吳 垠，李文定，沙學(xué)錄

（共享鑄鋼有限公司，寧夏 銀川 750021）

三維攝影測量技術(shù)，是利用相機(jī)、反光貼、編碼點(diǎn)、標(biāo)尺、計(jì)算機(jī)等設(shè)備將三維實(shí)物轉(zhuǎn)化為三維模型，通過在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析等操作，實(shí)現(xiàn)測量這一逆向工程。三維攝影測量技術(shù)已較為成熟，廣泛用于城市規(guī)劃、文物保護(hù)、城市道路設(shè)計(jì)、不動(dòng)產(chǎn)測量登記等領(lǐng)域，具備良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

水輪機(jī)的鑄件質(zhì)量和體積較大，并且其葉片的結(jié)構(gòu)形式較為特殊，在現(xiàn)場對葉片的尺寸進(jìn)行接觸式檢測存在困難，并且檢測效率不高，而利用三維攝影測量技術(shù)將三維實(shí)物轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云模型，再與標(biāo)準(zhǔn)模型比對，尺寸偏差一目了然，工作效率大大提升。

1 三維攝影測量技術(shù)

1.1 三維攝影測量技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展

三維攝影測量技術(shù)，是基于三維攝影測量系統(tǒng)，利用照相機(jī)技術(shù)來獲取物體某些特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)來進(jìn)行的一種測量方法，這種測量系統(tǒng)又被稱為近景攝影或照相定位測量系統(tǒng)。

三維攝影測量系統(tǒng)，在工業(yè)測量和工程測量方面一般稱為近景攝影測量。其經(jīng)歷了從模擬、解析到數(shù)字方法的變革，硬件也從膠片相機(jī)變革到數(shù)字式相機(jī)。三維攝影測量系統(tǒng)通過在不同的位置和角度獲取同一物體的多幅點(diǎn)云圖像，經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像匹配等處理過程以及相關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算后得到待測點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)。三維攝影測量具備精度高、非接觸式測量以及便攜等特點(diǎn)，此外它還具有全站儀、激光跟蹤儀等其他系統(tǒng)所不同的特點(diǎn)，測量現(xiàn)場工作量小、快速、高效，而且不易受溫度、氣候變化、振動(dòng)等外界因素的干擾。

三維攝影測量主要運(yùn)用于測量物體表面的編碼點(diǎn)與標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)，得到超大物體的三維空間坐標(biāo)；可對待測試件與CAD 設(shè)計(jì)圖紙、三維模型等進(jìn)行比對，提高檢測質(zhì)量；可測量出工件在不同受力狀態(tài)下及不同時(shí)期的變形等，可用于汽車、橋梁、飛機(jī)等的變形監(jiān)測。因此，三維攝影測量技術(shù)主要應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑工程、測繪工程等領(lǐng)域。

目前三維攝影測量技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展處于起步階段，應(yīng)結(jié)合鑄件測量方面不同的鑄件進(jìn)行對三維攝影測量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善，加強(qiáng)三維攝影測量技術(shù)的利用度，提高鑄件的檢測效率，促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展。三維攝影測量技術(shù)在鑄造中的發(fā)展和研究主要集中在高精度的相位計(jì)算、對應(yīng)點(diǎn)的查找算法、高速計(jì)算模型的建立等方面，在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括鑄件本身精度的檢測，在鑄造磨具的的尺寸檢測應(yīng)用以及砂芯尺寸檢測方面的應(yīng)用。三維攝影測量技術(shù)適于大尺寸、高精度、多曲面的鑄件尺寸檢測，如水電葉片及水電整鑄轉(zhuǎn)輪等設(shè)備的尺寸檢測，適用于礦山機(jī)械進(jìn)出料端端蓋、齒圈的檢測，汽輪機(jī)產(chǎn)品高中壓外缸的尺寸檢測。

1.2 三維攝影技術(shù)測量設(shè)備

三維攝影測量技術(shù)，采用的設(shè)備包括高倍數(shù)碼相機(jī)、編碼點(diǎn)、反光貼點(diǎn)、高精度測量標(biāo)尺、計(jì)算機(jī)及辰維MPS/S 單相機(jī)工業(yè)測量系統(tǒng)軟件等設(shè)備，如圖1 所示。

圖1 三維攝影測量設(shè)備

MPS/S 單相機(jī)工業(yè)測量系統(tǒng)適用于靜態(tài)目標(biāo)的高精度測量，能滿足大體積工業(yè)產(chǎn)品的外形尺寸檢測的精度需求；測量范圍在0.3 m 到數(shù)30 m 之間，一次測量可采集到數(shù)千萬點(diǎn)的三維坐標(biāo)；同時(shí)該測量系統(tǒng)與專用的保護(hù)罐相結(jié)合，可在高溫、低溫、有毒、真空等不宜于接觸式測量的環(huán)境下進(jìn)行測量。此外，整個(gè)系統(tǒng)可放置在一個(gè)旅行箱中，只需一人即可攜帶到測量現(xiàn)場。MPS/S 單相機(jī)工業(yè)測量系統(tǒng)可對大空間尺寸和形位公差進(jìn)行高精度檢測，測量精度可達(dá)0.01 mm.

1.3 三維攝影技術(shù)測量原理

三維攝影測量技術(shù)的測量原理和操作流程如下：

（1）將反光貼點(diǎn)貼在待測鑄件產(chǎn)品的某些特征部位，并布設(shè)編碼點(diǎn)，之后放置高精度比例尺；

（2）選擇合適的拍攝位置、拍攝距離和角度以高分辨率數(shù)碼相機(jī)獲取照片；

（3）利用攝影測量系統(tǒng)軟件計(jì)算出待測產(chǎn)品表面參考點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

三維攝影測量技術(shù)的測量原理如圖2 所示與人視覺的三維計(jì)算基本原理類似，即若在某一空間兩個(gè)或以上不同位置拍攝到同一特征點(diǎn)，那么該特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)可經(jīng)計(jì)算獲得。

圖2 三維攝影測量原理示意圖

2 混流式水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)特征

2.1 混流式水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)

混流式水輪機(jī)屬反擊式水輪機(jī)的一種，轉(zhuǎn)輪是混流式水輪機(jī)工作的核心部件，轉(zhuǎn)輪由上冠、葉片和下環(huán)組合形成堅(jiān)固的整體鋼性結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是組成水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中最重要的組成部分，具有將水勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的作用，其構(gòu)造面多為曲面，其中包括正面、背面、上冠面、下環(huán)面、進(jìn)水邊和出水邊。葉片的斷面形狀為翼形，轉(zhuǎn)輪中葉片數(shù)目的多少對水輪機(jī)的水力性能和強(qiáng)度具有顯著的影響。

圖3 渦流式水輪機(jī)葉片構(gòu)造圖

渦流式水輪機(jī)葉片為整體構(gòu)造，且各結(jié)構(gòu)面大多為曲面形狀，由于葉片所有結(jié)構(gòu)面均為曲面，構(gòu)成曲面的各特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)都不同，而平面結(jié)構(gòu)至少有兩點(diǎn)的一個(gè)坐標(biāo)值是相等的?；谌~片的這種特殊結(jié)構(gòu)，采用千分尺、游標(biāo)卡尺、卷尺等傳統(tǒng)的測量方法和工具無法滿足鑄件測量的精度和效率，因此需要采用非接觸式的三維攝影測量技術(shù)進(jìn)行測量，通過構(gòu)建的三維模型檢測設(shè)備來提高測量精度和測量效率。

2.2 混流式水輪機(jī)葉片標(biāo)準(zhǔn)模型

混流式水輪機(jī)葉片的標(biāo)準(zhǔn)模型是通過計(jì)算的IGS 數(shù)據(jù)文件和圖紙文件等進(jìn)行逆向還原，生成標(biāo)準(zhǔn)模型，如圖4 所示，為便于將葉片實(shí)物與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對，檢測二者的尺寸差異，確保葉片的鑄造質(zhì)量。水輪機(jī)葉片標(biāo)準(zhǔn)模型生成過程如下：

圖4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片模型圖

（1）UG 軟件建構(gòu)模型生成IGS 格式數(shù)模文件

UG 軟件是一種基于C 語言開發(fā)來實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品工程解決方案，可以在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工過程中提供數(shù)字化造型和驗(yàn)證方法，具備強(qiáng)大的功能，可以實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜實(shí)體或造型的構(gòu)建，并且具備強(qiáng)大先進(jìn)的渲染工具和可視化工具滿足產(chǎn)品的外觀審美要求。同時(shí)，UG 軟件還具備大量廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊，具備較強(qiáng)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和制圖功能，能夠設(shè)計(jì)造型復(fù)雜的葉片等產(chǎn)品。

（2）Polyworks 軟件將IGS 數(shù)模文件擬合生成標(biāo)準(zhǔn)模型

Polyworks 軟件是一套全面的軟件解決方案，可用于根據(jù)高密度點(diǎn)云建立精確而平滑的多邊形模型和NURBS 表面，并且能夠快速構(gòu)面。Polyworks 軟件主要應(yīng)用于逆向工程，如工業(yè)產(chǎn)品的3D 掃描、設(shè)計(jì)、檢測、數(shù)字化制造以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。Polyworks 軟件通過掃描葉片的原型以及點(diǎn)云來檢測葉片，可在制造過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差并予以解決，從而保證葉片生產(chǎn)制造的效率和質(zhì)量。

3 三維攝影測量混流式水輪機(jī)葉片的關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 三維攝影技術(shù)測量葉片過程

三維攝影測量葉片的操作過程如圖5 所示。

圖5 三維攝影測量過程

3.1.1 支墊

在測量前需要將鑄件進(jìn)行支墊，漏出足夠多的結(jié)構(gòu)面，便于測量，需要根據(jù)不同的葉片結(jié)構(gòu)、重量等選擇合適的支墊位置。

3.1.2 貼點(diǎn)

不同類型和型號的鑄件葉片，其形狀和體積等結(jié)構(gòu)特征不同，需要根據(jù)不同的鑄件結(jié)構(gòu)選擇合適的貼點(diǎn)位置和貼點(diǎn)數(shù)量。

3.1.3 布編碼點(diǎn)

不同的鑄件葉片具有不同的結(jié)構(gòu)特征，各結(jié)構(gòu)面的形狀也不盡相同，因此需要根據(jù)鑄件的具體特征在各結(jié)構(gòu)面內(nèi)合理布置編碼點(diǎn)，并在特殊位置增加編碼點(diǎn)保證每張照片至少有4 個(gè)編碼點(diǎn)。

3.1.4 設(shè)置相機(jī)

在運(yùn)用三維攝影測量技術(shù)獲取鑄件照片前需要對相機(jī)存儲(chǔ)卡的容量、相機(jī)電池電量等進(jìn)行檢查，并設(shè)置相機(jī)的曝光時(shí)間、閃光燈的同步時(shí)間和快門速度1/16.

3.1.5 照片拍攝

拍攝前結(jié)合不同的葉片結(jié)構(gòu)特征等提前規(guī)劃拍攝角度和距離保證距離在1 m～5 m 范圍，保證對葉片和基準(zhǔn)尺的拍攝距離和拍攝清晰度等。

3.1.6 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用MPS 工業(yè)測量系統(tǒng)等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，操作步驟大致為：打開MPS 工業(yè)攝影測量系統(tǒng)軟件，新建項(xiàng)目并導(dǎo)入照片、基準(zhǔn)尺。

3.1.7 模型擬合

利用Polyworks 軟件進(jìn)行葉片模型擬合，針對不同的鑄件葉片結(jié)構(gòu)特征尋求最佳的模型擬合結(jié)果。

3.1.8 鑄件標(biāo)識

對三維攝影測量值與規(guī)范允許值進(jìn)行比對，對三維攝影測量值超差部分將實(shí)測值進(jìn)行標(biāo)注以供返修，提高鑄件鑄造質(zhì)量。

3.1.9 出具報(bào)告

將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，根據(jù)鑄件尺寸檢測規(guī)范要求出具檢測報(bào)告，以便客戶進(jìn)行查驗(yàn)。

3.2 測量過程的關(guān)鍵性技術(shù)問題

采用三維攝影測量在混流式水輪機(jī)葉片尺寸檢測方面的應(yīng)用還不多，操作時(shí)需要注意以下關(guān)鍵性技術(shù)問題。

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片因?yàn)槠湫螤钐厥猓鶄€(gè)面均為曲面，傳統(tǒng)和接觸式的測量操作困難且測量誤差較大，因此需要通過新型和非接觸式的測量方法對水輪機(jī)葉片進(jìn)行尺寸檢測，確保操作精度和工作效率，而非接觸的測量方法目前應(yīng)用較廣的就是激光跟蹤儀、掃描儀及三維攝影測量，而三維攝影測量操作相對簡單，成本較低，并且能夠達(dá)到較高的測量精度和測量效率，測量結(jié)果如圖6 所示。所以推薦該類非接觸式測量方法完成對水輪機(jī)葉片的尺寸檢測。

圖6 三維攝影測量結(jié)果

結(jié)合三維攝影測量技術(shù)，在對葉片布設(shè)編碼點(diǎn)時(shí)應(yīng)結(jié)合不同的鑄件結(jié)構(gòu)特征從而選擇合理的位置和數(shù)量并對葉片轉(zhuǎn)角等部位增加編碼點(diǎn)數(shù)量及在特征不明顯部位貼標(biāo)記符號，確保所拍攝照片能夠盡量涵蓋整個(gè)葉片，減少檢測盲區(qū)。

由于混流式水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)造型特殊，在拍攝時(shí)需要結(jié)合不同的鑄件結(jié)構(gòu)特征從而選擇合理的拍攝距離和角度，并設(shè)置合理的基準(zhǔn)尺和標(biāo)尺參數(shù)，確保拍攝的照片清晰有效，并注意所拍攝照片的相互拼接，提升葉片尺寸檢測的有效性。

采用三維攝影測量技術(shù)，檢測效率大約是激光跟蹤儀測量效率的四倍，大約是激光掃描儀測量效率的二倍。激光跟蹤儀測量同樣的一個(gè)葉片需要8 h，掃描測量儀測量同樣的葉片需要4 h，而三維攝影測量技術(shù)僅需要2 h.

出具檢測報(bào)告時(shí)，應(yīng)既包括采用模型比對檢測出的尺寸偏差等問題，并出具詳細(xì)準(zhǔn)確的尺寸檢測報(bào)告單，方便顧客查看，比對結(jié)果見圖7 所示。

圖7 尺寸偏差比對結(jié)果

4 結(jié)語

通過三維攝影測量這種非接觸式測量方法，高效準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對混流式水輪機(jī)葉片的尺寸檢測，能夠滿足混流式水輪機(jī)葉片尺寸檢測的測量精度，并且操作效率較高，省時(shí)省力，有利于企業(yè)效益提升。