葉片型面激光檢測專機的運動軌跡規劃與檢測研究

王心堅，周 軍

(河海大學機電工程學院，江蘇常州213022)

0 引言

隨著航空、汽車和模具等工業的高速發展，自由曲面在現代工業中已得到越來越廣泛的應用，隨之而來的，對自由曲面類零件的加工與檢測要求也愈來愈高。葉片是一種典型的自由曲面類零件，是汽輪發電機和渦輪發動機的重要零件，具有變截面、強扭曲、易變形等特點。葉片的加工質量直接影響到汽輪機的能量轉換效率，因而，對葉片型面加工質量的檢測變得極為重要［1］。葉片加工過程中必須采用嚴格、全面、高效的檢測手段，以保證葉片的加工質量。

目前，對于葉片型面的檢測，國內多數廠家普遍采用接觸法對葉片型面進行質量檢測，主要分為:標準型面樣板法和三坐標測量機檢測法。

標準型面樣板法主要用于葉片的粗加工、半精加工檢測過程中。通過對葉片型號的分類，采用相對應的樣板進行特定截面的檢測工作。采用該檢測方法，受工人熟練程度、人為主觀判斷等不可控因素影響較大，因而檢測質量不穩定，且精度較低，只適合于粗加工和半精加工。而且標準型面樣板法的通用性差，人工成本高，難以適應現代加工產品的多品種、小批量的需求。

三坐標測量機檢測即CMM 檢測，可以保證葉片檢測量的精度，一般可達1 μm，但對操作者要求較高，需實時規劃路徑［2］。CMM 通常用于葉片的精加工檢測、抽檢或者葉片首測，而后續葉片檢測則采取標準型面樣板法。CMM 檢測精度高，通用性強，且受環境因素影響較小。但CMM 檢測通常采用接觸式測頭，測量頭長期與工件表面接觸，易磨損，影響測量頭的半徑補償精度。同時CMM 檢測的效率較低，不適合批量檢測。

針對如今葉片檢測的高精度、高效率要求，本研究采用四坐標激光檢測系統。與傳統三坐標測量機相比，該檢測系統加入一個精密轉臺，可加強葉片檢測設備的專用性，配合高精度激光傳感器進行葉片型面檢測，并通過檢測系統與控制軟件實現激光掃描檢測［3］，數據的實時返回與顯示，可極大地提高檢測效率。

1 葉片型面激光檢測系統的總體介紹

葉片型面激光檢測專機結構如圖1所示。

圖1 激光檢測專機

待測的葉片可通過頂針固定在C 軸轉臺上，X、Y、Z 三軸上安裝有滾珠絲杠和精密直線導軌，整個檢測系統可實現四軸聯動［4］。在保證測量精度的前提下，該檢測系統具有結構簡單、高檢測效率和高專用性等特點。

在硬件方面，檢測系統主要包括了X、Y、Z 三軸的精密導軌和滾珠絲杠、精密轉臺、行程開關、伺服電機和驅動器、運動控制卡、激光位移傳感器等部件。

在檢測軟件方面，本研究使用C + +程序設計語言，由MFC 圖形化界面編程實現［5］，主要可分為兩個部分。第一個部分主要對葉片理論點進行預處理工作，得到所需轉換后的坐標點集。第二個部分則通過讀取待測點坐標文件，控制激光檢測專機的掃描檢測與數據采集。

2 葉片檢測專機的運動軌跡規劃

考慮到檢測效率、激光位移傳感器的特性以及便于后期的數據處理，本研究采取一種沿葉片截面輪廓線的法線方向的聯動測量方式。所謂沿葉片截面輪廓線的法線方向的聯動測量方式，即指激光檢測時，激光測頭沿X 軸作徑向運動、沿Y 軸作橫向運動，同時葉片隨精密轉臺旋轉θ 角。每次變化一個截面位置，激光測頭沿z 軸方向運動。葉片隨精密轉臺旋轉和測頭沿y軸作切向運動可以使得激光測頭的軸線與待測點法線方向在檢測時始終保持平行，測頭沿x 軸的運動是為了待測點與激光測頭之間保持最佳距離。這樣就能保證測頭和葉片型面協調運動，保證每個待測點都可測。

為了得到葉片截面輪廓線的法線方向，需要對葉片理論模型進行截面截取，本研究將所得理論輪廓線離散成點，獲取這些理論點坐標并進行重新擬合，得到葉片理論點的擬合曲線方程。

2.1 理論點的劃分

本研究通過UG 軟件，導入葉片的理論模型，然后沿垂直于葉片軸線方向截取葉片截面，獲取其截面輪廓線，并按UG 內部算法離散成點，輸出點坐標文件，得到葉片檢測的理論點。

測量軟件讀取理論點坐標文件，得到一系列無序的坐標點，為得到更高的理論點擬合精度，通過改進的凸包算法［6］將其劃分為4 個部分:前緣、后緣、葉盆和葉背，進行分段擬合。

本研究將理論點按照x 的坐標值升序進行排列，這里采用冒泡算法進行排序。由于經典凸包算法有其局限性，存在對葉盆、葉背點凸包劃分混淆的情況，需對算法進行改進。本研究為相鄰兩點間y 坐標的變化設定一個閾值，并依次查找y 坐標變化不大于此閾值的相鄰兩點，求解其中點坐標。本研究采用三次多項式對求取的中點集進行擬合，將理論點的x 坐標代入多項式中，通過比較其y 坐標的大小以實現理論點上、下部分的初步劃分，可以避免葉盆、葉背處的混淆。獲取理論點中的x、y 坐標為最大值和最小值的點，根據葉片截面形狀，選取基準點，初步劃分兩緣點集，然后在葉緣與葉背邊界處出設定閾值，最終精確劃分為葉盆、葉背和兩緣4 個部分。

2.2 理論點的擬合

本研究在得到理論點劃分的4 個部分后，進行分段擬合。

葉片的兩緣通常為圓，也存在一些一邊為圓，一邊為橢圓的特殊情況。因而直接設葉片的前后緣的曲線方程為Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F =0。基于最小二乘法［7］對葉片的兩緣進行擬合，求得相應的特征參數。然后設定一個閾值c，根據所求得長短軸a，b 的絕對值差值與閾值進行比較，判斷為圓還是為橢圓。

葉片的葉盆與葉背部分采用三次樣條曲線進行擬合［8］，使用該方法可以擬合精度要求較高的曲線，保證二階光滑。最后通過三彎矩法求解三次樣條插值函數。

2.3 激光測頭的運動軌跡

激光位移傳感器在它的工作范圍的中心值處精度最高，設該中心距離值為d，為了保證激光傳感器處于最佳檢測距離，且使得每個待測點都可測，激光測頭沿X 軸方向的運動保證其與待測點始終處于最佳距離d。通過對理論點的擬合工作，可得到葉片截面輪廓線的曲線方程，求得所有理論點在此曲線上的法線方向。本研究在該法線方向上取一個和理論點距離為d 的等距點集，理論點的法線方向如圖2所示。

圖2 理論點的法線方向

該等距點集即為激光測頭理論上的運動軌跡點。但實際上，等距點集的坐標還需要做旋轉變換。通過建立葉片擬合曲線的坐標系，激光測頭實際運動方式如圖3所示。為了方便計算確定激光測頭的運動軌跡點坐標，葉片始終繞O 點(在葉片的理論模型中給出)旋轉至待測點法線方向與X 軸平行。同時激光測頭沿X 軸方向運動，使激光測頭與檢測點之間保持最佳檢測距離d;沿Y 軸方向的運動，使激光測頭的軸線與待測點的法線方向重合。根據擬合得出的葉片曲線方程和求得的法向矢量，容易計算出旋轉角θ 值［9-11］。通過將等距點集通過旋轉變化矩陣，可以求得激光測頭的實際運動軌跡點坐標。

圖3 激光測頭實際運動方式

3 激光掃描檢測的實現

激光掃描檢測主要由兩個功能模塊共用實現:運動控制模塊和激光通信模塊。通過運動控制卡與伺服電機實現激光測頭的空間直線插補，反饋實時坐標;通過串口通信技術和伺服反饋信號實現激光測頭的掃描檢測與實時數據采集。

檢測系統操作界面如圖4所示。

圖4 操作界面

3.1 運動控制模塊

運動控制模塊主要包括主運動控制、顯示、手動模式以及標定4 個功能。

主運動控制即完成整個檢測系統的初始化工作和檢測運動的實現，如軌跡坐標的加載、運動控制卡的參數配置、激光測頭的檢測運動的開始等。按下自動按鈕，通過運動控制卡以及插補函數，激光測頭進行空間直線插補，完成整個檢測運動。

顯示區中實時顯示4 根軸的狀態、激光測頭的坐標以及葉片轉臺的旋轉角度。

手動模式可以實現激光測頭的單步運動，通過外接的手搖脈沖發生器可進行激光測頭的單步調試。

標定是為了完成葉片坐標系與檢測系統坐標系的轉換工作。在葉片完成裝夾后，本研究通過手動模式，控制激光測頭在裝夾轉臺上取3 個點并標定，通過三點定位法，建立葉片坐標系與檢測系統坐標系的關系，實現坐標系的轉換。

3.2 激光通信模塊

激光位移傳感器在工作過程中連續不間斷采集數據，而實際檢測過程中需要采集每一個軌跡點處的數據，因而本研究采用串口通訊的方式，在激光測頭每到達一個待測點時，通過一個反饋信號激活工控機與之進行通訊，使其返回當前待測點的數據。

激光檢測專機裝備的是OPTEX 公生產的CD5 系列激光位移傳感器，線性精度可達±0.08%F.S.，分辨率可達0.2 μm。波特率最高為1 852 000，通訊造成的延時不足10 μs，可忽略不計。激光測頭每運動到一個待測點，伺服電機會反饋一個到位信號，通過運動控制卡采集此位信號［12］，在檢測控制軟件的程序中判斷I/O口的到位信號來激活上位機與激光之間的通訊，實現激光掃描檢測以及數據采集，控制流程圖如圖5所示。

圖5 控制流程圖

4 實驗及方法分析

測量平臺以型號為912 L 的葉片進行了實驗，設定的理論距離為30 mm(OPTEX CD5-LD30 激光位移傳感器工作的最佳距離為30 mm，工作范圍是25 mm ～35 mm)。實驗將葉片分為10 層，整個葉片型面的檢測時間能控制在8 min 以內，相較CMM 檢測有很高的檢測效率(一般三坐標測量機的檢測時間在40 min 以上)。實驗測量中葉片第一層的部分數據如表1所示。

表1 葉片檢測部分數據

由于實驗選用的為粗加工后葉片，葉片留有加工余量，與設定理論距離有一定值的偏差。通過將測量結果通過數據處理軟件進行轉換擬合處理等工作，可得到葉片型面各項參數:最大厚度、最大內切圓、弦長、出氣邊厚度等。筆者以三坐標測量機的測量結果為基準，將檢測所得葉片參數進行對比，得到葉根附近相對誤差在1% ～3%之間，葉冠附近相對誤差在5% ～7%之間，可以滿足測量精度(實驗選用三坐標測量機的檢測精度可達0.01 mm)。

5 結束語

為了滿足現今葉片檢測高精度、高效率的要求，本研究提出了一種沿葉片截面輪廓線的法線方向的激光掃描檢測方式。通過將葉片理論點劃分為葉盆、葉背和兩緣4 個部分，提高了曲線的擬合精度，準確規劃了激光測頭的運動軌跡，確保了檢測精度;采用激光檢測方式，有效避免了接觸式測量帶來測頭與工件表面的磨損問題;利用伺服反饋信號和串口通訊技術，實現激光掃描檢測與數據的實時采集，提高了檢測效率。

試驗結果證明，該檢測系統滿足檢測精度要求，測量效率高，操作簡便，易實現大批量的自動化檢測。

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