保曉璐 石亞茹

摘要：為了提高大型曲面模具的測(cè)量精度和檢測(cè)效率，結(jié)合工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)以及大型曲面模具的特點(diǎn)，利用工業(yè)攝影相機(jī)拍攝多幅圖像，對(duì)大型曲面模具的面輪廓度進(jìn)行非接觸式測(cè)量?？焖俑咝У牟杉粶y(cè)目標(biāo)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法和檢測(cè)設(shè)備儀器相比，有效的提高了檢測(cè)效率。

關(guān)鍵詞：攝影測(cè)量;模具;面輪廓度;精密測(cè)量

1.引言

科技的發(fā)展和進(jìn)步，帶領(lǐng)制造業(yè)也走向數(shù)字化、智能化，機(jī)械加工的產(chǎn)品形狀越來越復(fù)雜，對(duì)精度的要求也與日俱增。如汽車、飛機(jī)等行業(yè)大量使用外形精度要求很高的中大型曲面工件，而這些中大型曲面工件的外形尺寸需要依靠模具來保證，如何更高效、精確的測(cè)量這些高精度加工出來的模具的面輪廓度，也成了技術(shù)上的一大難點(diǎn)。傳統(tǒng)的常規(guī)量具，比如游標(biāo)卡尺、千分尺、卷尺、外形樣板等，由于被測(cè)產(chǎn)品的復(fù)雜性及精度要求，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)今的檢測(cè)要求。同時(shí)，在數(shù)字化制造的大背景下，數(shù)字化測(cè)量設(shè)備也日益普及，廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域的包括CMM三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，三維激光掃描儀，激光跟蹤儀，三維掃描儀等。本文所使用的工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)不會(huì)影響被測(cè)物體的自然狀態(tài)，可以瞬間獲取被測(cè)物體的幾何外形信息，快速、準(zhǔn)確的得到被測(cè)物體的三維空間點(diǎn)云模型，在大型工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備等外形幾何尺寸的測(cè)量方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

2.工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理及優(yōu)勢(shì)

2.1工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理

工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量是建立在數(shù)字成像圖像處理的基礎(chǔ)上，本質(zhì)上是攝影幾何中的中心透視投影過程。滿足中心投影的共線方程：

工業(yè)攝影測(cè)量所使用的單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)，是基于目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量，在繼承了傳統(tǒng)攝影測(cè)量的理論基礎(chǔ)原理和算法上，利用結(jié)構(gòu)感光及計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)從多個(gè)不同的角度拍攝圖像，應(yīng)用V-STARS系統(tǒng)對(duì)照片進(jìn)行自動(dòng)拼接、匹配，使用相機(jī)成像參數(shù)不同姿態(tài)下的數(shù)據(jù)求解各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)X，Y，Z值，再利用V-STARS系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)差、優(yōu)化，提高檢測(cè)結(jié)果的精度。

2.2工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

工業(yè)攝影測(cè)量與傳統(tǒng)的幾何測(cè)量方法不同。傳統(tǒng)的常規(guī)測(cè)量方法已形成規(guī)范的操作規(guī)程，而目前標(biāo)準(zhǔn)化、流程化的工業(yè)攝影測(cè)量規(guī)范并未形成，因此影響了其在大范圍內(nèi)的應(yīng)用。目前應(yīng)用范圍最廣的CMM三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有高精度，通用性好等特點(diǎn)，但CMM三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)測(cè)量的環(huán)境溫度要求高，而且設(shè)備固定，無法移動(dòng)，對(duì)被測(cè)物體的尺寸與重量也有限制，對(duì)于本文所提到的大型曲面模具存在測(cè)量盲區(qū)。而工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)經(jīng)過數(shù)余年的發(fā)展，隨著傳感器及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在相機(jī)設(shè)備、軟件系統(tǒng)等方面不斷的完善和成熟，具有高精度、高效率、操作簡便、便于移動(dòng)、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。也可以與激光跟蹤儀，三維掃描儀結(jié)合使用，提高檢測(cè)精度。并且工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)避免了接觸式的測(cè)量方法，使用數(shù)碼相機(jī)采集被測(cè)產(chǎn)品表面特征點(diǎn)的空間位置，合成產(chǎn)品的三維點(diǎn)云模型，在數(shù)據(jù)處理及逆向建模功能的應(yīng)用上也有優(yōu)勢(shì)。

3.測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程

3.1測(cè)量準(zhǔn)備

測(cè)量前需要對(duì)被測(cè)模具表面進(jìn)行清理，避免模具表面污漬影響編碼點(diǎn)的粘貼及后續(xù)的數(shù)據(jù)精度。

在工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)中，物體的三維空間坐標(biāo)信息只能依靠拍攝的二維照片中的點(diǎn)位信息重建才能得到，而攝影測(cè)量的相機(jī)只能識(shí)別特定的反光標(biāo)志，因此，需要在被測(cè)模具的表面人工布設(shè)帶有唯一編碼信息的編碼點(diǎn)，在用相機(jī)拍攝的過程中，拍攝光線照射在反光標(biāo)志上發(fā)生反射，在V-STARS系統(tǒng)內(nèi)識(shí)別形成空間位置信息。并且所選用的編碼點(diǎn)上的反光標(biāo)志與被測(cè)模具的大小比例應(yīng)盡量大于1/500，結(jié)合本次測(cè)量選用的長9米，寬1.3米的拉伸模具，選取反光標(biāo)志直徑為6mm的編碼點(diǎn)和反光標(biāo)志單點(diǎn)，在模具型面上間隔150mm至200mm粘貼一個(gè)反光標(biāo)志單點(diǎn)，約500mm的間距粘貼一個(gè)編碼點(diǎn)，并在重點(diǎn)測(cè)量區(qū)域增加編碼點(diǎn)和反光標(biāo)志單點(diǎn)的數(shù)量以保證測(cè)量精度。根據(jù)模具上基準(zhǔn)孔大小選擇靶標(biāo)點(diǎn)，緊貼合型面不可有間隙。同時(shí)因?yàn)檎障喃@得的三維點(diǎn)云模型尺寸與模具真實(shí)大小之間不是完全相同，而是等比例縮放關(guān)系，相差一個(gè)比例系數(shù)，需要通過增加基準(zhǔn)尺來還原真實(shí)尺寸，基準(zhǔn)尺的長度應(yīng)盡量與被測(cè)模具的最大尺寸相當(dāng)，在本次測(cè)量中，在模具長寬方向分別擺放兩根測(cè)量基準(zhǔn)尺，各個(gè)基準(zhǔn)尺之間也可以進(jìn)行互相校準(zhǔn)，從而可以有效避免基準(zhǔn)尺本身帶來的誤差，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

3.2拍攝照片

本次測(cè)量選用的進(jìn)口INCA3相機(jī)，標(biāo)稱精度為5μm+5μm/米，。在拍照時(shí)保證光線強(qiáng)度適中，不宜太亮也不宜太暗，并設(shè)置合適的曝光強(qiáng)度和相機(jī)快門時(shí)間，使相機(jī)保持與模具適當(dāng)?shù)木嚯x，保證每張照片至少有4個(gè)編碼點(diǎn)，12個(gè)反光標(biāo)志單點(diǎn)，確保編碼點(diǎn)集能夠采集完整。同時(shí)為了提高測(cè)量的精度，采用分區(qū)域環(huán)形拍攝的方法，對(duì)每塊區(qū)域進(jìn)行多方位多角度的拍攝，并保證每塊區(qū)域間有重合部分，重疊區(qū)域的編碼點(diǎn)大于4個(gè)，便于后續(xù)照片進(jìn)行拼接，以保證三維點(diǎn)云坐標(biāo)結(jié)果的完整和準(zhǔn)確度，在保證照相測(cè)量效率的前提下，客觀、真實(shí)、精確的反應(yīng)模具外形輪廓尺寸信息。

3.3數(shù)據(jù)處理

將拍攝的照片在V-STARS系統(tǒng)中進(jìn)行自動(dòng)拼接，優(yōu)化評(píng)差，得到模具的三維點(diǎn)云模型，刪除多余無效的雜點(diǎn)，得到拍攝的照片拼接形成的三維點(diǎn)云模型在V-STARS軟件中顯示為圖1，可以看出人工布設(shè)的每個(gè)編碼點(diǎn)及反光標(biāo)志點(diǎn)形成被測(cè)量模具的型面位置，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橄鄼C(jī)拍攝的不同機(jī)位，兩根黃色的線為放置的基準(zhǔn)尺。

導(dǎo)出三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在SA軟件中進(jìn)行分析處理。通過模具上設(shè)置的靶標(biāo)點(diǎn)建立坐標(biāo)系，與數(shù)模中的原始坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合比對(duì)，判斷被測(cè)特征點(diǎn)與數(shù)模理論值的偏離狀態(tài)，分析數(shù)據(jù)得到圖2的測(cè)量報(bào)告。可以看出，本次測(cè)量共采集模具型面上有效的測(cè)量點(diǎn)共243個(gè)，公差區(qū)間設(shè)置為-0.2mm到+0.1mm，可以得出，在公差要求范圍內(nèi)共199個(gè)測(cè)量點(diǎn)，占全部測(cè)量數(shù)據(jù)的81.9%，在公差范圍外共44個(gè)測(cè)量點(diǎn)，占全部測(cè)量數(shù)據(jù)的18.1%，且最大正向誤差為0.07mm，最大負(fù)向誤差為-0.45mm。

4.結(jié)語

隨著數(shù)字化和制造技術(shù)在不斷發(fā)展，數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)是制造發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵。工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)作為一種新型高精度的測(cè)量設(shè)備，對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的外形尺寸檢測(cè)起著重要的監(jiān)控作用。在本次大型曲面模具的面輪廓度檢測(cè)中，利用工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量，在保證了測(cè)量精度的同時(shí)，提高了檢測(cè)效率，技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]王之卓.攝影測(cè)量原理.北京：測(cè)繪出版社，1979

[2]鄧文怡，呂乃光，巫建坤.測(cè)量工件三維曲面的工業(yè)視覺測(cè)量系統(tǒng)[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào).1999，27（1）：81-83

[3]張祖勛，張劍清.廣義點(diǎn)攝影測(cè)量及其應(yīng)用.武漢大學(xué)學(xué)報(bào).2005，30（1）

[4]冉險(xiǎn)生，林立，黃澤好.近景攝影測(cè)量在三維數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2013（3）：106-10.