基于无衍射栅型结构光的航空叶片高精测量及评定研究

Aero-engine Blades with complex surface type are large scale span components. The performance of aero-engine is depend on geometrical shape and size of the blades. Three- dimensional measurement of blade profile is important to the blade manufacture quality control and performance. With the development of aero-engine performance, measuring efficiency and precision of blades profile become more significant. A new method of blade inspection based on non-diffracting grating structure light projection and coordinate scanning measurement system is proposed in this project, which can realize in situ, high efficiency and high accuracy measurement of large-size blade profile, and it can also realize evaluation of balde surface automaticly and the evaluation standarlization. Non-diffracting grating structure light with long focus length, small size of fringe space,and sinusoidal density distribution is a new light source, which can assure the longitudinal measurement range, accuracy and high horizontal resolution. The key research contents of this project are design and optimization of high quality non-diffraction structure light projection, model of measuring system and high accuracy calibration methods, measuring point cloud processing algorithm, multi-direction measuring data fusion agorithm and several coordinates system fusion technology , reconstruction of whole blade profile algorithm, feature extraction of surface shape and evaluation standardization of blade profile, etc. This project will provide theoritcal and applied research foundation for new methods of the blade high efficiency and accuracy on-site measurement and evaluation automatically, provide the guarantee of the blade quality control,has theoretical and applied value.

航空叶片是面型复杂且尺度跨度大的零件，其几何形状及参数决定着发动机的工作性能。叶片面型三维形貌测量对叶片加工质量控制和性能保证具有十分重要的意义。随着发动机性能的提升，对叶片面型检测精度和检测效率的要求也越来越高。本项目提出利用新型无衍射栅型结构光投影测量技术和坐标测量系统结合实现较大尺寸复杂叶片面型高效精密在位测量，并实现其自动评定及评定标准化。采用的无衍射栅型结构光是一种新型光源，具有焦深长、条纹细、间距小、光强呈正弦分布的特点，可保证系统具有良好的纵向测量范围、精度以及高横向分辨率。项目重点研究高质量无衍射栅型结构光投影设计及优化、测量系统模型及精密标定技术、点云高效处理算法、多向数据融合机及多坐标数据融合、叶片完整面型重构、叶片面型特征提取及面型评定标准化方法等。该项目将为叶片形貌高效高精在位测量及自动评定新方法提供理论及应用研究基础,为叶片质量控制提供保障，具有理论及应用价值。

航空叶片是典型的大尺寸、薄壁类、复杂曲面零件，其几何形状和轮廓参数决定发动机工作性能，对其型面轮廓进行快速检测是保证叶片加工精度和操作性能的关键。本项目研究了无衍射栅型结构光测量原理，优化设计了相应光学参数。采用的无衍射栅型结构光是一种新型光源，具有焦深长、条纹细、间距小、光强呈正弦分布的特点，可保证测量系统良好的纵向测量范围以及高的横向分辨率。研究了摄像机针孔模型和摄像机畸变模型，提出无衍射栅型结构光测量系统摄像机标定方法和操作步骤，并在世界坐标系中用一个关系式表达物体表面各点相位与其高度的对应关系，提出无衍射栅型测量系统面型重构方法。研究了航空叶片点云数据快速匹配方法，该方法利用叶面截面线作为特征描述子，建立了叶面点云数据粗匹配目标函数和计算方法，经迭代优化后可获得准确的匹配结果。提出了无衍射栅型结构光测量数据与三坐标测量机的多传感器数据融合算法，采用一种加权融合原理实现多传感器测量数据融合，提高了无衍射栅型结构光测量精度。研究了叶片截面线、中弧线、前后缘圆心、前后缘半径、叶片弦长与弦线角等多种轮廓特征参数快速计算方法，初步建立了叶片无衍射栅型结构光型面检测的标准化体系。在上述研究基础上，成功搭建了一套高精度的无衍射栅型非接触式光学测量系统，对直径为38.069 mm的标准球进行了测量，经计算标准球直径绝对测量误差0.027 mm，相对测量误差0.07%，可满足叶片类复杂零件精密测量需求。应用该无衍射栅型测量系统，对无锡叶片厂的叶片样件进行了光学测量和轮廓误差评估，经计算，叶片前缘均方差0.105 mm，叶片叶背均方差0.093 mm，叶片叶盆均方差0.055 mm。.本项目研究共发表学术论文14篇（SCI论文6篇），申报专利4项（授权3项），申报软件著作权1次，培养研究生6人，顺利完成了项目预期目标。