CN108180851B - 一种用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，可以用于获取航空发动机中的空心涡轮叶片上的气膜孔特征的孔径大小、轴线空间角度和孔中心坐标等形状和位置参数，从而真实地描述出每个气膜孔的实际状态，对每个气膜孔的加工质量进行综合评价。本发明基于机器视觉测量原理，采用背向照明与前向照明相结合的照明方式，通过三个直线轴和两个回转轴之间的联动来改变被测空心涡轮叶片与图像采集装置的空间位置和姿态，并基于所采集到的气膜孔图像的形状特征来判断图像采集装置与被测气膜孔的对准精度。本发明的结构紧凑、测量精度高、使用方便，可以进行自动化测量，从而提供了一种高精度、高效率、高可靠性的检测气膜孔加工质量的技术手段，也可以用作通用的五轴影像测量设备。

Description

一种用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置
技术领域
本发明是一种用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，属于测量技术领域。
背景技术
当前，随着航空发动机性能的不断提升，涡轮前温度越来越高(甚至已经达到1677℃)，这就需要使处于温度最高、受力最复杂位置处的高压涡轮叶片必须具有相应的承温能力。因此，在先进航空发动机的设计中，除了采用耐高温材料和特殊热处理工艺外，还会在空心涡轮叶片上使用大量的冷却气膜孔(以下简称“气膜孔”)，其目的是在叶片表面上形成完整的冷却气膜，以提高叶片在工作过程中的冷却效果和承温能力。
气膜孔是一类在叶身型面上加工出来的孔径小、数量多、深径比大、空间角度复杂、质量要求高的冷却小孔，其孔径大小、孔中心坐标和轴线空间角度等形位参数会对气膜冷却效果产生重要影响。具体说来，孔径大小决定了冷却介质的流通量，孔中心坐标决定了气膜横向覆盖宽度和纵向覆盖长度，而轴线空间角度决定了冷却介质的喷射角度。根据气膜冷却技术的要求，气膜孔通常分布在空心涡轮叶片的前缘、叶身型面和缘板等部位，并且以圆柱孔为基本孔型，常见的孔径大小一般为Φ0.25～Φ0.8mm，而且分布离散、空间角度复杂、同排气膜孔的角度也不尽相同，再加上叶身型面结构的特殊性和复杂性，就给此类零件的检测带来了巨大难题。
目前，国内尚无普适和成熟的气膜孔检测设备。在生产现场，通常采用目测定性结合传统的测量手段，例如针对孔径大小的测量，仍以塞规为主；针对孔中心坐标的测量，仍以目测结合量棒等测量手段进行；而针对孔轴线的空间角度，则还无有效的测量手段。这就使得气膜孔测量结果的准确性和重复性无法满足工程需要。
随着我国航空发动机性能的不断提升，对于气膜孔的孔径大小、轴线空间角度和孔中心坐标等形位参数的测量精度和检测效率的要求越来越高，迫切需要研制出新型、高效的自动化测量设备以应用于生产现场。近年来，随着测量技术以及相关学科的飞速发展，基于图像技术的机器视觉测量作为一项高新技术已经广泛应用于航空工业的各个领域中。视觉测量是把图像作为获取信息的手段，将机器视觉技术应用于几何尺寸的测量和定位，不仅具有非接触式测量技术的优点，还具有成本低、操作简便、机动灵活、实时性强等独特优点，因而被广泛应用于工业现场，现已成为工业现场中非接触式测量的重要内容。目前，视觉测量技术在成像器件、理论分析方法、优化技术及工程应用等方面都取得了长足进步，已显示出巨大的发展和应用空间，可以解决航空领域中传统测量手段难以解决的多种问题，其研究水平和应用范围也在不断扩大。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，其目的是实现空心涡轮叶片上的每个气膜孔的孔径大小、轴线空间角度和孔中心坐标等形状和位置参数的精确、快速测量，从而提供了一种高精度、高效率、高可靠性的检测气膜孔加工质量的技术手段和装备。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，其特征在于：该装置包括一个工作台1，在工作台1的水平表面上安装一个能够产生X轴、Y轴和Z轴三个方向上的直线运动的移动桥架4，其中，X轴方向和Y轴方向平行于工作台1的水平表面，而Z轴方向垂直于工作台1的水平表面，并且X轴、Y轴和Z轴的运动方向正交，符合右手定则。在X轴、Y轴和Z轴上均配备有气浮导轨和高精度光栅尺，从而确保各轴的运动平稳和位移精度。在移动桥架4的Z轴的移动末端上安装电机安装座5，在电机安装座5上安装有电机8，而且电机8的输出轴的回转轴线与移动桥架4的Y轴的运动方向平行。将图像采集装置6固定在电机8的输出轴的端面上，并且在图像采集装置6的镜头14前端安装有前向照明光源7。
在工作台1的水平表面上安装一个回转台2，并且使回转台2位于移动桥架4的Y轴运动行程的中间位置。回转台2的回转轴线与工作台1的水平表面垂直，叶片定位装置3安装在回转台2的工作台面上，被测空心涡轮叶片10安装在叶片定位装置3中的夹具上，进行定位和夹紧，并且使空心涡轮叶片10的积叠轴方向与回转台2的回转轴线平行。在空心涡轮叶片10的腔体11内放置背向照明光源9，使光线从空心涡轮叶片10上的气膜孔12中由内向外射出。
工作台1的材料为具有良好热稳定性的大理石或天然花岗岩，能够承受一定的外部冲击和干扰，工作台1的水平表面经过网格法检验后的表面平整度应达到00级标准。
该装置采用背向照明与前向照明相结合的照明方式。其中，背向照明光源9与图像采集装置6分别位于被测气膜孔特征12的前后两侧，由背向照明光源9发出的均匀而稳定的光从被测气膜孔12的背向射来并照亮被测气膜孔12，然后进入图像采集装置6的镜头14后成像在光敏面上，可以获得被测气膜孔2的背向照明图像。前向照明光源7与图像采集装置6位于被测气膜孔特征12的同侧，被安装在图像采集装置6的镜头14前端，由前向照明光源7发出的均匀而稳定的光从被测气膜孔12的前向射来并照亮被测气膜孔12，其漫反射光进入图像采集装置6的镜头14后成像在光敏面上，可以获得被测气膜孔2的前向照明图像。
背向照明光源9的形状为圆柱形，包括光源接头15和导光棒16。其中，光源接头15的内部安装有发光二极管、控制电路和汇聚透镜，，导光棒16直接安装在光源接头15上。发光二极管所发出的光线经过会聚透镜聚光后射入导光棒16的端面，导光棒16接收到发光二极管所发出的光束后通体发光。在使用过程中，将背向照明光源9插入空心涡轮叶片10中的腔体11中，并通过螺栓安装于叶片定位装置3上。从而在被测气膜孔12的背向进行照明，导光棒16的直径大小要根据被测空心涡轮叶片10中的腔体11的内部尺寸来确定，确保其能够插入到空心涡轮叶片10中的腔体11中。
图像采集装置6包括工业相机13和镜头14，其中，镜头14为大景深的双远心镜头，并且能够进行全自动连续变倍，而且焦距要能够使图像采集装置6在X轴的移动范围内对被测气膜孔特征12成清晰的像；工业相机13为黑白或彩色相机，并且具有很高的分辨率。
前向照明光源7安装在图像采集装置6的镜头14前端，其形状为环形，并配有漫射板进行导光，以使所发出的光线均匀扩散。
回转台2采用直接驱动的伺服电机，可以在不带减速器的状态下直接驱动负载，并且能够实现从低速到高速的强力平滑运行，其内置高分辨率的编码器以实现精确分度和定位。
本发明技术方案的优点是兼具坐标测量系统的移动范围大、定位精度高、通用性强的优点与机器视觉测量系统的非接触、效率高、信息量大的优点，是对现有坐标测量技术与机器视觉测量技术的拓展和集成，以用于解决空心涡轮叶片上的气膜孔检测难题。本发明采用了背向照明与前向照明相结合的照明方式，并通过五轴联动实现了图像采集装置与被测气膜孔的精确对准，进而实现了气膜孔特征的孔径大小、轴线空间角度和孔中心坐标等形位参数的测量。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为被测空心涡轮叶片的结构示意图；
图3为本发明的图像采集装置的结构示意图；
图4为本发明的背向照明光源的结构示意图；
图5为所采集到的被测气膜孔的背向照明图像；
图6为所采集到的被测气膜孔的前向照明图像。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1～4所示，该种用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，基于机器视觉测量原理，针对分布于航空发动机空心涡轮叶片10的叶身型面上的多个气膜孔特征12，采用背向照明与前向照明相结合的照明方式，并应用图像采集装置6采集被测气膜孔特征12的数字图像，进而通过后续的图像处理得到每个气膜孔特征12的孔径大小、轴线空间角度和孔中心坐标等形位参数。该装置具有五个运动轴，包括X、Y、Z三个直线轴和A、B两个回转轴，并且可以实现五轴联动。A轴的回转轴线方向与Y轴的运动方向平行；B轴的回转轴线方向与Z轴的运动方向平行。在该装置的五轴布局中，X、Y、Z三个直线轴与回转轴A集成在一起，而回转轴B单独布置。通过各轴的运动，可以依次对分布于空心涡轮叶片上的每个气膜孔特征进行测量。具体结构包括一个工作台1，在在工作台1的水平表面上安装一个能够产生X轴、Y轴和Z轴三个方向上的直线运动的移动桥架4，其中，X轴方向和Y轴方向平行于工作台1的水平表面，而Z轴方向垂直于工作台1的水平表面，并且X轴、Y轴和Z轴的运动方向正交，符合右手定则。在X轴、Y轴和Z轴上均配备有气浮导轨和高精度光栅尺，从而确保各轴的运动平稳和位移精度。在移动桥架4的Z轴的移动末端上安装电机安装座5，在电机安装座5上安装有电机8，而且电机8的输出轴的回转轴线与移动桥架4的Y轴的运动方向平行。将图像采集装置6固定在电机8的输出轴的端面上，并且在图像采集装置6的镜头14前端安装前向照明光源7。
在工作台1的水平表面上安装一个回转台2，并且使回转台2位于移动桥架4的Y轴运动行程的中间位置。回转台2的回转轴线与工作台1的水平表面垂直，叶片定位装置3安装在回转台2的工作台面上，被测空心涡轮叶片10安装在叶片定位装置3中的夹具上，进行定位和夹紧，并且使空心涡轮叶片10的积叠轴方向与回转台2的回转轴线平行。在空心涡轮叶片10的腔体11内放置背向照明光源9，使光线从空心涡轮叶片10上的气膜孔12中由内向外射出。
工作台1的材料为具有良好热稳定性的大理石或天然花岗岩，工作台1的水平表面经过网格法检验后的表面平整度应达到00级标准。
背向照明光源9的形状为圆柱形，包括光源接头15和导光棒16。其中，光源接头15的内部安装有发光二极管、控制电路和汇聚透镜，发光二极管所发出的光线经过会聚透镜聚光后射入导光棒16的端面，导光棒16接收到发光二极管所发出的光束后通体发光。在使用过程中，将背向照明光源9插入空心涡轮叶片10中的腔体11中，并通过螺栓安装于叶片定位装置3上。
图像采集装置6包括工业相机13和镜头14。其中，镜头14为大景深的双远心镜头，工业相机13为黑白或彩色相机。
前向照明光源7安装在图像采集装置6的镜头14前端，其形状为环形，并配有漫射板进行导光，以使光线均匀扩散。
回转台2采用直接驱动的伺服电机，其内置高分辨率编码器以实现精确分度和定位。
移动桥架4可以实现X、Y和Z三个方向上的直线运动，从而通过电机安装座5带动电机8和图像采集装置6等进行空间位置的变化，以使图像采集装置6处于正确的测量方位，一方面可以调节图像采集装置6的视场和景深的大小，另一方面也可以使所述的用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置适应不同形状和大小的空心涡轮叶片10的测量需求，从而使系统具有较大的柔性和灵活性。
在测量过程中，通过该装置的X、Y、Z三个直线轴和A、B两个回转轴之间的联动来改变图像采集装置6与被测空心涡轮叶片10的空间位置和姿态，并根据具体的使用需求和成像效果来选择背向照明方式或前向照明方式。采用背向照明方式可以获得气膜孔12的背向照明图像，如图5所示，可以用于判断气膜孔12的通断；采用前向照明方式可以获得气膜孔12的前向照明图像，如图6所示，可以用于计算气膜孔12在叶身型面上的位置。控制各轴的运动，并基于所采集到的气膜孔图像的形状特征来判断图像采集装置与待测气膜孔12的对准精度。当达到所需的对准精度时，采集此状态下的气膜孔图像，并通过后续的图像处理获得气膜孔轮廓上的全部像素的坐标值，进而获取孔径大小以及孔中心坐标，然后根据A、B轴的角度值计算出孔轴线的空间角度。
本发明适用于多种类型的空心涡轮叶片，可以对分布于其上的全部气膜孔特征的形位参数进行非接触式测量。

Claims (5)

1.一种用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，其特征在于：该装置具有五个运动轴，包括X、Y、Z三个直线轴和A、B两个回转轴，并且可以实现五轴联动； 其中，X轴和Y轴位于水平面内，而Z轴处于竖直方向；A轴的回转轴线方向与Y轴的运动方向平行；B轴的回转轴线方向与Z轴的运动方向平行； 在该装置的五轴布局中，X、Y、Z三个直线轴与回转轴A集成在一起，而回转轴B单独布置；
该装置包括一个工作台(1)，在工作台(1)的水平表面上安装一个能够产生X轴、Y轴和Z轴三个方向上的直线运动的移动桥架(4)，其中，X轴方向和Y轴方向平行于工作台(1)的水平表面，而Z轴方向垂直于工作台(1)的水平表面，并且X轴、Y轴和Z轴的运动方向正交，符合右手定则； 在X轴、Y轴和Z轴上均配备有气浮导轨和高精度光栅尺，从而确保各轴的运动平稳和位移精度； 在移动桥架(4)的Z轴的移动末端上安装电机安装座(5)，在电机安装座(5)上安装有电机(8)，而且电机(8)的输出轴的回转轴线与移动桥架(4)的Y轴的运动方向平行； 将图像采集装置(6)固定在电机(8)的输出轴的端面上，并且在图像采集装置(6)的镜头(14)前端安装有前向照明光源(7)；
在工作台(1)的水平表面上安装一个回转台(2)，并且使回转台(2)位于移动桥架(4)的Y轴运动行程的中间位置； 回转台(2)的回转轴线与工作台(1)的水平表面垂直，叶片定位装置(3)安装在回转台(2)的工作台面上，被测空心涡轮叶片(10)安装在叶片定位装置(3)中的夹具上，进行定位和夹紧，并且使空心涡轮叶片(10)的积叠轴方向与回转台(2)的回转轴线平行； 在空心涡轮叶片(10)的腔体(11)内放置背向照明光源(9)，使光线从空心涡轮叶片(10)上的气膜孔(12)中由内向外射出；
所述的背向照明光源(9)的形状为圆柱形，包括光源接头(15)和导光棒(16)； 其中，光源接头(15)的内部安装有发光二极管、控制电路和汇聚透镜，发光二极管所发出的光线经过会聚透镜聚光后射入导光棒(16)的端面，导光棒(16)接收到发光二极管所发出的光束后通体发光； 在使用过程中，将背向照明光源(9)插入空心涡轮叶片(10)中的腔体(11)中。
2.根据权利要求1所述的用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，其特征在于：所述的工作台(1)的材料为具有良好热稳定性的大理石或天然花岗岩； 工作台(1)的水平表面经过网格法检验后的表面平整度应达到00级标准。
3.根据权利要求1所述的用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，其特征在于：所述的图像采集装置(6)包括工业相机(13)和镜头(14)； 其中，镜头(14)为大景深的双远心镜头，工业相机(13)为黑白或彩色相机。
4.根据权利要求1所述的用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，其特征在于：所述的安装在图像采集装置(6)的镜头(14)前端的前向照明光源(7)的形状为环形，并配有漫射板进行导光，以使光线均匀扩散。
5.根据权利要求1所述的用于测量气膜孔形位参数的五轴影像测量装置，其特征在于：所述的回转台(2)采用直接驱动的伺服电机，其内置了高分辨率的编码器以实现精确分度和定位。
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