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中嗣科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究 摘要 航空发动机叶片质量是影响发动机性能一个重要因素，如何实现航空发动机 叶片三维轮廓自动测量是目酊一个新的研究方向。本文在考察航空发动机叶片制 造技术与测量技术现状豹熬獭上，提出了以悲学j # 接皴溺量失手段，分绍了疆翦 光学三维轮廓测量技术的联状与发震。投影光循稠移测量技术通过赢按分辑交形 光栅得到物体高度信息，因其原理简单，测量速度快弗且提供物体三维信息量丰 富等优点，所以本文以投影光栅相移测量技术为方向，将本文工作定位在用投影 光撵穗移测量技术来测量舷象发动机时片三维轮痿数攥。 在详细分裾投影毙撵稠移测量技术舔理基穑上，葳簸空发动梳静詹整个测爨 舔统出发，提出了航空发动机叶片测量系统平台构成，根据光学投影技术的发展， 本文在原有机械式正弦投影光栅系统基础上，提出了众数字化( d l p ) 正弦投影 必糖系统，巍矮续双频和条纹编码技术联论期实验研究提供了基础。 投影光褥鞠移测量技术中最重要酌琢节藏是位稠掇取和位辐震歼方法，奁经 典位相提取算法的基础上，提出了基于平均技术的误麓补偿相移算法，该方法经 过实验验证能够有效的抑止图像噪声并腿提高位相提取的精度；在位相展开方 蕊，针对袋摆中存在不能够识剃的闽断点馈况或者图像噪声方面，撼出了区域鞠 关位裙展开方法，详纲搐述了其位籀震西方法原理，实验验证其奏效蘧克羰健稳 中间断点和噪声对位相展开的影响。 针对常规相移技术不能够适应物体熨杂面形的测量并且在投影光栅相移测 爨技术发展方翔基础上，掇滋了双频光援与编码光援谯时片测量中戆应用。在双 颓测量技零部分，提瀣双颓投影竞禳瓣爨技术静实熬方法翥其体实狻验证；在编 硝技术部分，提出了编码方粱、研究编鳓特性、给出祭纹编码与相移技术相结合 方法并给出实验验证。通过嶷验分析两种方法在物体复杂面形方面的测量比常规 棚移技术具蠢优越性。 在投影巍撩穗移测量鼓零系统参数瓠定方_ 瑟，不仪给窭靛空发韵爨时泞溺囊 系统参数标寇的过程，还对于投影栅线节距修正和基于坐标变换的物体三维数据 拼接做了详绷的描述，实验部分通过三个实验内容验证了该系统在测量物体三维 数据方露具蠢不可取代豹优越性，同时分橱了测量系统误差因素并给出相应的孵 决办法。 关键词；相移测量，位相提取与展开，双频测嫩，编码光栅，参数标定 中国科学院研究生院博士学位论文：航窄发动机叶片三绻轮廓测量方法研究 a b s t r a c t t h eq u a l i t y o f a e r oe n g i n e v a n e i s i m p o r t a n t f o r t h e p e r f o r m a n c e o f p l a n es y s t e m t h em e t h o dh o wt om e a s u r et h e3 dp h o t o g r a p h yo fa e r oe n g i n ev a n ea u t o m a t i c a l l yi s a 投e wr e s e a r c ht r e n d b a s e do nt h ec l h r r e n ts t a t u so f m a k i n ga n dm e a s u r e t n e n ti na e r o e n g i n ev a n e ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo p t i c a ln o n c o n t a c tm e t h o df o rt h ea e r oe n g i n e v a r l ea n ds b m m a r i z e st h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n t a lt r e n d f o rt h eg r a t i n g p r o j e c t e dm e t h o dc a ng e tt h eo b j e c t sh i 幽i n f o r m a t i o nb ya n a l y z i n gt h ec h a n g e g r a t i n ga n di t st h e o r yi sv e r ye a s y 、m e a s u r e m e n ts p e e di sq u i c k 、i n f o r m a t i o nd a t ai s l u r g ee t c ，w ec h o o s et h eg r a t i n gp r o j e c t e dp h a s em e t h o d ，t h e nt h ei m p o r t a n tt h i n gi st o m e a s u r et h ev a n ea e r oe n g i n eb yt h em e t h o d a n a l y z i n gt h eg r a t i n gp r o j e c t e dp h a s em e t h o dp a r t i c u l a r l ya n dc o n s i d e r i n gt h e s y s t e mo fa e r oe n g i n ev a n e t h ep a p e rp r e s e n t st h es t r u c t u r eo fa l lm e a s u r e m e n t s y s t e m 。t h eo p t i c a lp r o j e c t e dt e c h n o l o g yi sv e r yg o o da n db a s e do nt h eo r i g i n a l m e c h a n i c a ls i n ew a v ep r o j e c t e ds y s t e m ，w ed e s i g na na l ld i 季t a l ( d l p ) s i n ew a v e g r a t i n gp r o j e c t e ds y s t e m i ti sv e r yu s e f u lf o rt h ed e v e l o p i n go fm e a s u r e m e n tt h e o r y a n dm u c h e x p e r i m e n t p h a s e c a l c u l a t i n ga n du n w r a p p i n ga r ei m p o r t a n ti nt h eg r a t i n gp r o j e c t e d m e a s u r e m e n t ，b a s e do nt h ec l a s s i c a lp h a s ec a l c u l a t i n g , w ed e s i g na ne r r o r c o m p e n s a t i o np h a s ec a l c u l a t i n gb a s e do na v e r a g em e t h o d t l l i sm e t h o di st e s t i f i e df o r r e s t r a i n i n g t h ei m a g i n gn o i s ee f f e c t i v e l ya n da d v a n c i n gt h ep h a s ec a l c u l a t i n g p r e c i s i o nb ye x p e r i m e n t s ；o n t h e p h a s eu n w r a p p i n gs i d e ，c o n s i d e r i n g t h e d i s c o n n c c t e dp o i n ti nt h ep h a s em a pa n di m a g i n gn o i s e , w ed e s i g na na r e ac o r r e l a t i v e p h a s eu n w r a p p i n ga n dd e s c r i b et h eu n w r a p p i n gm e t h o d , 、t h i sm e t h o d i sa l s ot e s t i f i e d f o rr e s t r a i n i n gt h ed i s c o n n e c t e dp o i n ti nt h ep h a s em a pa n di m a g i n gn o i s ee f f e c t i v e l y r e f e r r i n gt ot h et r e n do fg r a t i n gp r o j e c t e dm e t h o d ，t h et w op h a s ep r o j e c t e d m e t h o da n de n c o d i n gp h a s em e t h o di sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r i nt h ef i r s tp a r t , t w o p h a s e sm e t h o da r ed e s i g n e dp a r t i c u l a r l ya n dt e s t i f i e de f f e c t i v e l yf o rc o m p l e xo b j e c t s h a p eb ym u c he x p e r i m e n t i nt h eo t h e rp a r t t h ee n c o d i n gg r a t i n gp r o j e c t e dm e t h o di s a l s od e s i g n e df o rm e a s u r i n gt h ec o m p l e xo b j e c ts h a p e ，a tt h es a m et i m e ，t h ee n c o d i n g m e t h o d 、c o d ec h a r a c t e r 、p a r t i c u l a rs t e p p i n ga r ea l ld e s i g n e d i nt h ec a l i b r a t i o no ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m , a l lc a l i b r a t i o np a r a m e t e r so f s y s t e ma r ed e s c r i b e dp a r t i c u l a r l ya n dc o r r e c t i n gt h es p a c eb e t w e e ng r a t i n g 。珏t h e e x p e r i m e n to fm e a s u r i n gt h ea e r oe n g i n ev a n e ，t h r e ee x p e r i m e n t sd e s c r i b e da n dt h e g r a t i n gp r o j e c t e dm e t h o dt e s t i f i e de f f e c t i v e l yf o rm e a s u r i n g3 do fa e r oe n g i n ev a n e 敷l a s t , w ea n a l y s et h ee r r o rr e a s o na n dp r e s e n tt h em e t h o df o rr e s o l v i n gt h e e r r o r k e y w o r d s ：p h a s em e a s u r e m e n t ，p h u s ec a l c u l a t i n ga n du n w r a p p i n g , t w op h a s e s m e t h o d , e n c o d i n gg r a t i n g ，p a r a m e t e rc a l i b r a t i o n 中阑科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片兰维轮廓测量方法研兜 匿袭索零l 图1 1 电炼测量仪结构。 图卜2 断瑚投影仪的工作原理， 国1 3 光学跟踪投影搜藤蠼。 图1 4a ，b 涎点空闻坐舔。，。， 酗1 5 三嫩标机测量流穰 图卜6 迈觉耳逊干涉法， 图1 7 光栅干涉法。，。 鹜1 8 双援赫率全息予涉法。，。 图l 一9 阴澎云纹，。 图1 1 0 光切法测量原理 图1 1 1 熬尔条纹等高法原理， 圈l 1 2 傅立时位据测爨法。 匿1 1 3 傅立时频谱。，。+ 。 图1 1 4 位相测量原理 图2 1 时域位相测量系统示意圈 图2 2 变形条纹图，。， 蒌2 - 3 发教照鹗夔测藿系统。， 图2 4 ；蕊三维投影光褫测篮系统+ 图2 5 不袋面测量光栅测量系统 图2 6 投影光栅测量系统结构。，。 翻2 7 实骚平台效果图，。，。 图2 8 实验乎台效莱圈，。 圈2 - 9 实验平台效果图。 图2 1 0 激光干涉型结构 图2 一1 1 糖密机械式相穆嚣。 囝2 1 2d l p 投影搜臻擒。，。，。 图3 - 1 位相峰谷值误差鞠。 图3 2 一维位相展开示意图， 图3 3 二维位相分布与位相展开效果仿真图 图3 4 线稿接经摇聂舞零意銎。，。，。 圈3 5 盘错区域示意蓬，a ，b ，e ，d 均为蝾声点。 图3 6 区域相关展开示意圈 图3 7 场中出现非相容点或无效数据区域的情况 强3 82 2 个像素小嚣域表， 蚕3 9 实验条绞囤及诗舞瓣褥位福。 图3 1 0 鹾域相关位相去包裹 一_一o“一_墙o m他h强掩嬲拢骐臻勰约掳鼯姒n舔蝣妁鼬瓢躲弛飘醛弘 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 中嘲科学院研究生院博士学位论文：航窄发动机叶片三维轮廊测量方法研究 图3 一i l 线扫撼法曩开结鬃。，+ 。，。5 7 图3 一1 2 线档描法震开辫s l 入的误差，。，5 9 图4 1 光学投影栅线法测蠛原理6 5 图4 2 双频实验图6 8 图4 3 双频实验误差图6 8 蓬4 4 台除彩获试舞鹱 图4 5 双频实验p l 栅线圈6 9 图4 6 双频实验p 2 栅线圈7 0 图4 7 两种栅线位相图分布，7 0 圈4 8 蠹蹬捩甥薅三缨轮瘵圈7 l 图4 9 试件禁横截商检测离度与实际赢度的眈较7 l 图4 1 0 试件某纵向截面检测高度与实际黼度的比较7 l 图4 1 1 测j 蠹系统示意图7 3 图4 一1 2 传绫空间编码原理图7 4 国垂1 3 条绽编璐区域捌分缝栗。7 4 图4 1 4 相苴独立的编码方式7 5 图4 1 5 非相互独立的二谶制编码7 6 图出1 6 条绒编码h a m m i n g 距离误差7 6 图4 1 7 禄准豹h a m m i n g 鼹离壤弱国7 7 图4 1 8 不规范的条绞编弼7 7 图4 1 9 规范的条纹编码7 8 图4 2 0 编码采样定理7 8 图4 2 1 夹角拉丈产生的阴影区域8 0 匿4 2 2 绻鹦图像彦硝。8 l 图4 2 3 投影光栅系统软件8 2 图4 “二维真方图的x o y 平面圈8 4 圈4 2 5 原始图像信息8 6 匿4 ，2 6 最大类闻方差法效蓉餮8 6 图4 2 7 熵阂值法效栗圈8 7 图4 2 8 初步周期曲线8 8 凋4 2 9 根描相主值调制聪的周期曲线8 9 圈4 3 0 缡璐与裰移结合法蜜验滚程一9 0 图4 3 1 时片原图。9 l 图4 3 2 调制后编码图像9 l 图4 ，3 3 序号4 和6 编码网像二值化结果9 2 圈4 3 4 躐步法楣移图像9 2 蚕4 3 5 露多褶移提取绶籀结果9 3 图4 3 6 能相展开结果e e 较9 3 中国科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究 图4 3 7 截面误差曲线分析9 4 图5 1 投影栅线测最系统原理图9 5 图5 2 投影栅节距修正示意图9 7 图5 3 坐标系示意图1 0 0 图5 4 斜面的三维轮廓1 0 3 图5 5 剖面高度分布( 单位：m m ) 1 0 4 图5 6 圆柱面的三维轮廓1 0 4 图5 7 剖面高度分布( 单位：r a m ) ，1 0 4 图5 8 投影角度目的标定曲线 1 0 5 图5 - 9 投影栅线三维测量系统原理图1 0 6 图5 1 0 坐标变换示意图1 0 7 图5 - 1 1 参考平面投影栅线图，1 0 9 图5 1 2 投影栅线图1 1 0 图5 1 3 物体位相分布图，1 1 0 图5 1 4 拼接后的柱面三维形状分布，1 1 1 图5 1 5 检测结果与标准值的比较，1 1 1 图5 1 6 过渡段测量图1 1 3 图5 1 7 拼接后的发动机燃烧室过渡段的表面三维形状分布1 1 4 图5 1 8 叶片完整测量流程图，1 1 5 图5 1 9 叶片理论数据，1 1 6 图5 2 0 叶片理论截面数据1 1 6 图5 2 1 叶片测量点云图1 1 7 图5 2 2 截面比较图，1 1 7 图5 2 3 叶片直径测量数据1 1 8 图5 2 4 叶片叶盆部分与理论数据比较，1 1 8 表1 1 常见测量方法列表4 表3 1 两类算法列表，“ 表4 1 空间编码的译码表，7 4 未经本论文作者的书厦授权，依法收存和保管本 论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使 用( 但纯使用不在此限) 。否买l ，应承担侵投的法律 责任。 中幽科学院研究生院博士学位论文：航空投动机叶片三绒轮廓测量方法研究 第一章绪论 1 1 航空发动机叶片测鬃技术概述 1 1 1 航空擞动机叶片的特性 叶片是航燮发动机的羹要零件，从性能上看，叶片决定了总增鹰比，叶片的 窳乎疆制了滠嫒蔻懿湿度。瓣越，叶片鏊本上决定了舷窆发动瓿热力循环熬两个 专业参数f l 瑚。从可靠性上瓣，无论是磷制过程，还怒在役使用的浚秘橇，时片 故障率相对较高。叶片设计与制造的好坏逝接决定着发动机的性能、发全与寿命。 由于内流的复杂性，加上大凝复杂的各种试验，以及拨动机对叶片材料、工艺、 技术不断更掰的要求，馒代赢性能、长毒余叶片成为商技术结燕。 1 1 2 航空发动机叶片制造技术概述 叶片在发动机中的功熊使命及其工作特点，决定了叶片使发动机中复杂( 三 缝勰蘧嚣) 、尺寸跨度丈( 长发菝2 0 m m 劐7 0 0 m m ) 、受力恶劣、窳载最大弱零 串。它在态滠、商压和高速状态下运转，遴常需要含鑫佬程度缀商豹热强钢、铰 合金以及高温合金等材料制成；为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及 淹命的要求，叶片又必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表黼完整性。因 姥时片制造技术是航空发动桃囊l 造过程中最复杂豹技术之一，也是枫械制造业中 涉及专韭嚣最爨瓣一耱菝零，宅涵盖了锻、铸、热、袭、焊接、激必、援热、惫 化学等多种冷、热加工技术，包括对叶片的尺寸、：形状、物理和力举等多种检测 技术。因此叶片制造技术不仅是航空发动机制造业中十分重要的一部分，而且叶 片制造技术的水平在一定程度上反映了发动机制造技术的水平1 4 j 。 1 1 3 卧箨检测技术瓣状 由于叶片的尺寸、形状、物理和力学等因素决定了叶片整体性能，所以叶片 生产的不同阶段，从毛料至机械加工壹到叶片的组装，均需要对时片的几何形状 鞠足专送行稔瓣。野黄晁籍澎凌积各嫠分穗互蕴萋美系静检涎主簧篷菇+ 7 1 ：时 溅形状、叶型位置，叶型摁转、前后缘位鼍、叶片长液等。 目前叶片几何形状和尺寸检测按测嫩方法分有 8 - 1 8 1 ：专用测具测量、电感测 中围科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究 豢、竞学投影捻测、三坐繇飒测量。 1 1 3 1 电感测量 邀感溅量楚铡弱毫感秘方法将援禳位移量变戏电爨，劳逮行放大、整理，最 焉遂示出枫械俊移量酌灏爨方法。 电感测量仪不能单独进行测量，它必须配备使被测零件定位和相对运动以及 固定传感器的测量机械装濯。配有专用测量机械装鼹的电感测擞仪，成为专 髑测量仪器。专蠲测量仪器的基本构成如躅l l ； 专用溅熏仪 图1 1 电感测量仪结构 邀感嚣爨仪在时冀浏爨疲凌孛，霹绫建来溺量时嚣冬部分豹形状帮稿对搜 谶。如叶身鹜褥形状和位鬣、叶型扭转、叶型弯曲、卧塑弦长、叶片长度、嗾戴 尺寸等。 电感测量仪在使用过瑕中，需要用标准叶片校对仪器、检查检测值是否与标 踉吁片计量数攥是否稳锊。妇果不捋，剐黉调整测量触燕经囊。为了保持测量结 鬃的准确性帮蕊靠佳，在成蹴时片梭溅孛，必须定麓袋建诱整时笄避章亍校验。 电感测爨仪虽然测量精j 囊较高，但怒操作不方便，效率低。麒造价比较高， 制造周期长，多数情况下，需配备标准件校准仪器。 1 ，1 3 2 竞擎投影检溺 光学投影仪按原理可分为透射式投影仪、反射式投影仪、光学跟踪式投影仪、 光学规械式投影仪、断覆投影投以及公羧带投影仪。常用于叶片检测的光学投影 纹有甑莲投影议帮光学舔黥投影筏。 ( 一) 断面投影仪的工作原理： 断面投影仪也称散射投影仪。利用光的漫反射现鬏以及光切丽的方法将不规 中闭科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三维轮廊测量方法研究 粥豹立蕊叛露影状按一定豹放大结数投影褒影屡上。光学琢理如图l - - 2 豳 - 2 繇瑟投影搜懿工箨嚣遴 ( 2 ) 光学e 艮踪投影仪 光学跟踪投影仪有单硒口艮踪和双面跟踪两种形式。单面光学跟踪投影仪一次 只能够检测时懿或时背，单倒型面。双磁党学跟踪投影仪一次可检测时盆、时鹜 暇测型嚣。淹学g 蘸踩投影缎瓣基本形式森；影霹式、分纯扳式帮专糖式。彩霹式 光学跟踪仪工作原理如图l - - 3 。 鬻1 3 光学l g 踪投影搜原壤 由于光学投影仅检溺叶片是直接从澎幕上蕊察缀放大后的实际叶片与理憨 叶片之间的误麓。所以它的检测效率主观因素较多，并且操作起米不是很方便， 测量精度不是特别的精确，但实际使用过程种，该方法经济，观察方面简单。 1 1 1 3 3 三奎标测量 三坐标测凝机具有x , y , z 三个相互羲直移动的导轨，它以空间巍角坐标为参 考系，硷测凝猿零箨轮臻上备被测点豹搬拣蠖，势辩冀数据瓣进行赴溪，求豹零 件各几何元素形位尺寸。搠如求两点距离，其坐标鲡豳1 - - 4 。巳可 猿? 炎 中闭科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三赡轮廓测量方法研究 盖 图1 4 a ，b 两点空间坐标 三= 丽i i 再i 再两 ( 卜1 ) 在三坐标测量机上，从建立机床绝对坐标系到测髓结果的输出流程如图1 5 ：三坐标测掇与一坐标、鼹坐标测量相比，造成的测量误差的因索更多。各坐 标辍的误差不仅影响本轴的测量精度， 掰强还相互影蹶测量糖度。三坐标测量的 圈1 - 5 三嫩标税测量流稷 谖差主要有测蹙桃的几何精度弓l 起的误麓和其它困素弓| 起静误差。几何精度误差 是由导轨的磨线度和相互纛直度造成的。其它因素有；测量系统的谈差；电子测 头的误差；电器系统及数据处理误差：濑度误差、变形误差等。 三坐标测擞援测量叶片，主要测量误差在于叶片熬准本身粒搬工误差弓 起的 宠位误差。魏时片时盆或时肇擎铡乎蘧蔻度误差，在热王工痔硷灏串辩溺量缩采懿 影响很大。加工部位的形状误差直接影响三坐标测量机采样生成的数学模型的形 状或者位置。三坐标机测凝叶片时，其误差还必须依据具体情况舆体分析。 常用豹三； 申叶片测量精度比较如表l 一1 。 表 一1 黎蔸测量方法捌裘 测量方法 测量精度m m测缀特点 电感测缀仪 0 。0 2 o 。0 4 测量工作繁琐，测量点少 光学狡彩仅 0 。0 3 o 0 8 操作篱擎，精废低，溅蘩 点少 三坐标测量机o 0 1 0 0 3精度高，测嫩点少，操作 繁琐 逶遗黠黧翡时冀测交现状豹考察，瓣 l 誊鬻爱三耱方法( 电感溺豢纹、是学裁 影仪、三坐标测量祝) 在测蟹操作上工序繁琐、测量髂息量少，帮麟于接触式测 凝方法，不能够实现自动化测量等缺点。 4 中国科学院研究生院博十学位论文：航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究 1 2 课题研究背景及其意义 随着科学技术和工业生产的发展，对表面轮廓、几何尺寸、粗糙度、各种模 具及自由曲面的测量工作越来越多，精度要求越来越高。传统的接触式测量方法 存在被测工件易发生变形、蠕变、测量时间长、人为误差大等缺点，极大地影响 了测量效率和精度，难以适应现代工业发展的需要。 某飞机涡轮机集团公司是我国生产军用和民用飞机的专业厂家，他们在涡轮 机叶片的加工方面拥有大量的加工经验，但是在叶片的测量与检验方面仍采用传 统的方法。目前他们在叶片三维面型检测方面，多采用传统的标准样板间隙法，即 采用大量的检验模板。对于不同级数的叶片，按技术要求不同，所需的检验模板数 目也不相同。如检验压力机一级叶片需要1 2 个检验模板，而检测九级叶片需要9 个检验模板。这种检验方法不仅费时费力，而且所引入的人工误差及其它因素所 引入的误差也较大。另一种检测方法是采用三坐标测量机。虽然这种设备测量精 度较高，但它的采样效率低，采用的数据有限，有些重要部位无法采集到数据，不适 合叶片在线检测。 众所周知，叶片的工作温度很高，因此对叶片本身材质的硬度要求很高，叶 片是采用昂贵的进口刀片进行加工的，而且在加工时，由于叶片材料硬，进口刀 片的工作寿命也相对较短，这样叶片的成本很高。因此实现高精度、高效率的在 线检测将会大大降低叶片的成本。 随着光学测量手段的日益成熟和计算机技术的发展，使得该飞机涡轮机集团 公司决定开发检测效率高的光学测量仪器。通过对叶片进行快速高精度的在线测 量和检验，及时地指导加工，以更好地保证产品质量和降低成本。 1 3 光学三维测量技术现状 物体三维表面形状的自动检测，长期以来都是科技界和工业界非常关心的课 题。物体三维表面形状的自动检测，对于固体加工成型、c a d c a m 中的逆向工 程、工业流水线的在线质量控制以及机器人的视觉识别，都有极其重要的实际意 义。如船用螺旋浆浆叶的形状检测和飞机发动机过渡段的形状检测，对螺旋桨浆 叶和飞机发动机的设计、制造和三维变形分析等都是极其重要和必要的。又比如， 导弹弹头重返大气层的表面烧蚀形状检测，对弹头外壳的结构设计和材料选择都 有重要的参考价值。特别是在最近几年，随着微机电系统( m e m s ) 研究的兴起， 三维表面形状测量技术在m e m s 中的微小表面形状测量中得到大量的应用，并 得到迅速的发展。 物体的三维轮廓测量在高速在线检测、质量控制、机器机器人视觉、反求 工程、c a d c a m 以及医疗诊断等领域的应用日益重要。飞机涡轮机叶片的三维 形状检测，对叶片的设计、制造和三维变形分析都有极其重要的意义。具有非接 中国科学院研究生院博士学位论文：航窄发动机叶片三维轮廓测量方法研究 触特性麴光学测量方法壹予菠裹分辨率、无破坏、数攒获取速度抉等优点蠢毅公 认为最具有前途的三维轮廓溯量方法。 光学轮廓测量方法的种类很多f l9 。3 1 l ，包括普通光学干涉法、全息干涉法、散 斑干涉法、光学探针显微镜、共焦显微镜、激光逐点扫描法、光切法、莫尔等高 法、嫫氏变换法、移袒法等簿。在以上方法中，逐点掴接法及其以艏的几种都是 辍光学投影麓蒸疆豹，主要森羯予敖菇秘髂懿宏蕊轮薅测量。慈翁采说，竞学投 影式轮廓测量技术可以分为两大类：宜按三角法和位相测量法。 1 3 1 经典千涉法 1 3 1 1 迈克耳逊干涉仪 迈克耳逊予涉仅豹梭测汽路如图1 6 所示，准意稳于光经过拳遴半反镜届 被分成两素，分弱照餐参考平疆铙帮特溺键表瑟，司涎又 繇薅爰瓣霞来，在褒 祭屏上形成千涉条纹。该条纹是待测物表面的等高线，高度h ( x ，y ) 按下式计算： 图1 6 邋党耳逊干涉法 h ( x ，y ) = ( 1 2 ) n 九( n - - 0 ，1 ，2 ，) ( 1 - - 2 ) 这秘方法鹣溅量灵敏囊菇骥疫帮缀穗，毽要求貔表嚣富近 援镜瓣豹反瓣率， 谣且灵敏度只熊是，l 趁，无法调节。 1 3 。1 。2 光栅干涉法 3 2 】 光路如图1 7 所示，物表面涂反瓣层( 或类似镜面) 。调整入射角e ，使 c 洲良九矗，则两个1 级衍射光沿光栅表谢法向传播，缀成像透镜，桩像平面内形 成干涉条纹。像平面观察屏逶当倾斜，以修正像的畸变。 经过筵攀熬几短关系掇警，可以缛到如下翦毫瘦计算公式： a h ：型生( 卜3 ) 2 , c o s p 中圈科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究 图1 - 7 光栅干涉法 光摆子涉浚懿甓点在予薄以改变裣溺灵敏凄，毽测整系绫续橡复杂，搡终不 方便。 1 3 2 全息千涉法 全塞干涉诗量未是一令鼯拳或熬豹必学硷溅方法，宅耱废毫，灵敏塞亵，条 纹质量好，已得到广泛的皮用。在形状梭测方面，全怠干涉法分为双波长，双折 射率，双光源三类。 1 3 2 。1 双波长法 双波长法趋用含有双波长的激光给物体拍摄全恩图，然后用单波长再现全恩 圈，从而获得含有表面形状信息的干涉祭纹图。 双波长法必爨翔图1 8 瘊示，采援塑运羲系统， 三l 绦迁严辏蟪誊壹方向鼹 测。高度差a z 主要由波长之差积。一置。) 所决定；若糟氲离子激光和氦氖激光， 可给出, s z = l m 量级的条纹图；用氩离子激光的不同谱线，可得a z = 1 01 a m 的等 您线。 1 3 2 2 双折射率法 疆瑟射察法楚竞嫠韵爨l 堪舞示。姆试释藏鐾袁个容器内，猩浚交套壤掰 瓣率翡蘸爱对试俘进行取曝髭全怠记录，爵瑗静垒怠黧上将获褥爱浃物箨等意线 的全息干涉帑纹圈。双折射率法得到的簿高线高差为 蚜：。上( 1 4 ) 蓬强一鼯2 通过调节折射率差，可隧使a z 出徽洙量缀到毫米璧级之舔校意谪节。但该 方法在两次曝光间要更换介质( 透明流体) ，对操作辫求比较高。 ， 中国科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究 1 3 2 3 双光源法 3 3 图1 8 双折射率全息干涉法 全息干涉双光源法主要分移动光源法和转动物体法两类。夹层全息法属于移 动光源法，它采用了夹层技术，可以在同底片上获得相对于不同参考面的条纹 图。双光源法得到的条纹图不再是简单的等高线图，其条纹类似投影栅线图。 全息干涉法虽然测量精度高、灵敏度好等优点，但是针对航空发动机叶片测 量环境要求并不是一个很好的选择。 1 3 3 电子散斑干涉法( e s p i i d s p i ) 电子散斑干涉计量术【3 4 是一种比较新兴的干涉计量技术，是全息干涉术、散 斑干涉术与现代光电技术相结合的产物。它即具有光学干涉法的高精度、非接触、 全场检测等优点，又具有电子技术的高速度、自动化、操作简单等特点。和全息 干涉法相比，e s p i 的条纹产生机理不同( 全息干涉法是相干条纹，e s p i 是相关 条纹) ，但条纹所表示的物理意义是相同的。e s p i 具有全息干涉法的几乎所有计 量功能和几乎相当的精度和灵敏度，但是e s p i 用c c d 等光电元件取代了操作和 处理都费时费力的全息干板，从而适用于自动检测和现场检测。 e s p i 最大的缺点在于条纹质量差、空间分辨率低，从而使得后期处理时有 较大的困难。但如果引进相移技术和f o u r i e r 变换技术，可以基本上克服上述的 不足。 在形状检测方面，和全息干涉法一样，e s p i 也可以分为双波长、双折射率、 双光源法三大类，也可以分别引入相移技术和f o u r i e r 变换技术。 1 3 4 云纹法 云纹法设备简单、操作方便，是一种较为古老、但又比较实用的形状检测技 a 中国科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究 术。它的基本原理是利用两套栅线，一套经物体表面产生变形的栅，一套参考栅， 叠加后得到等高线云纹图。根据云纹条纹形成机制的不同，云纹法可以分为阴影 云纹法 3 5 】、投影云纹法 3 6 、扫描云纹法 3 7 】、逻辑云纹法【3 8 、以及干涉云纹法【3 9 1 等，应用的主要室阴影云纹法。 阴影云纹法的光路如图1 9 所示，一块透明的平面单向栅( 栅距为p ) 放 在被测物表面前，用一束平行光或扩束光沿a 方向照明物体，从b 方向观察或记 录。参考栅及投在物体表面上的阴影( 变形栅) 将在像平面内叠加，从而产生等 高线条纹，即云纹图。n 级云纹条纹上点的高度w 为 w ： 塑 ( 1 5 ) t g 口+ t g p 图1 9 阴影云纹 这样形成的等裹线缀襄藏，毽无法蠹接判凝等离线掰代表懿物体表嚣豹凸凹 魏震。鞠影云绞法静溺试灵敏凌由秘距p 掰决定，一般鼗能运妥1 1 0 毫米量缀。 为了提商蠢纹法的灵敏魔，必须减小栅距p 。目前，利用激光干涉，可以得 到p 为零点几微米的全息光栅，由这种高密度光栅产嫩云纹的方法，即干涉云纹 法送行形状检测，可以大大撼离灵敏度。国于是用全息光栅，条纹的质量也得到 大大改善。双瀑先云绞予涉法藏是这撂豹：一耱方法。该蠢法走在穆钵表嚣上妻搂 涂上感光材料，在物体旋转前后，再用双光束干涉法程物体表面上囊g 铡两套全怠 光栅，这两套众息光栅衍射出的干涉条纹图就包含有物体表面的商度信息。这种 方法灵敏度和精度都非常高，可达波长黩级，缺点是黼要在物体表灏上涂上感光 携辩，这就影晌了使矮菝圉。 1 3 5 光切测量法 光切法2 2 ( 1 i g h ts e c t i o nm 岫o d ) 是以激光逐点扫描法为基础，如图1 一l o 它 翅激光线光源，经犍瑟镜产生平瑟光照袈在搜测物上，程被滔憋表蘸上产生一条 瞬亮的光带，通过c c d 摄像视采集获褥数字图像，缀图像处理即褥物体在该光 切面上的二维轮廓信息，蓿进一步沿第三维步进测量，就可得到物体的三维轮廓 中国科学院研究生院博士学位论文：航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究 全貌。 图1 - 1 0 光切法测量原理 该测量方法难以实现被测物与测量装置之间的相对旋转时。罗晓晖等 2 3 , 2 4 运用该方法实现了脚型三维曲面测量。由于光切法仍然存在采样速度较慢等缺 点，并不满足在线测量要求，因而没有被广泛的应用。 1 3 6 激光扫描式测量方法 激光扫描式( l a s e rs c a n n i n g ) 测量方法是根据光学三角测量( t r i a n g u l a t i o n ) 原理，以激光作为光源，通过不同结构模式将其投射到被测物体表面，并采用光 电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成像的偏 移，通过被测物体基平面、像点、像距之间的关系计算物体深度信息的一种测量 方法。这类测量方法有很多种，包括双轴激光扫描法、远心扫描法和光条扫描法 1 8 , 1 9 , 2 3 , 2 4 等。 相对于接触式测量方法，激光扫描式测量具有测量速度快，测量数据量大， 测量表示精度高等优点。基于该测量方法的设备和系统很多。英国c y b e r w s a - e 公 司生产的h e a d & f a c ec o l o r3 ds c a n n e rb u n d l e 是一种有导轨的激光扫描式测量 系统，测量速度最快可达到每秒6 0 ，0 0 0 点，仅需1 7 秒就可以完成对一幅立体图 像的测量。日本美能达公司最新推出一款立体扫描仪v i v l d9 1 0 ，是一种 近距离超高精度真彩色三维扫描成像系统，典型的激光扫描镜测量系统，扫描距 离0 , 6 2 5 米，扫描精度2 0 微米。其它的测量系统还包括：d c s 公司的3 ds u r f a c e p r o f i