航空發動機葉片是航空發動機的關鍵部件之一，其形狀復雜、精度要求極高。葉片的尺寸參數包括葉身長度、葉型厚度、扭曲角度、前緣和后緣半徑等，這些參數直接影響發動機的性能、效率和可靠性。傳統的測量方法，如手工測量工具（卡尺、千分尺等）和基于 2D 投影的測量方法，難以滿足對葉片復雜曲面和高精度尺寸測量的要求。而且，航空發動機葉片生產批量大，對測量效率也有較高要求。在此背景下，3D 視覺技術為航空發動機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
采用高精度的雙目相機系統，兩個相機的分辨率均為 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。相機安裝在高精度的支架上，通過精確校準，保證兩個相機的光軸平行且具有已知的基線距離。這種雙目視覺結構可以通過視差原理計算葉片表面點的三維坐標。
結構光投射器
使用線結構光投射器，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生變形，根據變形情況可以獲取葉片表面的深度信息。結構光的波長經過精心選擇，以適應葉片表面的材質反射特性，確保在不同角度和光照條件下都能獲得清晰、穩定的條紋圖像。
旋轉臺與定位裝置
設計了一個高精度的旋轉臺來放置航空發動機葉片，旋轉臺可以實現精確的角度控制（角度分辨率達到 0.01°），使得葉片在測量過程中能夠全方位旋轉，便于 3D 視覺系統獲取葉片各個部分的信息。同時，配備了定位裝置，能夠快速、準確地將葉片放置在預定的測量位置，保證每次測量的重復性和準確性。
圖像采集與預處理模塊
編寫控制程序實現雙目相機和結構光投射器的同步工作。在圖像采集后，首先進行圖像的去噪處理，采用自適應中值濾波算法，既能有效去除噪聲，又能保留葉片邊緣和光條紋等細節信息。然后對圖像進行增強處理，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，在結構光圖像中，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點進行匹配，為后續的三維坐標計算建立基礎。
三維重建與尺寸測量模塊
根據雙目視覺的幾何模型和結構光的三角測量原理，結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。通過對大量三維點云數據的處理，構建出葉片的三維模型。在三維模型基礎上，利用幾何算法測量葉片的各種尺寸參數。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。
將航空發動機葉片放置在旋轉臺上的定位裝置中，啟動 3D 視覺測量系統。首先，結構光投射器投射光條紋到葉片表面，雙目相機同步采集帶有光條紋的葉片圖像。采集到的圖像經過預處理后，進行特征提取和匹配。然后，根據匹配結果進行三維重建，得到葉片的三維模型。最后，在三維模型上進行尺寸測量，將測量結果與設計標準進行對比，判斷葉片是否合格。
精度方面
經過與三坐標測量機（CMM）對同一批葉片的對比測量實驗，3D 視覺測量系統對葉片主要尺寸參數的測量精度可以達到 ±0.02mm，滿足航空發動機葉片 ±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。這種高精度的測量能力確保了能夠準確篩選出尺寸不合格的葉片，保障了航空發動機的質量。
效率方面
3D 視覺測量系統能夠在 30 秒內完成一個航空發動機葉片的全方位尺寸測量，相比傳統的 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。這使得在大規模葉片生產過程中，可以實現對每個葉片的快速檢測，有效提高了生產效率。
降低廢品率
通過高精度的尺寸測量，及時發現尺寸不合格的葉片，使廢品率從原來的約 3% 降低到 1% 以下。以每個葉片的生產成本為 10000 元計算，每年生產 10000 個葉片，可節約成本約 200 萬元。
提高生產效率
快速的測量速度減少了葉片在測量環節的停留時間，使得整個生產流程更加順暢。同時，減少了因測量延誤導致的生產計劃調整等問題，間接節約了大量成本。
保障航空發動機質量
準確的葉片尺寸測量確保了航空發動機的性能和可靠性，對于保障航空安全具有重要意義。高質量的航空發動機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。
推動先進制造技術發展
該案例展示了 3D 視覺技術在高精度尺寸測量領域的應用潛力，為其他復雜零部件的制造和檢測提供了借鑒，促進了航空航天等高端制造行業向智能化、高精度制造方向發展。
綜上所述，3D 視覺技術在航空發動機葉片尺寸測量中的應用取得了顯著的效果，無論是在測量精度、效率還是在經濟效益和行業發展方面都有著重要的價值。
