CN113137627B - 一种航空发动机火焰筒冷却气膜孔的加工定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种航空发动机火焰筒冷却气膜孔的加工定位方法，其特点是采用激光预打点技术，在增强显影剂薄层上预先打出表征气膜孔的“黑色氧化点”，通过对“黑色氧化点”点云处理得到其中心点的坐标，将该点坐标同理论模型中对应的气膜孔设计坐标进行拟合，利用空间姿态变换算法进行校正，完成空间误差校正后将预打点气膜孔的坐标输入工控机，实时追踪气膜孔预打点的中心位置，实现气膜孔精确的加工定位。本发明与现有技术相比具有火焰筒气膜孔的定位精度，有效解决了火焰筒气膜孔加工过程中存在的积累形变带来的几何精度偏低、质量不稳的难题，具有在航空发动机火焰筒异型气膜孔的加工中推广应用的价值。

Description

一种航空发动机火焰筒冷却气膜孔的加工定位方法

技术领域

本发明涉及航空发动机火焰筒激光加工技术领域，尤其是一种火焰筒冷却气膜孔的精确加工定位方法。

背景技术：

航空发动机的火焰筒主要起到空气分配器的作用，可将进入燃烧室的空气分成若干股并且将空气分配到合适的位置来组织燃烧或冷却火焰筒壁面。气膜孔起到了主要的换热目的，大量复杂的气膜孔可以将冷却气流引导为均匀的冷却气膜，提高火焰筒的壁面耐受温度以使得发动机能获得更高的燃烧温度与推重比。不同型号的航空发动机火焰筒上气膜孔数量有1～3万个，空间角度覆盖±135°。气膜冷却效率是材料、几何等参数及其耦合作用在高温高压三维非定常流场下的响应，与气膜孔的形状和位置参数息息相关。因此，确保火焰筒气膜孔形位精度对于提高冷却效率与发动机能效至关重要。

目前，我国航空发动机火焰筒的气膜孔加工定位技术方法十分不成熟，尚处于摸索阶段。在进行气膜孔加工时基本采用开环加工的方式，即不考虑待加工火焰筒在铸造过程中积累的形变误差，在默认火焰筒完全符合设计轮廓的前提下按照设计坐标点对火焰筒进行气膜孔加工。火焰筒是典型的薄壁件，壁厚只有2mm，直径可达1000mm。气膜孔数量也很多，有1～3万个。因此火焰筒在装夹与气膜孔加工过程中，会出现形变，积累定位误差。这些误差如果得不到校正必然会严重影响气膜孔的精度、孔型、孔壁质量等。在发动机工作时由于气膜孔冷却效率降低，致使火焰筒得不到有效的保护，从而使火焰筒本身的气冷效率和使用寿命达不到设计要求。

现有技术的火焰筒气膜孔的加工定位多依赖于经验丰富的工程师进行人工校正，通过人工试错与数据修正相结合的办法，以校正气膜孔在加工开始及加工过程的形位变化。这种方法耗时费力，误差极大且成品率低。

发明内容:

本发明的目的是针对现有技术不足而提供的一种航空发动机火焰筒冷却气膜孔的加工定位方法，采用预标记打点与机器视觉位置追踪的方法，实现数据闭环的火焰筒气膜孔绝对定位与加工定位，通过集成非接触式手持三维激光扫描仪，得到待加工火焰筒气膜孔的精确点云模型，建立火焰筒气膜孔精确定位软件平台，综合火焰筒预标记打点下火焰筒气膜孔点云模型坐标与设计模型坐标之间的误差分析，得到修正后的气膜孔参数，在加工过程中机器视觉追踪系统能实时追踪气膜孔预打点的中心位置，较好的避免前序加工带来的形变引起后序的气膜孔孔位加工误差，保证了火焰筒气膜孔的定位精度，在航空发动机火焰筒气膜冷却孔的加工定位中，避免了加工过程中薄壁件形变带来的误差，取得了很好的加工效果，有效解决了火焰筒气膜孔加工过程中存在的积累形变带来的几何精度偏低、质量不稳的难题，具有在航空发动机火焰筒异型气膜孔的加工中推广应用的价值。问题，实用性强，为激光加工高性能、高质量的气膜孔提供了必要的技术。

本发明的目的是这样实现的：一种航空发动机火焰筒冷却气膜孔的加工定位方法，其特点是采用激光预打点技术，在增强显影剂薄层上预先打出表征气膜孔的“黑色氧化点”，通过对“黑色氧化点”点云处理得到其中心点的坐标，将该点坐标同理论模型中对应的气膜孔设计坐标进行拟合，算出坐标误差，进行校正，完成空间误差校正后将预打点气膜孔的坐标输入工控机中，在加工过程中机器视觉追踪系统能实时追踪气膜孔预打点的中心位置，避免前序加工带来的形变引起后序的气膜孔孔位加工误差，其火焰筒冷却气膜孔的精确加工定位具体包括下述步骤：

1)火焰筒夹装

将待加工的火焰筒通过特制夹具固定到加工系统中，夹装误差可以通过后序方法补偿。

2)理论坐标获取

通过计算机对已有的火焰筒模型进行分析，获取所有待加工气膜孔的参数，包括每个气膜孔的轴向与中心坐标位置，并通过软件生成代码。

3)喷涂显影剂

在火焰筒表面喷涂水溶性的显影剂，所述显影剂的烧蚀阈值远低于热障涂层，而且可以极大增强获取三维数据时的对比度。

4)预标记打点

将激光功率降低到合适参数，在显影剂薄层上对所有的气膜孔进行激光预标记打点。

5)误差补偿

通过三维激光扫描仪对整个火焰筒进行三维扫描，得到预标记打点后的火焰筒上所有气膜孔的位置，将其导入软件中与理论位置坐标进行对比，得到的误差经补偿后重复上述1～4步骤的激光标记过程，直到所有标记点的误差均在设定的范围之内。

6)视觉追踪

将补偿后的气膜孔加工坐标，作为机器视觉追踪系统的初始坐标一一导入工控机，并把每一个待加工的气膜孔按顺序移至机器视觉追踪系统的视场中心附近，利用机器视觉追踪系统的视频采集设备进行单帧图像的提取，对捕获的标记点图像进行降噪、边缘检测和形状特征匹配。

7)自动对焦

根据火焰筒表面标记点光斑轮廓面积变化趋势，迅速微调加工头进行自动对焦。

8)气膜孔的加工定位

对标记点图像的中心点进行计算与误差分析，并将标记点的中心微调到加工头的焦点位置，启动加工程序依次进行气膜孔的加工定位，直到火焰筒上所有气膜孔的加工定位全部完成。

所述机器视觉位置追踪系统采用高精度电荷耦合元件(CCD)，具体包括：工控机、图像采集设备、多轴运动机构以及运动控制器。

本发明与现有技术相比具有以下有益的技术效果和优点：

1)在火焰筒上喷显影剂薄层，使用预标记打点的方法进行夹装误差补偿与姿态调整。大大提高了火焰筒的夹装效率和气膜孔的定位精度。

2)显影剂便于后序祛除，其烧蚀阈值远远低于火焰筒的热障涂层和基体，在激光预打点过程中不会由于烧蚀热效应导致火焰筒形变。

3)采用高精度手持式三维激光扫描仪进行火焰筒姿态扫描和气膜孔定位，获取精确的三维数据。气膜孔直径大于500μm，国产的手持式三维激光扫描仪精度能达到25μm，远超所需定位精度，最大扫描幅面能达到3×5m，并且带有灰度色彩显示，完全满足火焰筒形貌精确三维数据的获取。

4)采用预标记激光打点与后续视觉位置追踪的技术，在激光加工气膜孔的过程中，配合机器视觉位置追踪的方法在预标记点进行打孔，可以避免加工过程中薄壁件形变带来的定位误差。机器视觉位置追踪系统采用高精度电荷耦合元件(CCD)，精度误差能达到1μm，且此系统与加工系统能进行协议通讯，实时控制加工系统做出位置调整。

5)采用的机器视觉追踪系统的视频采集设备能够对捕获的标记点图像进行降噪、边缘检测与形状特征匹配，并根据火焰筒表面标记点光斑变化趋势迅速进行自动对焦。

6)通过在显影剂上进行激光预打点，利用三维激光扫描仪结合视觉位置追踪方法，有效解决了火焰筒气膜孔加工过程中的夹装误差、火焰筒移动误差以及前序气膜孔加工带来的薄壁件形变误差积累的一系列问题。

附图说明

图1为机器视觉位置追踪系统示意图；

图2为机器视觉位置追踪流程示意图；

图3为误差矫正示意图。

具体实施方式

下面以航空发动机火焰筒冷却气膜孔的加工定位对本发明作进一步详细描述和说明：

实施例1

按下述步骤对火焰筒冷却气膜孔进行精确定位和加工的：

1)火焰筒夹装

火焰筒安装在特制的夹具上，夹具通过特殊设计与定制。

2)理论坐标获取

根据实际火焰筒的UG模型获取火焰筒气膜孔在世界坐标系中的理论三维坐标；利用计算机从UG模型中提取出火焰筒上所有气膜孔在世界坐标系中的三维孔位坐标(X,Y,Z)；其中第n个孔位坐标以(X_n,Y_n,Z_n)标定，n代表孔的加工顺序。

3)喷涂显影剂

在火焰筒表面均匀的喷涂白色反差增强显影剂薄层。

4)预标记打点

设置激光的功率，使得激光汇聚后的能量密度略大于增强显影剂的烧蚀阈值，使得激光烧蚀的效果仅是氧化增强剂而不损伤热障涂层和高温合金基体，使得增强剂呈现“氧化后的黑色标记点”。

5)预标记打孔程序

打开激光，计算机调取全部气膜孔的坐标命令，执行激光打标记点程序，完成火焰筒上所有气膜孔的预标记打孔程序。

6)获取激光预标记打点方案下火焰筒上所有气膜孔的坐标

通过手持三维扫描仪扫描对火焰筒不同列的气膜孔进行高精度的扫描。增强显影剂被激光氧化呈现黑色，即此步骤得到的火焰筒三维模型涵盖了所有预标记打出的“黑色氧化标记点”。将所有气膜孔“黑色氧化标记点”点云处理，取得标记点中心，并将其放入最初的理论世界坐标系中，得到标记点的中心坐标。

7)误差补偿

参阅附图3，将扫描处理得到的标记点中心坐标与理论模型坐标对比，得到每个孔的实际坐标(X₁,Y₁,Z₁),取出每个孔的理论坐标(x₁,y₁,z₁)。二者相减，得到(d_x1,d_y1,d_z1)。依次得到所有孔的误差(d_xn,d_yn,d_zn)。

8)空间姿态变换

步骤7中的误差只是火焰筒在零点状态下的误差，必须根据每个孔实际的三个轴向坐标进行对应的空间姿态变换。旋转变换过程中，向量(d_xn,d_yn,d_zn)的分量会发生改变，但其模并不会发生变化，变换后的误差就是所需要校正的数据，所述空间姿态变换包括：

是对应每一个孔轴向(n为孔序号)在世界坐标系中的空间姿态矩阵表征，其中，β是孔轴向与世界坐标X轴的夹角；α是孔轴向与世界坐标X轴的夹角；γ是孔轴向与世界坐标Z轴的夹角。在实际加工中，世界坐标系已经与加工坐标系对齐，二者以下表述中为同一意义。所得到的(d_xn,d_yn,d_zn)则只是软件对比孔中心位置之间的绝对误差，是一个简单的三维坐标相减得到的误差。要实际应用到加工中，误差值(d_xn,d_yn,d_zn)需要经过矩阵An的变换后才能成为加工中真正的补偿值。将(dxn,dyn,dzn)表征由下述a式表示的向量：

则加工补偿值由下述b式表示为：

原加工坐标由下述c式表示为：

补偿后的新坐标则由下述d式表示为：

L_n1＝L_n+D_n (d)；

9)迭代循环

将上述步骤3～8进行迭代循环，直至预标记点与理论坐标的误差小于设定的误差。此时在增强显影剂薄层上的预打点的坐标导入到工控机中，作为后续激光加工的初始坐标。同时，这些增强显影剂薄层上的预打点也是后续机器视觉追踪系统的追踪目标和气膜孔加工中心位置。

10)视觉位置追踪

参阅附图1，所述机器视觉位置追踪采用高精度电荷耦合元件(CCD)，其系统由工控机、图像采集设备、多轴运动机构以及运动控制器组成，所述工控机由ICP通讯分别与图像采集设备和多轴运动机构连接；所述运动控制器由总线或ICP通讯与多轴运动机构连接。

把每一个待加工的气膜孔顺序移动到机器视觉追踪系统的视场中心附近，机器视觉位置追踪系统进行图像采集，通过视频采集进行单帧图像提取，对捕获的图像依次进行图像降噪、图像边缘检测和形状特征匹配操作。

参阅附图2，按流程图叙述对捕获的图像依次进行图像降噪、图像边缘检测和形状特征匹配的具体操作如下：

1)首先对采集的图像进行降噪操作，采集的图像存在CCD扫描采集图像时产生的额外噪声，在后序处理过程中会引起程序识别过程中的误差。主要采用中值滤波器进行多余噪声处理，把获取的图像中的较大噪声值处：如过曝或欠曝的数据点，用邻域各点的中值代换，让周围像素灰度值差比较大的像素改取与周围像素值接近的值，可以消除孤立的噪声点。此降噪操作可以有效祛除造成又能保护图像边缘，获得较为满意的复原效果。

2)采集的图像经过降噪后接着进行图像的边缘检测，通过算法标识采集图像转化为数字图像后亮度变化明显的点，具体表现为：深度上不连续的点；表面方向不连续的点；场景照明变化的点。此操作可以大幅度减小数据量，剔除不相关的信息，保留图像重要的结构属性，为下一步形状特征匹配做好基础。

3)最后通过形状特征匹配的方法，特征匹配在不同尺度下有不同的优点，在大尺度下一般能较可靠地消除对物体边界点的误检。但却对边界的定位易产生不准确；相反，在小尺度下，虽然增加了边界点误检的比例，但对物体或区域真正边界点的定位却比较准确。因此，可以结合两者的优点，即可先在较大尺度下检测出真正的边界点，然后在较小尺度下对图像的边界点进行较精确的定位。以降低全局误差值。

4)通过降噪，边缘检测，形状特征匹配后得到准确的气膜孔中心坐标。

11)自动对焦

把预打点的中心位置作为机器视觉位置追踪系统的目标，反馈数据并与加工系统进行通信，在加工过程中进行位置控制：包括Z轴自动焦点矫正与XY轴位置矫正。将标记点的中心微调到加工头的焦点位置，启动加工程序进行气膜孔加工。

12)重复上述步骤10～11，直到所有的气膜孔按预设定的顺序依次完成加工定位。

以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种航空发动机火焰筒冷却气膜孔的加工定位方法，其特征在于采用激光预打点技术，在增强显影剂薄层上预先打出表征气膜孔的“黑色氧化点”，通过对“黑色氧化点”点云处理得到其中心点的坐标，将该点坐标同理论模型中对应的气膜孔设计坐标进行拟合，利用空间姿态变换算法进行校正，完成空间误差校正后将预打点气膜孔的坐标输入工控机，实时追踪气膜孔预打点的中心位置，火焰筒冷却气膜孔的加工定位具体包括下述步骤：

1）火焰筒夹装

将待加工的火焰筒由夹具固定到加工系统中，夹装误差通过后序方法予以补偿；

2）理论坐标获取

通过计算机对火焰筒模型的分析，获取所有待加工气膜孔的轴向与中心坐标位置，并通过软件生成代码；

3）喷涂显影剂

在火焰筒表面喷涂水溶性的显影剂，所述显影剂的烧蚀阈值低于热障涂层，且可极大增强获取三维数据时的对比度；

4 ） 预标记打点

在显影剂薄层上对所有的气膜孔进行激光预标记打点；

5）误差补偿

通过三维激光扫描仪对火焰筒进行三维扫描，得到预标记打点后的火焰筒上所有气膜孔的位置，将其导入软件中与理论位置坐标进行对比，得到的误差经补偿后重复上述1~4步骤的激光标记过程，直到所有标记点的误差均在设定的范围之内；

6）视觉追踪

将补偿后的气膜孔加工坐标作为机器视觉追踪系统的初始坐标一一导入工控机，并把每一个待加工的气膜孔按顺序移至机器视觉追踪系统的视场中心附近，利用视频采集设备进行单帧图像的提取，对捕获的标记点图像进行降噪、边缘检测和形状特征匹配；

7）自动对焦

根据火焰筒表面标记点光斑轮廓面积变化趋势，微调加工头进行自动对焦；

8）气膜孔的加工定位

对标记点图像的中心点进行计算与误差分析，并将标记点的中心微调到加工头的焦点位置，启动加工程序依次进行气膜孔的加工定位，直到火焰筒上所有气膜孔的加工定位全部完成。

2.根据权利要求1所述航空发动机火焰筒冷却气膜孔的加工定位方法，其特征在于所述机器视觉追踪系统采用电荷耦合元件，系统具体包括：工控机、图像采集设备、多轴运动机构以及运动控制器。

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