基于光筆式三坐標的大型結(jié)構(gòu)件視覺測量

林華釗

摘 要：經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展在極大程度上推動了我國現(xiàn)代制造業(yè)的不斷發(fā)展，同時也給大型結(jié)構(gòu)件提出了更高的要求。該文主要研究基于光筆式三坐標的大型結(jié)構(gòu)件視覺測量的原理、具體的實施方法、應注意的事項等，以供同行業(yè)工程項目參考，進一步促進我國現(xiàn)在制造業(yè)的經(jīng)濟及社會效益。

關鍵詞：光筆式 三坐標 大型結(jié)構(gòu)件視覺測量

中圖分類號：TB12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0066-03

1 項目背景

“十二五”以來，我國現(xiàn)代制造業(yè)得到了迅猛發(fā)展，對大型結(jié)構(gòu)件的需求和要求也日益提高。大型結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品多采用傳統(tǒng)的π尺、電子經(jīng)緯儀、超聲波、關節(jié)臂式三坐標等測量方法，由于存在受限制條件多、精度差、檢測效率低等諸多問題，很難滿足大型結(jié)構(gòu)件的測量要求。因此，光筆式三坐標的出現(xiàn)，以其可靠高效、能滿足復雜多變的生產(chǎn)需求、并且服務于現(xiàn)場，使大型結(jié)構(gòu)件的測量朝著更為方便、高精度的方向又邁進了一大步。該項目通過使用光筆式三坐標，進行關鍵數(shù)據(jù)采集對比，驗證大型結(jié)構(gòu)件的實際加工結(jié)果，為下一步裝配試驗提供了數(shù)據(jù)基礎和過程支持。

2 視覺測量原理

光筆式三坐標使用視覺測量技術（又稱為數(shù)字近景攝影測量技術），是一種立體視覺測量技術，具有在線、實時三維測量的能力，尤其適合于大型結(jié)構(gòu)件或三維空間點位、尺寸和輪廓的檢測。

該項目使用的光筆式三坐標為加拿大CREAFORM公司生產(chǎn)的HandyPROBE光筆，并與C-Track780雙攝像頭傳感器配合視覺測量，光筆式三坐標的視覺測量示意圖及測量簡圖見圖1、圖2。

光筆式三坐標主要由一支測量用的光筆、一架用來追蹤光筆方位和姿態(tài)的雙攝像頭傳感器和一臺裝有VXelements軟件的工作站（計算機）所組成。在光筆的筆身上，裝有9個標志點（回光反射點），以及一個專用于接觸式測量的紅寶石球形測頭。

在進行測量的時候，紅寶石球形測頭接觸大型結(jié)構(gòu)件待測面，雙攝像頭傳感器自動識別光筆身上的9個標志點圖像，工作站通過軟件進行圖像處理，得到標志點的像面坐標，進而由特定模型算法解算出測頭中心的XYZ坐標，亦即大型結(jié)構(gòu)件表面上測頭接觸點的XYZ坐標。同樣方法測量大型結(jié)構(gòu)件待測面上其他點的坐標，利用這些點的XYZ坐標，就可以擬合被測元素以及評價測量元素的尺寸、形狀和位置等誤差項目。

3 實施方法

3.1 分析大型結(jié)構(gòu)件特征

由某公司研發(fā)的大型結(jié)構(gòu)件設計圖，須保證PT1-PT8、DE1-DE9、DE11-DE13共20個關鍵的形狀和位置尺寸。大型結(jié)構(gòu)件按主體鑄造、部件（五軸加工）、螺栓聯(lián)接、焊接加工后，每個關鍵位置預裝SKF高精度內(nèi)球面軸承，各軸承安裝完成后實際中心位置應符合設計圖位置度要求。

分析圖紙得關鍵位置實際測量范圍約為：長3.25 m、寬2.6 m、高1.6 m。軸承安裝完成后的結(jié)構(gòu)件須在現(xiàn)場條件下進行測量，且形狀較大較復雜，傳統(tǒng)的固定式、關節(jié)臂式三坐標均受到限制。因此，測量方案最終選用光筆式三坐標進行視覺測量，對各軸承中心進行位置度測量。

3.2 搭建視覺測量系統(tǒng)

光筆式三坐標測量系統(tǒng)的搭建分為硬件連接與標志點設定兩大部分。硬件連接是按照設備要求將電源、控制器、電纜、雙攝像頭傳感器、三腳架進行組裝。通過在大型結(jié)構(gòu)件的周圍（上、下、左、右、前、后）設定一定數(shù)量的定位及過渡標志點（圖3），來構(gòu)建有效的參考坐標系，以便在同一參考坐標系中進行動態(tài)過渡的視覺測量。至此，視覺測量系統(tǒng)搭建完成。

3.3 采集現(xiàn)場行位數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場操作光筆式三坐標對基準元素等進行視覺測量（圖4），得到基準元素在參考坐標系中的XYZ坐標。根據(jù)測量要求使用Metrolog軟件計算，通過迭代法將基準元素擬合為工作坐標系，依次采集PT1-PT8、DE1-DE9、DE11-DE13的形狀和位置尺寸。

3.4 輸出測量數(shù)據(jù)報告

數(shù)據(jù)采集完成后，將軟件計算結(jié)果與設計要求進行比對，此次測量的尺寸及位置度均在公差范圍內(nèi)，最后輸出測量數(shù)據(jù)報告（表1）。

4 總結(jié)評估

4.1 高柔性、高效率

當定位及過渡標志點設定及參考坐標系建立完畢，就可以自由地移動雙攝像頭傳感器，實現(xiàn)動態(tài)的視覺測量（只要標志點與大型結(jié)構(gòu)件的相對位置不發(fā)生變化，大型結(jié)構(gòu)件也可以自由移動），大大縮短了項目測量的時間。

4.2 高精度

測量前首先要測試光筆式三坐標的不確定度，使用單點及距離重復性的方法驗證數(shù)值分別為0.042 mm及0.086 mm，具有較高的精度，符合大型結(jié)構(gòu)件測量的要求。同時，測量精度的穩(wěn)定，對環(huán)境因素（溫度、濕度、光源等）和操作者的技能熟練度有一定的要求。

總之，使用視覺測量技術的光筆式三坐標由于其容易攜帶、測量精度高、可快速實現(xiàn)擴展測量量程、對現(xiàn)場環(huán)境適應強等優(yōu)點，已經(jīng)成為大型結(jié)構(gòu)件、工裝夾具安裝調(diào)試、模具等生產(chǎn)制造、變形監(jiān)測、新車研發(fā)試制、車間在線測量的重要測量手段。

參考文獻

[1] 彭凱.光筆三坐標視覺測量系統(tǒng)關鍵技術的研究[D].天津：天津大學，2004.

[2] 唐志豪.基于雙目立體視覺的測量技術研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2006.

[3] 邁卓諾公司.邁卓諾光筆測量儀：樹立了便攜式大尺寸坐標測量系統(tǒng)的新基準[J].航空制造技術，2009（3）：97.