛造裂紋等現象，因此，高效、高精度的完成發動機渦輪葉片幾何面形質量的測量是制造行業研究的重要課題之一。由于航空發動機葉片葉身型面是自由的空間曲面，其型面參數沒有確定的規律，這使得葉片的測量極其不便，傳統測量方法有樣板法、三坐標測量機測量法以及激光掃描法，其效率、精度及成本對比見表1。表1傳統測量方式對比樣板法、三坐標測量機測量法以及激光掃描法檢測效率低、存在檢測盲區、檢測精度不高等問題。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的不足，本專利技術提供了一種面向航空發動機葉片表面三維形貌的面結構光精密檢測系統，其技術方案是：1.檢測系統組成系統主要由計算機(含軟件)、工業相機1和工業相機2、自動旋轉臺以及DLP光源等組成，如圖1所示。系統工作時，渦輪葉片只需放置于自動旋轉臺即可。2.軟硬件設計及開發(1)系統硬件設計及開發硬件優先選擇分辨率較高且適用種類多、具備軟件同步功能的黑白攝像機，并要求攝像機的傳感器為面陣CCD；鏡頭則考慮焦距大于8毫米、規格較大、畸變率小于1％且擁有可變光圈的鏡頭；面結構光光源選擇DLP。(2)系統軟件設計及開發底層算法語言選用C++，將所寫的核心算法封裝庫函數，針對選擇的硬件開發相應的上位機時用C#調用所封裝的庫函數，以此完成相關軟件的設計與開發。3.關鍵技術(1)攝像機標定及采集相位信息如圖2所示，攝像機標定是準確測量被測渦輪葉片的必要過程，目的是確定雙攝像機內外參數。攝像機的針孔模型是一種理想模型，它忽略了鏡頭畸變，故必須對鏡頭畸變進行校正。校正后的雙攝像機需要進行參數關聯以確定兩個攝像機的位置和參數關系，如此才能將攝像機得到的圖像進行匹配，關聯后利用投影法評估關聯誤差，再對誤差進行校正即完成攝像機標定。如圖3所示，相位信息的采集是視覺系統中非常重要的環節，目的是獲取渦輪葉片的形貌信息，其關鍵技術主要包括兩個方面：第一，應該保證左右兩個攝像機同步采集。首先在系統與攝像機之間建立可靠通訊，然后為每個攝像機完成初始化，隨后即可開啟攝像機的采集功能。第二，應該保證投影和采集過程的協調性。保證每投出一幅光柵都被有效采集并保存下來，只有在前幅光柵保存之后才會進行新的光柵投影。(2)標準四步相移解相位包裹相位計算主要分為主值相位求解和相位展開兩部分，其最主要目的就是使每個像素點都有唯一相位值。DLP投射的數字光柵條紋因渦輪葉片的放置從A點調制至C點，由此產生相位差Δφ，相位主值包含被測渦輪葉片型面質量的三維信息，對于主值相位的求解，標準N步相移法對系統的隨機噪聲具有最佳的抑制作用，本項目利用標準四步相移法計算相位主值，獲取所需的點云數據。如圖4標準四步相移法測量原理所示，L點為CCD相機的光學中心且到地的距離為L，B為DLP，BC連線平行于參考平面且BC距離為D。可以看出，DLP投射的原本位于A點的光柵圖像，由于物體高度的調制轉移到了C點，其中AC的距離為S，D的高度為H，若投射的光柵周期為T，放上物體后與放物體前的相位差為由三角形相似原理可知由于L、D可以通過實驗測量，T是已知的，那么高度測量的關鍵就轉化為對的計算。已知投射的均為正弦光柵，那么物體各點的光強為式(2)中存在三個未知數，直接獲取有一定難度，則采用四步相移法，引入相移量π/2，那么正弦光柵可以表示為其中k為采樣次數，k＝1，2，3，4。代入k值，通過計算可得如此便可求解帶入式(1)即可求解高度值H。(3)真三維形貌重建及面形質量獲取如圖5所示，面型質量的獲取主要依靠點云數據和處理算法。點云數據經處理后可去除漂浮點等無效點，獲取有效數據后可對點云進行合并從而構建渦輪葉片的三維模型，該三維模型可輸出為所需的格式，則其型面質量參數便可輕易獲取。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：(1)測量速度快，縮短整個測量過程所用的時間；(2)測量數據完整，可三維重構及多幾何參數檢測；(3)非接觸式測量，測零件無損；(4)測量過程所需的成本低，系統一旦搭建完成，調試之后就能投入使用，且后期無需進行繁瑣的維護。附圖說明圖1為系統組成示意圖；圖2為攝像機標定方法；圖3為圖像采集流程圖；圖4為相移法高度值求解模型；圖5為獲取型面質量流程圖；圖6為實施流程圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術進一步說明。(1)進行相機參數標定及雙相機參數關聯；(2)通過DLP投射數字編碼光柵，同時相機進行光柵相位捕捉；(3)利用四步相移法求解三維點云數據后進行點云數據的合并與拼接；(4)進行幾何面形質量的獲取，實施流程見圖6。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種面向航空發動機葉片表面三維形貌的面結構光精密檢測系統，該系統通過利用兩臺攝像機同步接收航空發動機渦輪葉片反射的光柵圖像，得到一系列點云數據，結合圖像算法，對點云數據處理以后恢復航空發動機渦輪葉片的高精度三維模型，根據得到三維模型，對測量系統和重構的葉片模型進行評估分析，完成對航空發動機渦輪葉片型面幾何質量的無損檢測。/n

【技術特征摘要】
1.一種面向航空發動機葉片表面三維形貌的面結構光精密檢測系統，該系統通過利用兩臺攝像機同步接收航空發動機渦輪葉片反射的光柵圖像，得到一系列點云數據，結合圖像算法，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：許斌，劉凱，胡子陽，
申請(專利權)人：許斌，
類型：發明
國別省市：四川;51