工業(yè)內(nèi)窺鏡搭載三維立體相位掃描測量技術在發(fā)動機孔探中的應用
一、從韋林工業(yè)內(nèi)窺鏡看工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡測量技術的發(fā)展歷程
工業(yè)內(nèi)窺鏡的誕生是為了實現(xiàn)間接目視檢查，而它應用于民航發(fā)動機孔探工作時，操作者除了需要通過它查找缺陷，還需要對缺陷尺寸進行測量，以便滿足視情維護的要求。為了得到有判定價值的數(shù)據(jù)，最初采用接觸式測量法，即在光學硬桿鏡或柔性光纖鏡探頭上捆綁已知尺寸的參照物，通過它與被測物的直接接觸人為地比較估算缺陷實際尺寸的大小。這種方法增加了探頭的外徑，并嚴重影響了探頭的導向性能， 導致發(fā)動機內(nèi)部需要檢測的很多區(qū)域無法到達，且可能造成參照物因卡阻而脫落，形成發(fā)動機內(nèi)部的多余物隱患。
隨著美國韋林工業(yè)內(nèi)窺鏡在1984 年研制出全球第一臺工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡產(chǎn)品以后，通過視頻成像處理技術實現(xiàn)了非接觸式的比較測量方法，很好地解決了上述問題。這種比較測量法是使用發(fā)動機內(nèi)已知機構的尺寸作為參數(shù)，通過圖像處理軟件進行比較計算，從而得到測量數(shù)據(jù)。如將葉片氣孔間距作為已知參考值，對該葉片上的缺陷尺寸進行分析測量。該方法要求已知尺寸與未知缺陷在同一平面上，且探頭的鏡頭與該平面相對垂直，才能實現(xiàn)測量計算并具有起碼的相對準確度。在遇有較大尺寸的缺陷且測量精度要求不高時，可以選用該測量技術。目前具有測量功能的工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡產(chǎn)品都有該測量方式。但對于民航發(fā)動機孔探工作需要檢查的很多位置，操作者很難在相對垂直的同一平面上找到可作為比較計算參數(shù)的已知尺寸，并且這種測量的精確度仍不能完全滿足要求。
美國韋林工業(yè)內(nèi)窺鏡在上世紀九十年代初所研發(fā)的單物鏡陰影測量法技術首次實現(xiàn)了孔探工作中的精確測量，這種測量法是工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡上最早應用的非接觸式精確測量技術(見圖1)，其在視頻探頭的測量鏡頭的照明光輸出窗口刻有一道黑色直線， 當照明光通過時，會在被測物體上形成一條陰影線，探頭距離物體的遠近變化使陰影線在屏幕上的位置左右移動變化，而測量鏡頭上的單一物鏡的成像視角不變，主機內(nèi)的視頻成像處理器會根據(jù)直角幾何運算原理計算出測量鏡頭與被測平面的距離，從而進一步在該平面上計算獲得測量點的二維坐標，以便進行各種測量模式下的精確測量（見圖2）。這種測量法的缺點同樣是要求測量鏡頭與被測面相對垂直（不垂直時，只能沿陰影線進行測量）才能保證測量精度，因而操作難度相對較高，應用上有一定的局限性。
為了解決這一問題，隨后又出現(xiàn)了雙物鏡測量技術，用測量鏡頭上的兩個物鏡(見圖3)之間的已知距離作為底邊，通過與測量點所形成的頂角大小的變化，建立準確的三角幾何計算關系計算確定測量點與鏡頭的距離， 并通過灰度識別區(qū)分不同的測量點， 進而計算獲得測量點的坐標，以便進行各種模式下的精確測量（見圖4）。由于采用夾角變化作為變量，不再需要鏡頭與被測物體垂直，一定程度上降低了孔探測量操作的難度和強度。但根據(jù)雙物鏡的設計原理，其鏡頭的視野相對單物鏡減半，屏幕圖像也被一分為二，不便于觀察尋找及定位缺陷，所能測量的區(qū)域和缺陷大小也相對明顯受限，并且測量點的位置及其匹配值（用來衡量選取的測量點識別合格與否的標準）正確與否，存在人為及系統(tǒng)誤差的可能性。
無論是單物鏡陰影測量法還是雙物鏡測量法，都是基于二維畫面進行處理和計算的，并且變量參數(shù)（位移或夾角）少、三角幾何計算的數(shù)學模型單一。為保證測量精度就要有較大的放大倍數(shù)，為此測量鏡頭的視野和焦距范圍都偏小。需要首先使用視野范圍相對較廣、焦距范圍相對較大的觀察鏡頭尋找并發(fā)現(xiàn)缺陷之后，將探頭取出更換成測量鏡頭，然后再次穿入發(fā)動機尋找缺陷進行測量。由于這兩類測量鏡頭的視野很?。?0°或60°）、焦距較近，很難快速有效地再次尋找到并達到缺陷位置，甚至有可能找不到缺陷；即便到達缺陷所在的葉片位置，也有可能因為角度或視野的問題，無法完整地捕捉到缺陷的圖像。當面對超過測量范圍（如雙物鏡測量在保證精度的前提下一次測量范圍一般最大不超過15mm）的較大缺陷時，為了得到相對精確的數(shù)據(jù)，就必須分段測量，再將結果累加，嚴重影響了孔探測量效率和精度。近些年各型發(fā)動機的孔探穿繞工作呈逐步增多的趨勢，發(fā)現(xiàn)缺陷后取出探頭再次定位測量，在很大程度上影響了孔探效率，而且多次穿繞增加了探頭的磨損消耗和發(fā)生卡阻的幾率。這就要求工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡產(chǎn)品（孔探設備）具備缺陷的“即發(fā)現(xiàn)即測量”功能，同時盡量增大一次性測量的范圍以及增加更多的測量模式，以便應對并滿足越來越多、越來越復雜的孔探測量工作。
已于2005年隸屬于通用電氣(GE) 集團的美國韋林工業(yè)內(nèi)窺鏡于2010年年底推出的三維立體相位掃描測量技術可以很好的解決這一問題。該技術應用在其XLG3型工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡產(chǎn)品上，通過視頻探頭前端的三維相位掃描測量鏡頭上的兩個可見光LED光柵矩陣（見圖5），將頻閃發(fā)射的多條平行陰影線交叉疊加投影到被測物體表面上，物體表面幾何形狀的變化會導致出現(xiàn)畸變的條紋（見圖6）,這些畸變條紋就包含了物體表面的三維信息。由視頻內(nèi)窺探頭前端的CCD 攝像頭攝取這些三維信息，主機內(nèi)的計算機處理系統(tǒng)再對此進行掃描和運算處理， 然后根據(jù)相應的數(shù)學轉換模型和重構算法對物體的輪廓進行三維重構，即獲得了被測物體表面的三維坐標數(shù)據(jù)，進而就可以進行各種測量模式的具體操作，獲得測量結果。
二、將搭載三維立體相位掃描測量技術的工業(yè)內(nèi)窺鏡應用于發(fā)動機孔探工作中的優(yōu)點
三維立體相位掃描測量技術應用于發(fā)動機孔探工作有以下3方面優(yōu)點。
1. 即觀察即測量，孔探工作效率高
由于三維立體相位掃描測量技術不再是根據(jù)二維畫面進行，而是采用攝取和掃描物體表面三維信息的辦法，所以不再限制測量鏡頭的視野和焦距，可以采用單物鏡且視野范圍更廣、焦距范圍更大的設計，實現(xiàn)即觀察即測量，發(fā)現(xiàn)缺陷后無需更換鏡頭即可直接測量（如圖7所示）。近年來，雖然也有其他廠家嘗試研發(fā)觀察鏡頭與測量鏡頭二合一的技術以期實現(xiàn)即觀察即測量的功能，但由于其測量精度無法滿足要求而不被接受。
2. 視野范圍廣、焦距范圍大
該3D鏡頭的視野為105°，屬于廣角鏡頭(見圖8)；焦距是8~250mm（前視）、7~250mm（側視），焦距范圍非常廣，涵蓋了普通觀察鏡頭的極近焦、近焦和中焦的焦距段；適用范圍廣，觀察到的畫面整體更明亮，無論是檢測發(fā)動機內(nèi)各級葉片的狹小空間還是燃燒室等較大空腔（如圖9所示）均能勝任。
3. 測量結果更精準
與單物鏡陰影測量法和雙物鏡測量法均是先人為選擇測量點再進行該點的坐標計算不同的是，三維立體相位掃描測量技術是通過系統(tǒng)的相位掃描與計算，首先構建出一個由無數(shù)的具有三維坐標信息的點云集合，然后由操作者選擇測量模式并選取缺陷測量點，再由系統(tǒng)完成測量；對于無法獲得三維坐標也即無法測量的區(qū)域直接使用紅色體現(xiàn)，系統(tǒng)禁止在這些區(qū)域選取測量點；操作時不需要陰影線的鑒別、測量點的匹配等步驟。不僅具有極強的易用性，也意味著盡可能地減少了人為操作誤差，增大了測量結果驗證的可重復性，測量效率高， 測量結果更加精確，測量準確度可達97%以上，測量讀數(shù)在0.01mm位，其中三維點云模型的深度識別在0.001mm 位，明顯優(yōu)于其他測量方法，滿足孔探工作中越來越高的測量精確要求。
三、多種測量模式下的比較分析
每一種測量方法都有很多測量模式，如長度、點到線、面積等等，這些模式在采用工業(yè)內(nèi)窺鏡進行民航發(fā)動機孔探工作當中都有著非常重要的應用。
對于長度（點到點）、折線長度（多線段）、面積的測量，單物鏡陰影測量法、雙物鏡測量法和三維相位掃描測量法均可實現(xiàn)，但由于3D鏡頭的單視窗、廣角設計，一次性有效測量區(qū)域是其他測量技術的兩倍以上。對于發(fā)動機內(nèi)較長的裂紋、劃傷或者大面積的涂層脫落以及要確定損傷部位的相對位置等需要測量的缺陷或定位，采用三維相位掃描測量法有可能僅通過一次性操作即可獲得精確的測量結果。而采用雙物鏡進行分段測量時，特征點不易被找到，或者邊界點不好確定，有時為了分區(qū)還需要不斷通過導向操作來改變鏡頭角度。需要幾次測量操作之后再將結果累加，不僅工作量增加而且很難保證測量精度。較大面積的涂層脫落情況（如圖10所示）使用三維相位掃描測量法均能夠通過一次測量得到準確、有效的缺陷數(shù)據(jù)。
圖7 對于點到線、深度（點到面） 的測量，單物鏡陰影測量法和雙物鏡測量法雖然也可以實現(xiàn)，但前者需要探頭上的測量鏡頭與被測物垂直而不便于操作，后者因為其成像及測量原理反饋到屏幕上的是二維平面信息，操作者也只能憑借經(jīng)驗在二維畫面上人為操作放置測量點，無法進一步驗證測量點在三維空間上選取的位置準確與否。尤其是對葉片缺口（見圖11和圖12）和葉尖與機匣間隙（見圖13和圖14）的測量，進行這種測量時，很容易把測量點放在被測葉片以外的區(qū)域，如另外的葉片上或機匣上，導致測量結果出現(xiàn)嚴重偏差（見圖15）。而使用三維相位掃描測量法時，可生成三維點云圖，通過旋轉點云圖像，從不同角度檢查所選測量點的位置準確性，一旦發(fā)現(xiàn)測量點位置漂移， 可及時糾正。真正實現(xiàn)了測量后操作者仍可自行檢查測量點定位是否正確，極大地降低測量時出現(xiàn)人為操作誤差的概率。
此外，三維立體相位掃描測量技術還增加了深度剖面測量等新型的測量模式。僅需選擇兩個測量點，系統(tǒng)就會自動在兩點之間畫一條線，建立垂直于掃描表面的截面，可以直接得到剖面最深點（見圖16），生成剖面視圖（見圖17），沿剖面的所有點的深度都可以直接測出，通過三維點云圖（見圖18）可以一次得到測量區(qū)域內(nèi)最深點的位置和深度值，有助于對缺陷的形成原因、性質(zhì)及缺陷發(fā)展趨勢進行判斷，有助于對葉片上的凹坑、掉塊、燒蝕等損傷的深度測量。若使用雙物鏡測量法的深度模式，則需要先放置3個測量點，建立一個基準平面，然后在凹坑或掉塊內(nèi)手動選取“最深點”，通過深度值的實時顯示人為地判斷該區(qū)域最深點位置。因手動選點的數(shù)量有限，將導致測量結果的可重復性差，測量精度不能被保證，且測量效率低。
四、結束語
從孔探工作的工作效率、觀察效果、測量精度以及設備安全等諸多因素考慮，三維相位掃描測量技術是非常適用于發(fā)動機孔探工作的一項先進技術。一套完善的孔探設備應當支持三維掃描測量功能，并兼?zhèn)淦渌愋停ㄈ珉p物鏡測量、陰影測量、比較測量等）的測量功能，以滿足各種孔探環(huán)境下的測量需要。
自2010年年底美國韋林工業(yè)內(nèi)窺鏡推出三維相位掃描測量技術以來，該技術經(jīng)過了發(fā)動機廠家以及國內(nèi)外眾多航空公司的應用驗證，其技術成熟度和實用性都較高，現(xiàn)已成為了民航發(fā)動機孔探領域的主要測量技術。國航工程技術分公司成都維修基地于2013年引進該項測量技術，大大提高了孔探工作的效率和精確度。
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