基于結構光三維掃描技術的小尺寸軸同軸度精密測量方法研究

2019-08-13 13:44:35馬剛

科學導報·科學工程與電力 2019年26期

馬剛

【摘要】由于很多傳統的測量方式都存在不同程度的測量速度慢、測量數據準確度不高等問題，因此本文針對小尺寸軸同軸度的測量提出了一種基于結構光的三維掃描技術的精密測量方式。該測量方式主要是通過視頻圖像處理、圖像信息采集以及重構三維模型等技術來實現對軸類零件的掃描以及重建，同時還利用同軸誤差的計算系統以及點云數據的處理系統來計算并分析出同軸度的誤差。本文主要以一小尺寸軸作為本次研究對象對其進行相關測試。將其進行系統重復性測量后獲得的標準偏差在0.7μm，參考數據以同軸測量儀所測量出的徑向跳動數據為準，測量出的截面最大差值為8.2μm，最終的測量結果是滿足要求的，因此本文可以作為小尺寸軸類進行同軸度測量的一個參考。

【關鍵詞】小尺寸；精密測量；三維掃描

在加工過程中，軸類零件很容易由于材料出現熱應變、主軸與道具之間的受力不均、機床主軸的回轉出現不平衡等原因的影響，使其同軸度產生一定的誤差，這樣一來就會嚴重影響零件本身的配合精度，使配件之間的磨損更加嚴重，最終導致零件的使用壽命降低[1]。同軸誤差作為軸類零件形位公差的組成之一，其往往是不可避免的一種誤差。目前測量同軸度誤差的方式主要包括：激光準直法、三坐標測量儀法、同軸度測量儀器法、圓柱度測量儀法等。激光準直法的測量對象一般是大尺寸孔軸，采用的是高精度的非接觸式測量儀；圓柱度測量儀以及三坐標測量儀法的測量精度相對較高，但是測量速度卻相對較慢；同軸度測量儀器法一般是需要人工進行手動操作，因此這種方式很容易引入人工誤差，比較適合測量精度要求不高的零件。

目前來說，國內外對于改進同軸度的測量主要有兩個方面：其一是在原有測量方式的基礎上，通過一些改進方法將同軸度的測量誤差降低，比如說對圓柱度測量儀如何降低同軸誤差進行研究；其二是采用新型的測量方式，比如說基于圖像處理的測量方式。但是以上幾種方式均存在不同程度的測量精度低、測量時間長等不足之處，因此本文提出一種基于結構光的三維掃描技術的精密測量方式，并分析其有效性以及可行性。

一、結構光三維掃描的工作原理

基于結構光的三維掃描系統的組成部分包括圖像采集處理系統、結構光的發射以及接收系統等。其測量的工作原理為：將固定的結構光源投影在被測物體表面，并在物體表面發成反射和形變，通過配套的接收系統將物體的形變光圖像進行接收，再將系統事先設置好的參數通過圖像采集以及處理系統來構建出被測物體的空間三維模型[2]。由于進行一次的測量只能將物體的部分三維信息進行獲取，因此在測量前需要把系統進行定標，設置好特征參考點并將拼接靶標放置其中，對特征點坐標通過移動測量系統對其進行定位跟蹤，以此來獲得局部到全局測量坐標系之間的轉換關系，將坐標系進行統一。將拼接后的點云數據進行相關的剔除、曲面重構、網格化、拼接等處理過程，然后在被測軸上將多個橫截面的圓選取出來，再通過相關的圓心擬合計算方式計算出每一個截面圓的圓心所在，將兩端的截面圓圓心作為一個基準軸線，將被測軸的每一個軸線所對應的的同軸度計算出來，將計算出的最大值視為該零件的同軸度。

二、對小尺寸軸進行測量試驗

（一）試驗前準備

本文以2沖4碼的馬力船推進器掛機這一小尺寸標準件作為本次試驗對象，該零件的梯軸總共分3段。經過測量可知長度32mm，直徑13.00mm為軸1的尺寸，長度32mm，直徑14.9mm為軸2的尺寸，長度8mm，直徑10.9mm為軸3的尺寸，且每一段的同軸度都要求在50μm。采用本文研究系統對小尺寸軸進行掃描，掃描后將獲得的點云數據進行曲面重構，即可得到點云視圖，通過點云視圖得到每個截面的圓心值，將其進行基準軸線進行擬合處理，同時計算同軸度的誤差，最后采取相關的同軸度測量儀對其進行測量[3]。

（二）基于結構光三維掃描系統對小尺寸軸進行測量的方法

首先需要對各段軸進行分層，以每隔1.5mm為準截取一個截面。將第1段軸總共截取22個截面，將第2段軸總共截取4個截面（由于第2段軸有一部分圓是不規則的，因此計算時只選取前段比較完整的圓面），將第3段軸總共截取6個截面，三段軸總共截取了32個截面。分別對這些截面進行圓心擬合得到32個圓心。軸1和軸3的端點分別為點1和點32，將點1和點32的連接線即直線1作為該被測零件的基準軸線。將直線1作為該測量平面1的中垂線，由各個圓心點在平面1中的投影即可得到其投影分布圖，根據投影分布圖可以看出，各點在都以點1為中心在該平面呈散亂分布狀。經過相關計算可以得知各段的軸對基準的軸線同軸度，由計算結果可知，軸1的同軸度尺寸為27μm，軸2為18μm，軸3為37μm。重復對該被測小尺寸件進行10次測量后得出，0.7μm為其標準偏差值的最大值，是滿足實際要求的。

（三）基于徑向跳動對小尺寸軸進行測量的方法

以上述同樣小尺寸件為被測零件，基于徑向跳動測量法采用同軸度測量儀對其進行測量，將測量結果與結構光測量法進行對比[4]。經千分表檢定后，同軸度測量儀為合格，且測量范圍在0～5mm，具體的試驗操作步驟以及原理如下：

1.兩端圓柱的中間位置即中截面，在同軸度測量儀上放置基準輪廓要素的中截面。

2.對千分表進行調試，保證千分表的側頭充分與被測零件的外表面進行接觸，同時需要保證有1～2圈的壓縮量。

3.將被測工件勻速緩慢的轉動一圈，同時觀察百分表的指針波動情況，將最大讀數與最小讀數取差值，所得的差值即為該界面的同軸度誤差[5]。

4.繼續轉動被測工件，對多個不同界面按照上述方法進行測量，最后計算出各截面的最大讀數與最小讀數取差值的絕對值，該值即為該被測工件的同軸度誤差。

（四）數據分析

分截面進行分析，已知50μm為該被測工件的同軸度要求，將以上兩種方式測得的同軸度誤差進行對比可知，8.2μm為兩測量方法測量出的絕對值的最大差值，0.1μm為兩測量方法測量出的絕對值的最小差值，因此滿足該被測工件50μm的評判要求。

結語：

綜上所述，本文提出的基于結構光的三維掃描系統是由圖像采集處理系統、結構光的發射以及接收系統等組成的。通過對該測量系統進行試驗，結果表明其可實現對小尺寸軸類零件的進行同軸度誤差測量，且方法具有一定的可行性。

參考文獻：

[1]郝華東，施浩磊，吳澤南，等.基于結構光三維掃描技術的小尺寸軸同軸度精密測量方法研究[J].中國測試，2018，44（2）：36-40.