基于二维S变换航空发动机叶片面形垂直测量技术的研究

Aero engine is a highly complex and sophisticated power plant. The performance of its blades plays a decisive role in energy conversion and aircraft safety. Therefore, the blade profile detection is of pivotal significance to ensure the processing quality of the blade and the performance of the aero engine. However, not only the defects including shadow and occlusion but also the calculation of phase unwrapping is required in the measurement of structured light method based on a triangular algorithm. The 2D S-Transform analyzes the fringe pattern by applying an adaptive window instead of a window with fixed size as Fourier transform method. It has the property of multi-resolution like Wavelet transform as well as the feature of unique inverse transform. Based on the optical three-dimensional vertical measurement principle, this project adopts 2D S-Transform method to extract the modulation information of fringe patterns, establishes the relationship between the modulation values and the height distribution, and realizes the surface shape measurement and performance evaluation of aero engine blades. This research would improve the detection level of aero engine blades, provide more scientific guiding principles for its design and manufacture, and also be of innovative significance in application technique research.

航空发动机是一种高度复杂且精密的动力装置，其叶片的性能对能量转换和飞机安全性起着决定性的作用，因此，叶片形面检测对保障叶片加工质量以及航空发动机性能具有重要意义。然而，在光学无损检测中，结构光投影三角原理测量法不仅存在着阴影、遮挡等问题，还需要进行相位计算。二维S变换采用非窗口傅里叶变换中固定尺寸的窗口，运用一种基于瞬时频率的自适应窗口来分析条纹图，不仅具有小波变换多分辨的特性，而且其逆变换唯一。本项目研究基于结构光投影垂直测量原理，采用二维S变换方法提取条纹调制度信息，建立调制度-高度映射关系，最终实现航空发动机叶片的面形测量及性能评估。本课题将提高航空发动机叶片检测水平，为航空发动机叶片的设计和制造提供更科学的指导原则，同时在应用技术研究上具有创新意义。

航空发动机是一种高度复杂且精密的动力装置，其叶片的性能对能量转换和飞机安全性起着决定性的作用，因此，叶片形面检测对保障叶片加工质量以及航空发动机性能具有重要意义。然而，在光学无损检测中，结构光投影三角原理测量法不仅存在着阴影、遮挡等问题，还需要进行相位计算。二维S变换采用非窗口傅里叶变换中固定尺寸的窗口，运用一种基于瞬时频率的自适应窗口来分析条纹图，不仅具有小波变换多分辨的特性，而且其逆变换唯一。本项目研究基于结构光投影垂直测量原理，采用二维S变换方法提取条纹调制度信息，从理论上在离焦和聚焦两种情况下，完成了二维S变换方法提取条纹调制度数学表达式的推导工作，初步证实了该方法在实现三维面形垂直测量工作中的可行性；计算机模拟分别选取了表面光滑的peaks函数和具有三层台阶且中间为圆洞的阶梯模型作为被测三维物体，进一步验证了该方法的有效性；在三维面形垂直测量实验系统中，预先评估了两类调制度提取方式，第一类从整个二维条纹图案的角度完成面上的调制值分布提取，第二类则根据条纹图集同名像素点从Z轴方向上提取调制度值，揭示了二维S变换方法从整个二维条纹图案角度可获得更高的测量精度；首次利用电子调焦镜头实现投影仪快速准确地扫描被测物体，利用远心透镜实现低畸变、恒定放大倍率以及超宽景深测量，确定了测量空间范围、条纹编码方式、条纹周期数、投影仪和相机型号、镜头参数、扫描范围和间距、最佳滤波窗类型和尺寸等系统参数，完善了软件编写以同步控制电子调焦镜头焦距改变、条纹投影和相机采集工作，完成了系统标定工作，建立了调制度-高度映射关系，最终实现航空发动机叶片的面形测量及性能评估。本课题将提高航空发动机叶片检测水平，为航空发动机叶片的设计和制造提供更科学的指导原则，同时在应用技术研究上具有创新意义。