航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其形狀復(fù)雜、精度要求極高。葉片的尺寸參數(shù)包括葉身長(zhǎng)度、葉型厚度、扭曲角度、前緣和后緣半徑等，這些參數(shù)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、效率和可靠性。傳統(tǒng)的測(cè)量方法，如手工測(cè)量工具（卡尺、千分尺等）和基于 2D 投影的測(cè)量方法，難以滿足對(duì)葉片復(fù)雜曲面和高精度尺寸測(cè)量的要求。而且，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)批量大，對(duì)測(cè)量效率也有較高要求。在此背景下，3D 視覺技術(shù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片尺寸測(cè)量提供了一種高效、精確的解決方案。
雙目視覺系統(tǒng)
采用高精度的雙目相機(jī)系統(tǒng)，兩個(gè)相機(jī)的分辨率均為 5000×3000 像素，并且配備了長(zhǎng)焦鏡頭，以獲得清晰的葉片圖像和足夠的測(cè)量精度。相機(jī)安裝在高精度的支架上，通過(guò)精確校準(zhǔn)，保證兩個(gè)相機(jī)的光軸平行且具有已知的基線距離。這種雙目視覺結(jié)構(gòu)可以通過(guò)視差原理計(jì)算葉片表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
結(jié)構(gòu)光投射器
使用線結(jié)構(gòu)光投射器，投射特定頻率和形狀的光條紋到葉片表面。光條紋在葉片表面發(fā)生變形，根據(jù)變形情況可以獲取葉片表面的深度信息。結(jié)構(gòu)光的波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)精心選擇，以適應(yīng)葉片表面的材質(zhì)反射特性，確保在不同角度和光照條件下都能獲得清晰、穩(wěn)定的條紋圖像。
旋轉(zhuǎn)臺(tái)與定位裝置
設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度的旋轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)放置航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，旋轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)精確的角度控制（角度分辨率達(dá)到 0.01°），使得葉片在測(cè)量過(guò)程中能夠全方位旋轉(zhuǎn)，便于 3D 視覺系統(tǒng)獲取葉片各個(gè)部分的信息。同時(shí)，配備了定位裝置，能夠快速、準(zhǔn)確地將葉片放置在預(yù)定的測(cè)量位置，保證每次測(cè)量的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。
圖像采集與預(yù)處理模塊
編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)雙目相機(jī)和結(jié)構(gòu)光投射器的同步工作。在圖像采集后，首先進(jìn)行圖像的去噪處理，采用自適應(yīng)中值濾波算法，既能有效去除噪聲，又能保留葉片邊緣和光條紋等細(xì)節(jié)信息。然后對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，通過(guò)直方圖均衡化提高圖像的對(duì)比度，使光條紋和葉片表面特征更加清晰。
特征提取與匹配模塊
對(duì)于雙目相機(jī)獲取的圖像，利用角點(diǎn)檢測(cè)算法（如 Harris 角點(diǎn)檢測(cè)）提取葉片表面的特征點(diǎn)。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)光圖像中，通過(guò)對(duì)光條紋的中心線提取算法，獲取光條紋的精確位置。然后通過(guò)特征匹配算法，將雙目圖像中的特征點(diǎn)與光條紋上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行匹配，為后續(xù)的三維坐標(biāo)計(jì)算建立基礎(chǔ)。
三維重建與尺寸測(cè)量模塊
根據(jù)雙目視覺的幾何模型和結(jié)構(gòu)光的三角測(cè)量原理，結(jié)合匹配的特征點(diǎn)和光條紋信息，計(jì)算葉片表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)大量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，構(gòu)建出葉片的三維模型。在三維模型基礎(chǔ)上，利用幾何算法測(cè)量葉片的各種尺寸參數(shù)。例如，通過(guò)計(jì)算葉身表面點(diǎn)云的最小包圍盒來(lái)獲取葉身長(zhǎng)度，通過(guò)擬合葉型曲線并計(jì)算其厚度變化來(lái)獲取葉型厚度分布，利用空間向量計(jì)算方法確定葉片的扭曲角度等。
將航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的定位裝置中，啟動(dòng) 3D 視覺測(cè)量系統(tǒng)。首先，結(jié)構(gòu)光投射器投射光條紋到葉片表面，雙目相機(jī)同步采集帶有光條紋的葉片圖像。采集到的圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，進(jìn)行特征提取和匹配。然后，根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行三維重建，得到葉片的三維模型。最后，在三維模型上進(jìn)行尺寸測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，判斷葉片是否合格。
精度方面
經(jīng)過(guò)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）對(duì)同一批葉片的對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)，3D 視覺測(cè)量系統(tǒng)對(duì)葉片主要尺寸參數(shù)的測(cè)量精度可以達(dá)到 ±0.02mm，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片 ±0.05mm 的精度要求。例如，對(duì)于葉身長(zhǎng)度的測(cè)量，最大誤差不超過(guò) 0.015mm，葉型厚度測(cè)量的誤差也控制在允許范圍內(nèi)。這種高精度的測(cè)量能力確保了能夠準(zhǔn)確篩選出尺寸不合格的葉片，保障了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。
效率方面
3D 視覺測(cè)量系統(tǒng)能夠在 30 秒內(nèi)完成一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的全方位尺寸測(cè)量，相比傳統(tǒng)的 CMM 測(cè)量方法（單個(gè)葉片測(cè)量時(shí)間約 10 - 15 分鐘），效率提高了 20 - 30 倍。這使得在大規(guī)模葉片生產(chǎn)過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)葉片的快速檢測(cè)，有效提高了生產(chǎn)效率。
降低廢品率
通過(guò)高精度的尺寸測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)尺寸不合格的葉片，使廢品率從原來(lái)的約 3% 降低到 1% 以下。以每個(gè)葉片的生產(chǎn)成本為 10000 元計(jì)算，每年生產(chǎn) 10000 個(gè)葉片，可節(jié)約成本約 200 萬(wàn)元。
提高生產(chǎn)效率
快速的測(cè)量速度減少了葉片在測(cè)量環(huán)節(jié)的停留時(shí)間，使得整個(gè)生產(chǎn)流程更加順暢。同時(shí)，減少了因測(cè)量延誤導(dǎo)致的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整等問(wèn)題，間接節(jié)約了大量成本。
保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量
準(zhǔn)確的葉片尺寸測(cè)量確保了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性，對(duì)于保障航空安全具有重要意義。高質(zhì)量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)有助于提高我國(guó)航空裝備的整體性能，增強(qiáng)在國(guó)際航空市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
推動(dòng)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展
該案例展示了 3D 視覺技術(shù)在高精度尺寸測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為其他復(fù)雜零部件的制造和檢測(cè)提供了借鑒，促進(jìn)了航空航天等高端制造行業(yè)向智能化、高精度制造方向發(fā)展。
綜上所述，3D 視覺技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片尺寸測(cè)量中的應(yīng)用取得了顯著的效果，無(wú)論是在測(cè)量精度、效率還是在經(jīng)濟(jì)效益和行業(yè)發(fā)展方面都有著重要的價(jià)值。
