趙青華 孫建輝 薛安勃 趙朝雄

摘?要：本文通過對照相測量、三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行闡述，構(gòu)建基于照相測量與激光掃描組合測量系統(tǒng)，對大尺寸工裝進(jìn)行高密度點(diǎn)云測量，并與三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行對比，探究工程應(yīng)用中的測量精度，以期為國內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)和技術(shù)人員提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：照相測量;三維激光掃描;組合測量系統(tǒng);測量機(jī)

現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)不斷發(fā)展，飛機(jī)零部件尺寸逐年增大，對飛機(jī)外形精度要求及被測點(diǎn)云密度不斷提高，傳統(tǒng)的飛機(jī)氣動(dòng)外形依靠裝配型架、模線樣板、光學(xué)儀器保證，無法精準(zhǔn)測量，同時(shí)飛機(jī)蒙皮、復(fù)材壁板等與飛機(jī)外形有關(guān)的零件輪廓依靠模具保證，隨著模具尺寸、重量的不斷增大及結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)因尺寸、重量限制、測頭的可達(dá)性以及激光跟蹤儀的光線可達(dá)性導(dǎo)致難以測量或無法測量的矛盾越發(fā)凸顯，同時(shí)一些特殊的被測物不能采用接觸式測量，因此必須改變傳統(tǒng)的測量方法，向現(xiàn)場數(shù)字化高精度測量方向發(fā)展是當(dāng)前的趨勢。與其他數(shù)字化測量技術(shù)手段如激光跟蹤儀等相比，照相測量技術(shù)具有非接觸的特點(diǎn)[1]，測量精度高、范圍大、效率高、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，三維激光掃描具有局部掃描精度高、點(diǎn)云密度大的特點(diǎn)。

本文主要基于國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的兩類照相測量、三維激光掃描設(shè)備，開展高密度點(diǎn)云測量實(shí)驗(yàn)，并與測量機(jī)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢對比分析，驗(yàn)證照相測量與激光掃描組合測量大尺寸被測物的高密度點(diǎn)云測量精度，以期為國內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)和技術(shù)人員提供借鑒和參考。

1 照相測量與三維激光掃描技術(shù)原理

1.1 照相測量原理

三維數(shù)字照相測量技術(shù)是建立在數(shù)字成像圖像處理和精密測量技術(shù)基礎(chǔ)上的一種新型精密測量技術(shù)，照相測量系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)感光技術(shù)、測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺分析技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行多次多角度照相，以獲得數(shù)字圖像信息，從而依據(jù)三角測量原理解算出點(diǎn)云空間坐標(biāo)[2]。照相測量分為單像機(jī)測量、雙像機(jī)的聯(lián)機(jī)測量系統(tǒng)[3]。本文所選的進(jìn)口照相測量設(shè)備標(biāo)稱精度5μm+5μm/米，以及鄭州辰維的CIM3相機(jī)，標(biāo)稱精度3μm+3μm/米，西格瑪值均為1。

1.2 三維激光掃描原理

線激光手持三維掃描儀同樣基于三角測量原理，自帶校準(zhǔn)功能，工作時(shí)使用反光標(biāo)志點(diǎn)粘貼于被測物并將激光線照射，兩個(gè)相機(jī)捕捉瞬間的三維掃描數(shù)據(jù)，光線照射在被測物上發(fā)生反射和折射，通過軟件重建為3D點(diǎn)云，可通過照相測量提取標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)值并代入三維激光掃描，可顯著提高掃描精度，本文選用的掃描設(shè)備標(biāo)稱精度為：0.02mm+0.1mm/m。

2 組合測量實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程

為更好的驗(yàn)證照相與掃描的測量精度及尺寸對精度的影響，選取了某大型模具進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，該模具長8米、寬13米，并設(shè)計(jì)有型面、刻線、法向孔及垂直孔等具有代表性的被測要素。選用10米測量機(jī)，標(biāo)稱精度4.5μm+6.5μm/米，對工裝外形進(jìn)行測量，將實(shí)測值假設(shè)為該模具的真值，為更好的進(jìn)行趨勢對比，每50mm設(shè)定1個(gè)測量點(diǎn)，共實(shí)測型面1946個(gè)測量點(diǎn)。

2.1 測量準(zhǔn)備

在照相測量前，需要通過反光標(biāo)志將被測要素目標(biāo)化，照相測量系統(tǒng)只能識別反光標(biāo)志或激光投點(diǎn)器投射的點(diǎn)，無法直接對被測部件測量點(diǎn)進(jìn)行測量，通過布設(shè)人工標(biāo)志，推薦的標(biāo)志直徑如，同時(shí)三維激光掃描需粘貼標(biāo)志點(diǎn)，因設(shè)備識別的反光點(diǎn)不同及反光點(diǎn)厚度精度不同，照相測量的反光標(biāo)志三維激光掃描儀不能識別，但三維激光掃描所用的標(biāo)志點(diǎn)可以被照相測量識別。

2.1.1 布設(shè)編碼點(diǎn)與測量點(diǎn)

單相機(jī)無法在一張照片中表達(dá)被測物是一個(gè)三維形體，需要采用編碼標(biāo)志點(diǎn)對照片進(jìn)行拼接，要求每張照片要有至少6個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)，每兩張照片的重疊編碼點(diǎn)不少于四個(gè)，本次測量每0.5米布設(shè)1個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)，編碼點(diǎn)呈“田”字布局，并包容被測要素。

為了保證測量的準(zhǔn)確性，反光標(biāo)志與被物的大小比例需要保證在一定的范圍內(nèi)，反光標(biāo)志在每張照片中的大小不應(yīng)小于3*3像素，反光標(biāo)志應(yīng)該至少應(yīng)該保證拍攝目標(biāo)區(qū)域1/1000的大小（推薦在1/500以上），本次標(biāo)志點(diǎn)及編碼點(diǎn)均選取6mm直徑，被測的反光標(biāo)志點(diǎn)按測量機(jī)測量點(diǎn)位布設(shè)。

2.1.2 建立基準(zhǔn)尺

照相測量獲得的點(diǎn)云模型只是一個(gè)等比例縮放體，因此需要加入一個(gè)基準(zhǔn)尺度去還原點(diǎn)云的真實(shí)尺寸，方可計(jì)算完整點(diǎn)云模型的尺寸信息，在完整的測量過程中應(yīng)使用2個(gè)以上的基準(zhǔn)尺，軟件對基準(zhǔn)長度進(jìn)行平差運(yùn)算，多個(gè)基準(zhǔn)長度可以有效地識別并避免基準(zhǔn)尺本身的偏差。基準(zhǔn)尺應(yīng)盡可能的與被測物最大尺寸相當(dāng)，大尺寸測量時(shí)采用激光跟蹤儀建立虛擬基準(zhǔn)尺，本次采用模具基準(zhǔn)點(diǎn)在測量機(jī)下的實(shí)測值建立3根虛擬基準(zhǔn)尺并通過10mmTOS靶標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.2 照片拍攝

用照相測量對模具上的靶標(biāo)點(diǎn)和編碼點(diǎn)進(jìn)行多個(gè)位置的拍攝，解算出模具上標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，更換掃描標(biāo)志后再次測量，以作為手持激光掃描儀的定位點(diǎn)坐標(biāo)。

2.3 三維激光掃描

將照相測量系統(tǒng)所建立的掃描測量控制網(wǎng)的點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入掃描儀軟件中，設(shè)置掃描點(diǎn)距，即可從模具的任意一個(gè)位置開始點(diǎn)云掃描測量。采用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理、去除噪聲、修補(bǔ)網(wǎng)格、刪除多余數(shù)據(jù)、簡化數(shù)據(jù)等操作。禁止對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行過分光滑、大尺度去噪。

2.4 數(shù)據(jù)分析

分別從相機(jī)的精度驗(yàn)證、多組相機(jī)拍攝的數(shù)據(jù)自身的重復(fù)性、與模型轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系的偏差統(tǒng)計(jì)、與理論模型直接對比的結(jié)果、與理論模型最佳擬合的結(jié)果等方面進(jìn)行綜合的分析，以三坐標(biāo)的測量值為參考來驗(yàn)證照相測量、激光掃描測量的精度如下圖。為避免最佳擬合算法對多組數(shù)值的擬合偏差，本次對比選用工裝基準(zhǔn)孔坐標(biāo)對齊方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)論

照相測量對空間長度測量較為準(zhǔn)確，使用CIM3相機(jī)與測長機(jī)在414.542mm～2101.533mm等5個(gè)長度上做了比較，偏差最大0.019;4組與數(shù)模對比數(shù)據(jù)的最大偏差值詳見下表。

進(jìn)口相機(jī)三維測量偏差在8米范圍內(nèi)與測量機(jī)測量結(jié)果對比正差最大0.043mm、負(fù)差最大0.012mm，相機(jī)的測量精度符合設(shè)備標(biāo)稱的指標(biāo)，同時(shí)在軟件中，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)平差5次后，其RMS無明顯的降低。采用照相測量與三維激光掃描組合測量，三維測量偏差在7.5米范圍內(nèi)與測量機(jī)測量結(jié)果對比正偏差最大0.111mm、負(fù)偏差最大0.123，顯著提升了掃描精度。

4 結(jié)語

照相測量精度高、速度快、便攜性好，結(jié)合三維激光掃描，能夠以間距0.2mm的點(diǎn)云密度對大部件外形進(jìn)行測量，同時(shí)可快速地對飛機(jī)疑似尺寸故障處進(jìn)行診斷，為打通從設(shè)計(jì)、制造到裝配、測量的全數(shù)字流程起到了積極的作用，是接觸式測量的強(qiáng)力補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

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