铸造涡轮叶片视觉检测装置误差分析与参数优化

摘要

涡轮叶片服役于高温高压、高转速、高载荷冲击环境下，为满足恶劣工况下的功能需求，常采用钛合金、镍基合金等难加工材料铸造而成。涡轮叶片结构复杂，具有叶身细长、横截面弯扭大、叶片边缘薄等特点，铸造过程工艺繁多，叶身易变形，对铸造涡轮叶片型面轮廓进行精密检测是保证其铸造质量的关键一环。针对铸造涡轮叶片非接触式视觉检测需求，本文研究了线结构光视觉传感器的参数误差、视觉检测过程几何误差等传递模型和检测精度提升方法，主要内容包括：
　　（1）线结构光视觉传感器的结构参数误差建模与优化。建立激光三角法的视觉成像原理模型，得出线结构光视觉传感器成像公式；通过控制变量法计算出传感器内部的最佳结构参数，并对相机和激光器的安装角度、安装方式、安装距离等进行误差分析；建立传感器物面与像面成像关系，并以传感器测量范围和测量景深为约束条件，优化传感器的长度、宽度、厚度等结构参数，优化后标准球平均测量精度可达0.0206mm。
　　（2）铸造涡轮叶片视觉检测装置几何误差分析。建立涡轮叶片视觉检测装置的安装误差、制造误差、运动误差等几何误差模型，计算各误差源对该装置检测精度的影响；根据涡轮叶片截面几何偏差最大允许值，运用激光跟踪仪和0.05mm厚度的工业垫片对铸造涡轮叶片视觉检测装置进行结构调整，以保证平移轴和待测叶片截面、旋转轴和待测叶片截面的垂直度关系，结构优化后标准球平均测量精度提升至0.0301mm。
　　（3）环境振动对精度稳定性影响的验证实验。根据国家标准，确定叶片视觉检测装置工作的环境振动条件；结合装置各部分的密度、弹性模量、泊松比等材料特性，运用ADAMS仿真分析该装置模态频率，找出受环境振动影响最大的位置；搭建振动试验平台，运用激振器施加水平方向和竖直方向的振动信号，同时用标准陶瓷球测量装置的精度，验证叶片视觉检测装置在环境振动条件下检测精度的稳定性。
　　（4）叶片视觉检测装置精度测试实验。根据德国VDI/VDE标准，采用标准双球对叶片检测装置进行测量精度评定；完成不同型号涡轮叶片的视觉测量，并采用课题组自主开发的iCloud3D软件对叶片轮廓误差进行分析，单件“型面扫描-数据处理-误差计算”时间仅需3分钟，大大提高了叶片检测效率和自动化操作程度。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外现状

1.4 主要内容和组织结构

2 视觉传感器误差建模与参数优化

2.1 引言

2.2 线结构光成像原理

2.3 传感器结构参数误差

2.4 传感器成像特性分析

2.5 结构参数优化与测试

2.6 小结

3 视觉检测装置几何误差分析

3.1 引言

3.2 运动模组误差

3.3 安装结构误差

3.4 叶片截面误差

3.5 误差测定实验

3.6 小结

4 环境振动对视觉检测稳定性的影响

4.1 引言

4.2 环境振动特点及国家标准

4.3 检测装置振动的仿真分析

4.4 振动实验设计与数据分析

4.5 小结

5 铸造涡轮叶片视觉检测实例

5.1 引言

5.2 实验条件

5.3 双球球心距测量实验

5.4 航发叶片测量实验

5.5 小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文及专利