■ 徐演順 伏銀兵/四達(dá)機(jī)械制造公司

0 引言

近年來(lái)，隨著航空、航天領(lǐng)域數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的推廣，飛機(jī)工件制造以模胎制造、3D打印技術(shù)等數(shù)字量傳遞方式取代了傳統(tǒng)的以樣板為制造依據(jù)的模擬量傳遞方式。當(dāng)前，異型面檢測(cè)一直無(wú)法做到精確測(cè)量，對(duì)于尺寸簡(jiǎn)單的型面仍可以按數(shù)模取紙模線(xiàn)的方法進(jìn)行檢查，但復(fù)雜型面只能由檢驗(yàn)人員采用目測(cè)方法進(jìn)行粗略檢查或通過(guò)大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)精確測(cè)定，受尺寸限制，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)只能測(cè)量一些較小的模胎，且效率較低，對(duì)工作環(huán)境要求較高而無(wú)法進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量，直接影響了科研生產(chǎn)周期。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是一種近景工業(yè)攝影測(cè)量，是利用數(shù)字圖像進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量的一種技術(shù)。攝影測(cè)量通過(guò)數(shù)字相機(jī)對(duì)工業(yè)零部件或產(chǎn)品進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)攝影，根據(jù)像片上的圖像信息進(jìn)行量測(cè)、分析，采用數(shù)字方法加以處理，從而求定研究對(duì)象上點(diǎn)的二維或三維坐標(biāo)（包括點(diǎn)位、大小、尺寸、形狀、運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度），或者繪出對(duì)象物的各種圖解圖（如等值線(xiàn)圖、輪廓線(xiàn)圖、立面圖、平面圖及影像圖等），可以快速、準(zhǔn)確、高效地完成模胎的檢測(cè)工作。為此，本文以飛機(jī)模胎型面檢測(cè)為研究對(duì)象，利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)開(kāi)展異型面機(jī)件檢測(cè)方法的研究。

1 測(cè)量對(duì)象

航空維修企業(yè)中，用于制造零部件的磨具、模胎是制造的基準(zhǔn)，零部件的定位和連接基準(zhǔn)都是由模胎來(lái)決定的，因此必須對(duì)模胎的定位基準(zhǔn)（定位線(xiàn)、型面、定位孔）進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，防止定位基準(zhǔn)超差或錯(cuò)誤導(dǎo)致零部件批量不合格。根據(jù)飛機(jī)型號(hào)和零部件的不同，模胎可分為金屬模胎和非金屬模胎兩種，模胎尺寸在 0.5～10m以上不等，表面為各類(lèi)曲面，且有各種刻線(xiàn)，如圖 1所示。

圖1 航空模胎

2 測(cè)量?jī)?nèi)容

測(cè)量?jī)?nèi)容主要分為模胎表面（曲面）數(shù)字化測(cè)量和模胎表面刻線(xiàn)的數(shù)字化測(cè)量，且兩類(lèi)測(cè)量結(jié)果應(yīng)統(tǒng)一在一個(gè)整體坐標(biāo)系中。

測(cè)量完成后，應(yīng)對(duì)模胎數(shù)字化測(cè)量點(diǎn)云進(jìn)行曲面和曲線(xiàn)建模，并以 CATIA格式輸出，此即為模胎的逆向建模工程。如模胎已有數(shù)模，則無(wú)需進(jìn)行此步驟，可在后續(xù)設(shè)備配置中去除便攜式掃描儀，以單+雙相機(jī)即可完成模胎型面及刻線(xiàn)的檢測(cè)，并在SA等軟件中進(jìn)行與數(shù)模的對(duì)比分析，就可以得出模胎的檢測(cè)結(jié)果。

模胎測(cè)量精度要求包括：點(diǎn)云測(cè)量精度小于0.05mm，曲面和曲線(xiàn)建模精度小于0.2mm。

3 檢測(cè)方案

采用攝影測(cè)量和掃描測(cè)量相結(jié)合的組合測(cè)量方式進(jìn)行點(diǎn)云測(cè)量，并通過(guò)專(zhuān)用曲面、曲線(xiàn)建模軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行建模，總體技術(shù)框圖如圖2所示。

3.1 測(cè)量系統(tǒng)組成

主要測(cè)量設(shè)備包括攝影測(cè)量系統(tǒng)1套（雙相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)1套、單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)1套）、掃描測(cè)量系統(tǒng)1套和數(shù)字點(diǎn)云建模軟件1套。

3.2 測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)可以概括為：高精度——絕對(duì)精度最高可達(dá)3μm+3μm/m；非接觸測(cè)量；測(cè)量速度快；可以在不穩(wěn)定的環(huán)境中測(cè)量（溫度、振動(dòng)等）；特別適合復(fù)雜空間的測(cè)量；數(shù)據(jù)率高，方便獲取大量數(shù)據(jù)；適應(yīng)性好（被測(cè)物尺寸范圍由厘米級(jí)至百米級(jí)）；設(shè)備便攜性好。

4 測(cè)量原理

根據(jù)國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，采用攝影測(cè)量和掃描測(cè)量相結(jié)合的組合測(cè)量方式進(jìn)行點(diǎn)云測(cè)量，并以專(zhuān)用曲面、曲線(xiàn)建模軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行建模。

4.1 攝影測(cè)量原理

1）攝影測(cè)量?jī)?nèi)容

采用雙相機(jī)系統(tǒng)對(duì)模胎表面的刻線(xiàn)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量；單相機(jī)系統(tǒng)除測(cè)量模胎型面精度外，還為掃描測(cè)量提供全局控制點(diǎn)，以進(jìn)行坐標(biāo)系的拼接。

圖2 技術(shù)框圖

圖3 雙相機(jī)測(cè)量原理圖

2）攝影測(cè)量原理

攝影測(cè)量的基本原理為兩條光線(xiàn)的前方交會(huì)，如圖3所示。

通過(guò)4個(gè)（或更多數(shù)量）控制點(diǎn)a、b、c、d 進(jìn)行后方交會(huì)解算，可得攝影中心S1、S2的位置及其與相片面P1、P2的朝向關(guān)系（兩相機(jī)的位置及姿態(tài)）；與經(jīng)緯儀等類(lèi)似，對(duì)于未知點(diǎn)e，可通過(guò)其在兩像片上的像點(diǎn)位置確定其光束方向，進(jìn)而依前方交會(huì)法解算出物方坐標(biāo)。

4.2 掃描測(cè)量原理

手持掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模胎表面的曲面面型進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，得到數(shù)字點(diǎn)云，以便后續(xù)曲面建模。

5 模胎測(cè)量工作流程

1）準(zhǔn)備工作：在工件待測(cè)表面粘貼攝影RRT標(biāo)志。

2）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)待測(cè)工件表面的RRT標(biāo)志進(jìn)行交向攝影。

3）對(duì)圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，得到型面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4）將飛機(jī)模具的型面理論模型導(dǎo)入軟件。

5）將測(cè)量所得的模具型面坐標(biāo)點(diǎn)云與型面理論模型進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算型面精度RMS值，得到每個(gè)點(diǎn)的研修量。

6 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

6.1 人工標(biāo)志及其布設(shè)

圖4 測(cè)量中使用的人工標(biāo)志

在測(cè)量過(guò)程中主要用到兩種人工標(biāo)志：圓形定向反光標(biāo)志和編碼標(biāo)志，如圖4所示。圓形定向反光標(biāo)志的特點(diǎn)是反射亮度比漫射白色標(biāo)志高出數(shù)百甚至上千倍，可以輕松得到被測(cè)目標(biāo)物自身影像“消隱”而RRT標(biāo)志的構(gòu)像卻特別清晰且突出的“準(zhǔn)二值影像”。在天線(xiàn)表面布設(shè)圓形回光反射人工標(biāo)志點(diǎn)和定向反光材料制作的編碼標(biāo)志，用于實(shí)現(xiàn)像片的拼接和計(jì)算自動(dòng)化。

6.2 攝站布設(shè)與攝影

根據(jù)待測(cè)工件所在位置，考慮相機(jī)鏡頭視場(chǎng)角、攝影距離、測(cè)量精度、測(cè)量場(chǎng)地等問(wèn)題，攝影測(cè)量采用局部攝影、整體解算的方法進(jìn)行，整體解算以編碼標(biāo)志作為圖像之間的公共連接點(diǎn)。測(cè)量人員可以站在待測(cè)工件附件，圍繞著工件四周進(jìn)行拍攝，如圖5所示。常規(guī)條件下，為保證測(cè)量精度，應(yīng)在距離待測(cè)工件表面2～3m左右的位置進(jìn)行攝影。

6.3 系統(tǒng)尺度

待測(cè)胎模長(zhǎng)度大于2m時(shí)，由于基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度只有1m，可能導(dǎo)致測(cè)量誤差加大，為此使用2根組合的基準(zhǔn)尺（1m）來(lái)約束整個(gè)待測(cè)工件的尺度。首先基準(zhǔn)尺可以對(duì)整個(gè)工件尺度進(jìn)行約束，其次還可以起到互相校驗(yàn)的作用，避免測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)粗差。一般情況下應(yīng)固定2根基準(zhǔn)尺的位置。

6.4 坐標(biāo)計(jì)算

受相機(jī)鏡頭視場(chǎng)角和攝影距離的限制，每幅像片只能覆蓋工件的一部分。因此，各測(cè)站之間的位置關(guān)系需要利用編碼標(biāo)志進(jìn)行傳遞、完成圖像的拼接，其計(jì)算步驟如下。

1）對(duì)測(cè)量圖像進(jìn)行掃描，識(shí)別出每幅圖像里的編碼標(biāo)志。

圖5 攝站布設(shè)圖

2）對(duì)每幅圖像里具有相同點(diǎn)號(hào)的編碼標(biāo)志進(jìn)行匹配，利用編碼標(biāo)志的已知空間坐標(biāo)，通過(guò)后方交會(huì)，將像片統(tǒng)一在攝影測(cè)量坐標(biāo)系下，同時(shí)得到各圖像的外方位元素。

3）根據(jù)圖像已知的外方位元素，利用核線(xiàn)匹配原理對(duì)其他非編碼標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行同名點(diǎn)匹配。

4）最后利用光束法平差統(tǒng)一進(jìn)行解算，計(jì)算所有標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)。

7 測(cè)量結(jié)果分析

圖6所示為某型金屬模胎，可近似為一圓錐形狀。實(shí)際測(cè)量后，為了和用戶(hù)之前用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，只選第1個(gè)圓環(huán)刻線(xiàn)以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)刻線(xiàn)上（攝影）測(cè)量點(diǎn)云相對(duì)其理論模型的偏差共進(jìn)行了兩種分析：一是比較刻線(xiàn)點(diǎn)云與理論刻線(xiàn)的偏差；二是比較刻線(xiàn)點(diǎn)云與理論曲面的偏差。

1）刻線(xiàn)點(diǎn)云與理論刻線(xiàn)的偏差以理論模型上刻線(xiàn)為參照，將測(cè)量所得的刻線(xiàn)上點(diǎn)云與之進(jìn)行比較，求偏差，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，十字型刻線(xiàn)實(shí)際刻畫(huà)精度較好，而圓環(huán)型刻線(xiàn)的實(shí)際位置相對(duì)于理論刻線(xiàn)有較大的向下偏移，平均偏移量接近1mm。

圖6 某型金模胎

表1 刻線(xiàn)點(diǎn)云相對(duì)理論刻線(xiàn)的偏差

2）刻線(xiàn)點(diǎn)云相對(duì)理論曲面的偏差

刻線(xiàn)點(diǎn)云相對(duì)理論曲面的偏差主要是考察刻線(xiàn)在法向的偏差，其中包含測(cè)量誤差和刻線(xiàn)本身的深度值，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，測(cè)量誤差和刻線(xiàn)深度合并在一起所引起的型面法向偏差為0.1mm。

因此，模胎表面（掃描）測(cè)量點(diǎn)云相對(duì)其理論曲面模型的偏差結(jié)果如表3所示。

8 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)和理論分析以及測(cè)量結(jié)果的對(duì)比可知，對(duì)飛機(jī)模胎型面采用攝影測(cè)量和掃描測(cè)量相結(jié)合的組合方式進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，是解決此類(lèi)測(cè)量難題的有效方法，且該方法操作過(guò)程簡(jiǎn)單，便于掌握，具有良好的推廣價(jià)值。

表2 刻線(xiàn)點(diǎn)云相對(duì)理論曲面的偏差

表3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果