航空發(fā)動機(jī)葉片是航空發(fā)動機(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)動機(jī)的性能、效率和可靠性。傳統(tǒng)的測量方法，如手工測量工具（卡尺、千分尺等）和基于 2D 投影的測量方法，難以滿足對葉片復(fù)雜曲面和高精度尺寸測量的要求。而且，航空發(fā)動機(jī)葉片生產(chǎn)批量大，對測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)動機(jī)葉片尺寸測量提供了一種高效、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)，兩個相機(jī)的分辨率均為 5000×3000 像素，并且配備了長焦鏡頭，以獲得清晰的葉片圖像和足夠的測量精度。相機(jī)安裝在高精度的支架上，通過精確校準(zhǔn)，保證兩個相機(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)可以通過視差原理計算葉片表面點的三維坐標(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)光的波長經(jīng)過精心選擇，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)臺與定位裝置
設(shè)計了一個高精度的旋轉(zhuǎn)臺來放置航空發(fā)動機(jī)葉片，旋轉(zhuǎn)臺可以實現(xiàn)精確的角度控制（角度分辨率達(dá)到 0.01°），使得葉片在測量過程中能夠全方位旋轉(zhuǎn)，便于 3D 視覺系統(tǒng)獲取葉片各個部分的信息。同時，配備了定位裝置，能夠快速、準(zhǔn)確地將葉片放置在預(yù)定的測量位置，保證每次測量的重復(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。然后對圖像進(jìn)行增強處理，通過直方圖均衡化提高圖像的對比度，使光條紋和葉片表面特征更加清晰。
特征提取與匹配模塊
對于雙目相機(jī)獲取的圖像，利用角點檢測算法（如 Harris 角點檢測）提取葉片表面的特征點。同時，在結(jié)構(gòu)光圖像中，通過對光條紋的中心線提取算法，獲取光條紋的精確位置。然后通過特征匹配算法，將雙目圖像中的特征點與光條紋上的對應(yīng)點進(jìn)行匹配，為后續(xù)的三維坐標(biāo)計算建立基礎(chǔ)。
三維重建與尺寸測量模塊
根據(jù)雙目視覺的幾何模型和結(jié)構(gòu)光的三角測量原理，結(jié)合匹配的特征點和光條紋信息，計算葉片表面點的三維坐標(biāo)。通過對大量三維點云數(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，利用幾何算法測量葉片的各種尺寸參數(shù)。例如，通過計算葉身表面點云的最小包圍盒來獲取葉身長度，通過擬合葉型曲線并計算其厚度變化來獲取葉型厚度分布，利用空間向量計算方法確定葉片的扭曲角度等。
將航空發(fā)動機(jī)葉片放置在旋轉(zhuǎn)臺上的定位裝置中，啟動 3D 視覺測量系統(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)行尺寸測量，將測量結(jié)果與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，判斷葉片是否合格。
精度方面
經(jīng)過與三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）對同一批葉片的對比測量實驗，3D 視覺測量系統(tǒng)對葉片主要尺寸參數(shù)的測量精度可以達(dá)到 ±0.02mm，滿足航空發(fā)動機(jī)葉片 ±0.05mm 的精度要求。例如，對于葉身長度的測量，最大誤差不超過 0.015mm，葉型厚度測量的誤差也控制在允許范圍內(nèi)。這種高精度的測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)動機(jī)的質(zhì)量。
效率方面
3D 視覺測量系統(tǒng)能夠在 30 秒內(nèi)完成一個航空發(fā)動機(jī)葉片的全方位尺寸測量，相比傳統(tǒng)的 CMM 測量方法（單個葉片測量時間約 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)過程中，可以實現(xiàn)對每個葉片的快速檢測，有效提高了生產(chǎn)效率。
降低廢品率
通過高精度的尺寸測量，及時發(fā)現(xiàn)尺寸不合格的葉片，使廢品率從原來的約 3% 降低到 1% 以下。以每個葉片的生產(chǎn)成本為 10000 元計算，每年生產(chǎn) 10000 個葉片，可節(jié)約成本約 200 萬元。
提高生產(chǎn)效率
快速的測量速度減少了葉片在測量環(huán)節(jié)的停留時間，使得整個生產(chǎn)流程更加順暢。同時，減少了因測量延誤導(dǎo)致的生產(chǎn)計劃調(diào)整等問題，間接節(jié)約了大量成本。
保障航空發(fā)動機(jī)質(zhì)量
準(zhǔn)確的葉片尺寸測量確保了航空發(fā)動機(jī)的性能和可靠性，對于保障航空安全具有重要意義。高質(zhì)量的航空發(fā)動機(jī)有助于提高我國航空裝備的整體性能，增強在國際航空市場的競爭力。
推動先進(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)動機(jī)葉片尺寸測量中的應(yīng)用取得了顯著的效果，無論是在測量精度、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值。
