发动机孔探过程中使用工业内窥镜进行大尺寸测量方法的探讨

发动机孔探过程中使用工业内窥镜进行大尺寸测量方法的探讨

2014-07-11 18:11:12

如今工业内窥镜在众多领域都得到了广泛的应用,本文主要探讨在发动机孔探过程中使用工业内窥镜进行大尺寸测量的相关问题。

一、概述

光学测量技术是发动机孔探技术的一个质的飞跃,其利用测量功能,通过依赖被检测对象上的已知尺寸做为参照物(即比较测量法) 或自身具有的测量体系(即绝对测量法) 可以对缺陷的尺寸大小进行测量,以便对缺陷进行定量的评估而达到视情维护的重要目的。

目前只有视频内窥镜具有光学测量功能,其中比较测量法主要是单物镜比较测量法,而绝对测量法主要有单物镜阴影测量法、双物镜立体测量法、单物镜激光测量法、单物镜三维立体相位扫描测量法(以下简称 3D相位扫描测量)等。

其实很早以前,在光学测量技术还未形成的时候,孔探人员会用已知直径的保险丝去比量缺陷,这就是最早的比较法测量的一种应用,当然这肯定有着很大的局限性。随着光学测量技术发展到今天,较小的缺陷已经能够相对精确的测量了,但是对一些尺寸比较大的缺陷如何精确测量,反而无法很容易被掌握,下面尝试就此问题结合具体案例进行工业内窥镜实用性的分析与探讨。

二、如何实现大尺寸的精确测量

1. 标尺对比测量

通常情况下,对较大尺寸数据的获得是通过与周边已知物的尺寸进行比例对比来获得的。这种数据的获得需要人的经验和对结构的了解,所提供的估测数据可以作为一定的参考。这种方法,其实就是最古老的比较测量法。

比如GE90发动机 HPC1级转子叶片前缘叶尖角弯曲(如图1),需要测量轴向和径向尺寸。这类损伤一般在20mm以上,起初只能根据厂家提供的叶片尺寸进行比例估算,差异很大。

后来,厂家提供专用的比量工具对此类损伤进行比较(如图2,图3所示)。通过对比标尺,可以比较准确的比量尺寸,从而达到测量的目的。这类工作的难度在于如何将标尺准确的进入需要检查的部位,因此,标尺对比测量仅适用于一些特定的项目。

GE90发动机HPC1级叶片叶尖弯曲

 图1 GE90发动机HPC1级叶片叶尖弯曲

标尺比较法测量径向长度L  标尺比较法测量轴向长度Y

图2 标尺比较法测量径向长度L                             图3 标尺比较法测量轴向长度Y

 

2。 单物镜比较测量法

2012年6月28日,在B-2822飞机退租过程中,孔探检查发现右发ESN30837HPC2级通道涂层材料丢失。我们通过比例估算逐段累加后,预计材料丢失的总面积约为6。1平方英寸。租机方第一次测量总面积为10。434平方英寸,超过手册允许标准6。2平方英寸。测量图片如图4(a)、图4(b):

比较法测量面积   比较法测量面积

图4(a) 比较法测量面积                                        图4(b) 比较法测量面积

根据AMM手册,HPC2级叶片间涂层面积:1.52 inch2,涂层宽度:1.42 inch。通过计算可以得到叶片间距为1.07 inch。

通过图片可知,其所用的测量方法为比较法测量,所用的参考尺寸为已知尺寸涂层宽度1.42 inch。 但第一次测量所选的尺寸应为叶片间距,因此我们判断该测量是错误的。通过对数据的分析,初步判断其误差为(1.42/1.07)2-1=76.12%,也就是这个结果应该比实际面积大了76.12%,反推实际结果约为:5.924 inch2 ,这个结果应该在标准范围内。但这仅仅是数量级性质的估测。

第二次,他们采用了正确的参考尺寸,再次进行了比较法测量(如图5)。第2次测得涂层材料丢失总面积7.984平方英寸,也超出手册标准。

比较法测量面积

图5 比较法测量面积

两次测量的结果都与我们的估测有较大的差异,到底问题在哪里呢?

为找出其中的原因,我们做了以下实验(如图6):

实验模拟压气机叶片间涂层情况

    图6 实验模拟压气机叶片间涂层情况

图中,A区:平行四边形,高度为10mm=0。3937 inch,长度为叶片间距L=1。07 inch;B区:任意设置的四边形。按照图7所示的倾斜情况分别对A区和B区面积进行测量,如图8(a)~8(h)。

镜头与涂层法线角度的变化

图7  镜头与涂层法线角度的变化(倾斜度)示意  

正对 参考尺寸为L=1.07inch      正对 参考尺寸为W=1.42 inch

图8(a) 正对 参考尺寸为L=1.07inch                 图8(b) 正对 参考尺寸为W=1.42 inch

倾斜30° 参考尺寸为L=1.07inch      倾斜30°参考尺寸为W=1.42 inch

  图8(c) 倾斜30° 参考尺寸为L=1.07inch                图8(d) 倾斜30°参考尺寸为W=1.42 inch

倾斜45° 参考尺寸为L=1.07inch  倾斜45°参考尺寸为W=1.42 inch

图8(e) 倾斜45° 参考尺寸为L=1。07inch           图8(f) 倾斜45°参考尺寸为W=1。42 inch

倾斜60° 参考尺寸为L=1.07inch   倾斜60°参考尺寸为W=1.42 inch

 图8(g) 倾斜60° 参考尺寸为L=1.07inch              图8(h) 倾斜60°参考尺寸为W=1.42 inch

A区面积,预设此平行四边形宽度为H=10mm,按H×L=10 mm×1。07 inch=0。421 inch2

B区面积区正对条件下按不同的参照尺寸测量后的平均值,为(0.185+0.180)/2=0.183 inch2

同样,我们对B区面积按此方法进行了测量,所得数据如表1:


面积

参照

测量值

垂直(0)

30 度倾斜

45度倾斜

60 度倾斜

A

0。421

L=1.07"

0。415

0.352

0。302

0.240

W=1.42"

0.426

0。471

0。540

0.620

B

0。183

L=1.07"

0.185

0.158

0.144

0.088

W=1.42"

0.180

0.203

0.219

0.304

表1  不同参考尺寸下的比较测量法测量结果

 对测量结果进行误差分析(如表2),并将测量误差绘制成趋势图(如图11):


面积

参考

错误

垂直(0)

30 度倾斜

45度倾斜

60 度倾斜

A

0.421

L=1.07"

-1。425%

-16.390%

-28。266%

-42。993%

W=1.42"

1.188%

11.876%

28.266%

47.268%

B

0.183

L=1。07"

-1.639%

-13.661%

-21.311%

-51.913%

W=1.42"

1.093%

10.929%

19.672%

66.120%

                 表2  测量误差分析

测量误差变化趋势

 

图11 测量误差变化趋势

通过对数据及图表分析,可以得出以下结论:

1. 比较法测量,镜头与被测物的垂直度直接影响测量结果的准确度,只有在垂直正对被测表面时,测量数据才准确,误差可以在5%以内;

2。 倾斜度对结果的误差影响极大,倾斜越大,误差越大;

3. 基准方向的选取对测量结果的影响有增大和减小两种趋势:基准方向在倾斜面时,测量数据偏大;而基准方向垂直于倾斜面时,测量数据偏小。

在实际工作中很难保证镜头正对被测表面,因而也就无法保证测量精确度。并且,由于基准值方向的选取对测量结果的影响,会造成相应的比实际值增大或减小,这对实际判断有完全两种不同的结论。

因此,比较法测量数据有很大的迷惑性,如果片面相信这类数据而忽视实际工作条件,将无可避免的造成错误的判断。


3. 单物镜阴影测量法

为了避免比较法测量带来的迷惑性,就需要使用工业内窥镜中的绝对测量方法。单物镜阴影测量法是内窥检测行业第一种绝对法测量模式。

它采用单视窗检测视图,这有利于测量较大缺陷的尺寸。在确保阴影测量镜头与被测物表面垂直的状况下,通过在缺陷所在平面上投射的一条阴影线而建立的坐标系的三角几何计算,测量精度最高可达97%以上(如图12,图13))。

 

长度的测量  面积的测量

  图12 长度的测量                                                     图13 面积的测量

然而,在实际工况下,探头穿插进入发动机内部,保证镜头与被测物表面垂直并不容易实现(否则仅能延着投射的阴影线上进行简单的距离测量),这就要求探头有较好的导向操作性能及操作人员对发动机的内部结构有全面的掌握。另外,阴影测量镜头的观察的焦距较短,因此工业内窥镜在孔探工作中需要首先用视野、焦距相对较大的观察镜头查找到缺陷,然后再将探头取出,更换上阴影测量镜头以后,再度进入发动机找到该缺陷后进行测量。总之受操控难度限制,阴影测量法使用率并不高。


4。 双物镜立体测量

随后工业内窥镜出现的双物镜立体测量法是第一种真正摆脱了镜头垂直于被测物表面限制的绝对法测量模式,其测量镜头利用左右2个物镜成像的夹角差异的识别与计算,它可以实现以任何角度拍摄被测物表面,采集图像信息,进行多种测量功能并获取精准的数据。也因此,双物镜测量法第一次被冠以“立体”二字。 

为保证测量误差在5%范围内,在使用工业内窥镜中双物镜立体测量时最低的放大倍数应不小于5倍,最佳放大倍数为10倍以上,这也决定了镜头离被观测物体表面的距离一般在15mm以内。 

另外,由于双物镜立体测量画面在工业内窥镜显示屏上被分割成左右2个视窗,这也决定了相对于单物镜视窗该测量方法所能测得的尺寸范围比较小。一般认为,10mm以下的缺陷尺寸可以进行精确测量(误差保证在5%以内),而10~20mm缺陷尺寸的测量误差比较大,20mm以上的缺陷尺寸测量基本精度不可靠,仅作参考。 

但在发动机孔探过程中,如前文所述有时会发现一些比较大的损伤(尺寸在10mm以上)。在对这些大尺寸的损伤进行定量测量过程中,受位置的限制以及设备、测量精度等的影响,目前通常使用工业内窥镜的双物镜立体测量法很难做到一次性准确的测量,只能进行分段或分区测量。而在实际过程中,分段或分区的位置难以把握,特征点位有时很难选,这也成为双物镜立体测量法技术条件下的一个难点。 

一次性测量实例如图14,测量缺口边缘到叶尖的距离,物距Z为20.3mm:

 

一次性测量

 图14 一次性测量

分段测量实例,如图15(a)~15(d):

 分段测量 L1=3.21mm  分段测量 L2=4.18mm

图15(a) 分段测量 L1=3。21mm                  图15(b) 分段测量 L2=4。18mm 

分段测量 L3=2.48mm  分段测量 L4=2.65mm

 图15(c) 分段测量 L3=2.48mm                       图15(d) 分段测量 L4=2.65mm

此缺口离叶片叶尖的实际距离为12.31861mm(精确数据)。一次性测量结果为11.52mm,误差为:-6.48%;分段测量的结果为:3.21+4.18+2.48+2.65=12.52mm,误差为:+1.63%。由此可见,分段测量可以满足精度要求。

在很多情况下,分段的特征点和特征位置并不好找,比如RB211发动机HPC2级涂层材料丢失,边界点就不易确定,尤其在很多情况下为了分区,镜头角度需要不断的改变,特征点就更不清楚了。

此外与单物镜阴影测量法一样,由于观察的焦距较短,所以在工业内窥镜孔探工作中同样需要先使用视野、焦距相对较大的观察镜头查找到缺陷,然后再将探头取出更换上双物镜立体测量镜头后,再度进入发动机找到该缺陷后进行测量。虽然如此,鉴于测量时测量镜头不需要垂直于被测量缺陷所在平面,双物镜立体测量法使用率还是远高于单物镜阴影测量法。


5. 单物镜激光测量法

其后工业内窥镜出现的单物镜激光测量法也是一种单视窗的、理论上可测量30~50mm大尺寸的方法,同样不需要垂直于被测量缺陷所在的平面,并且其测量镜头的焦距较长,可以直接用来查找缺陷然后进行拍照测量,因此其在面世之初曾受关注。但在实际应用中,由于散落在缺陷上的激光点的数量相对有限,导致检测同一缺陷的测量数值的重复性相对较差而无法确认有效数据,特别是针对较小缺陷时这种情况就更加明显,所以这种测量方法目前在民航领域应用不多,在此就不做进一步分析了。


6. 单物镜三维立体相位扫描测量法

近几年工业内窥镜出现的单物镜三维立体相位扫描测量法(以下简称 3D相位扫描测量)是一种新型的绝对法光学测量技术,其测量镜头可将线形光栅交叉投射到表面,并用具有高质量光学器件的摄像机捕捉这个线形模式,再用专有算法处理图像,得到整个表面的三维点云图;最后将三维空间点坐标与测量结合使用,获得更多有关缺陷或者被测对象的精确信息,这是真正意义上的三维立体测量技术,并且数据重复性好,可靠性高。

其测量镜头同样不需要垂直于被测量缺陷所在的平面,尤为特别的是它将不同焦距段(极近、近焦和中焦)的观察镜头和测量镜头合为一体,采用大视野单视窗视图,检测过程中发现缺陷即可拍照测量,不仅适合于较大尺寸缺陷的测量,而且较之双物镜立体测量,省去了从观察镜头更换为测量镜头的步骤,有效的提高检测效率,同时也降低了工业内窥镜探头反复穿插带来卡滞的风险。

例如,依据3D相位扫描测量,如图16(a)和图16(b),此前讨论的HPC2级涂层材料丢失的总面积为6.48平方英寸。

3D测量法测量涂层丢失面积 3D测量法测量涂层丢失面积

图16(a) 3D测量法测量涂层丢失面积             图16(b) 3D测量法测量涂层丢失面积

2012年08月31日,该发进入大修厂分解。最终用双物镜立体测量分段测量拓片各分区(如图17、图18),所得涂层脱落总面积(共10处)为:6。5429平方英寸。3D相位扫描测量值结果与其对比误差为-0。96%,因在役使用3D相位扫描测量时少了一部分叶尖遮盖部分的面积,这也验证了3D相位扫描测量法测量大尺寸的相对准确性。 

发动机分解后的涂层丢失情况    拓片取涂层丢失情况分区测量

 图17  发动机分解后的涂层丢失情况                               图18 拓片取涂层丢失情况分区测量

 

总体上,工业内窥镜中的3D相位扫描测量数据误差小,大面积(叶片间距内)缺陷可以一次性测量;而如果使用双物镜立体测量大面积缺陷,则需要分段测量,但分段点不好把握。

在使用3D相位扫描测量法进行测量时,应关注以下的特点:

1)拍照时不需要与被测表面垂直;

2)观察到测量过程不需要更换镜头,视野比双物镜立体测量大;

3)拍照时要求保持镜头有2~3秒的静止;

4)被测物表面不能有太强烈的的反光;

5)为保证测量精度,物距MTD应小于1.0inch;

6)对于不能精确建立点云坐标系的区域(如高反光或较暗部位),系统会自动识别为红区并禁止放置测量点;如果其覆盖范围影响测量选点,需要调整角度重新拍摄图片(如图19、图20);

7)检测图片可以使用电脑软件二次取点测量,且软件取点较之现场取点视野范围更大。

 

3D测量选取画面的红区   3D测量避开红区的取点 

图19 3D测量选取画面的红区                                  图20 3D测量避开红区的取点

 

三、结论

在实际的发动机孔探检查过程中,受工业内窥镜相应设备及使用条件限制,采用比较法测量大尺寸时,应特别考虑镜头与被测物的垂直情况;使用双物镜立体测量法进行测量时,应分段或分区测量以保证测量精度,但需要确定好特征点;激光测量法虽然对30~50mm的缺陷测量时精度相对更加准确一些,但航空发动机若有如此大的缺陷几乎也无测量的价值而直接换发了;在设备、条件允许的情况下,3D相位扫描测量法可以相对准确的一次性测量大尺寸缺陷,但应注意3D相位扫描测量法的限制条件。

技术的发展已经使CCD的像素可以做到更大,目前普遍使用的CCD像素为40万左右,未来新的技术条件可以使CCD像素达到100万或更高。这样的条件下,即使在同样的物距状况下,可以对被观察的物体进行放大处理,或者可以在比较大的物距条件下对缺陷进行测量,从而实现大尺寸的测量。

民航孔探检查事无巨细且责任重大,只有找到趁手的工业内窥镜工具,才能帮助帮助孔探工程师在黑暗世界里准确可靠地探寻真实所在,并能兼顾提高工作效率;但只有充分了解其性能特点尤其是各种测量方法的应用特点和局限性并结合实际应用情况,才能最大程度的发挥设备的功能,避免视情维护中的漏检和误判所带来的经济损失与安全隐患。

 

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