拍照掃描測量技術在檢測弱剛性半框工件弧長中的應用

郭國，解松，喻秀

天津輕工職業技術學院機械工程學院 天津 300350

1 序言

某特殊用途的大直徑、弱剛性框環由兩個半框拼接而成，設計人員對框環的周長要求較高，在加工過程中需要嚴格控制單個半框的內圓弧長，以保證拼接后所得整框的內圓周長，半框工件實物如圖1所示。因半框內圓弧長對框環的精度要求較高，設計人員要求半框的弧長公差為±0.3mm。

圖1 半框工件

該半框的內型面是理論半徑為2504mm的圓柱面，工件尺寸較大，且厚度較薄，是一種大直徑、弱剛性的工件。該半框由滾彎加工而成，由于滾彎加工過程會使工件產生拉伸變形，所以為了得到弧長合格的產品，需要在滾彎加工后，測量其內弧長，根據測量結果去掉多余長度，然后進行檢驗，得到最終的產品。因此，產品滾彎后的準確測量，是保證產品精度的關鍵。

半框截面相關尺寸如圖2所示。半框為細長結構，其截面為L形，寬度為46mm，高度為75mm，最大厚度不足8mm，剛性較弱。將半框自由狀態平放于平臺上，其圓度較差，無法采用常用的三坐標測量機擬合圓，通過半徑和圓心角推算的方法測量其弧長。目前，該生產環節采用傳統的對比樣板的方法進行測量，會存在較大測量誤差，無法為生產提供準確有效的數據，導致產品超差嚴重，影響后續的使用功能。

圖2 半框截面尺寸

針對上述問題，我們通過探索與試驗，應用DPA+拍照式三維掃描測量技術，實現了大直徑、弱剛性半框弧長的測量。并經過重復測量試驗，評定測量不確定度，驗證了測量方法的準確性和有效性。

2 內圓弧長檢測方法

目前，行業內測量大直徑內圓弧長的方法主要有3種：樣板輔助測量法、三坐標擬合圓法以及三坐標掃描測量法。現對這3種方法逐一進行介紹。

2.1 樣板輔助測量法

樣板輔助測量法是一種較為傳統的弧長檢測方法，這種測量方法在定性的檢驗中應用較多。其測量原理是將樣板和產品置于平臺上，將樣板的外弧面與產品的內弧面進行貼合，產品與樣板的首端對齊，采用輔助夾具夾緊，使用游標卡尺或者樣板自帶的刻度測量二者尾端的長度差。根據樣板的長度和二者的長度差，換算得到半框的內弧長。這種測量方法原理簡單、操作方便，但是在實際使用過程中，檢測精度不高。測量過程主要包含了以下檢測誤差：樣板自身弧長存在誤差；半框與工件首端存在對齊誤差；二者貼合不緊引入的誤差；尾端的測量誤差。目前，采用這種測量方法的半框，在后續使用環節中，產品的精度難以滿足使用功能，返修率較高。

2.2 三坐標擬合圓法

目前，行業內多使用三坐標測量機檢測弧長，使用的測量方法為擬合圓法。其原理為：將弧形工件平置于平臺上并進行裝夾定位；通過使用三坐標測量機在內弧面上均布采集數據點，將數據通過算法進行擬合圓，得到內弧圓心位置和半徑值；通過探測工件首尾兩端的端面，獲取工件的圓心角；利用測量得到的半徑值和圓心角計算弧長。這種測量方法對于圓度較好的工件，檢測精度較高，且原理簡單、操作方便，在行業中應用較廣。因本文所研究的半框工件剛性較弱，圓度誤差較大，采用擬合得到圓的半徑推算弧長存在較大的偏差，所以該測量方法無法應用于大直徑、弱剛性半框弧長的檢測。

2.3 三坐標掃描測量法

三坐標掃描測量法是一種特殊的測量方法，測量原理為：掃描前設置掃描路徑（圓）和掃描點間隔（μm級），使用接觸式掃描測針高密度自動掃描工件的內弧面，掃描完成后利用掃描獲得的總點數和掃描間隔計算半框弧長。這種測量方法精度較高，可以滿足常規產品的測量需求。但是半框圓度較差，在掃描半框的過程中，三坐標測量機因實際掃描路徑與理論設置的掃描路徑偏差太大，頻繁報錯，無法完成對工件的掃描。因而，該測量方法也無法應用于大直徑、弱剛性半框弧長的檢測。

3 試驗過程

本文通過探索，嘗試使用DPA測量技術與拍照掃描技術相結合的方法測量半框內弧長，并進行了重復測量試驗。

3.1 測量原理

拍照式三維掃描儀是將光源投影到被測量物體的表面上，利用光學拍照定位技術和光柵原理，獲得工件表面的點云數據。在測量時，光柵投影特定編碼的結構光到被測物體上，光柵條紋受到物體表面形狀的調制，其相位關系會發生變化，然后經過數字圖像處理，并對圖像進行相位計算，利用三角形測量原理和匹配技術，算出視區內像素點的坐標，形成一批點云數據。拍照掃描之前，需要在工件表面粘貼指定規格的標記點，輔助軟件將多批點云數據進行拼接，最終形成完整的點云模型。

本文所使用的三維掃描儀為高精度白光拍照式三維掃描儀，其精度參數為0.02mm/500mm。半框理論半徑為2504mm，計算理論弧長為7866.55mm。若直接采用拍照測量機進行測量，則理論上整體累計誤差到達0.31mm，檢測誤差較大。

針對上述問題，采用D PA測量技術與拍照掃描技術相結合的方法。DPA測量技術是一種高精度的數碼攝影測量技術，利用工業級數碼相機實現對空間點的高精度定位，D PA測量系統的精度為（23+7L）μm（L為產品長度，單位為m）。

DPA測量技術與拍照掃描技術相結合，即先利用高精度的DPA測量系統對半框（標記點）進行整體高精度定位，獲取標記點模型。然后使用拍照測量機進行掃描，獲取半框的細節數據。這種測量方法理論上可以將測量累計誤差控制在0.08mm以內，檢測精度有了大幅提升。

3.2 獲得半框標記點模型

為了確保測量的準確性，需要對測量環境進行控制。在整個測量過程中，測量條件均滿足：測量室內氣溫18～22℃，濕度45%～55%，且現場無振動、無強光干擾。

測量之前，先進行準備工作。首先將半框置于高精度的平臺上，確保半框內弧面與底面垂直。在被測框環上粘貼標記點，控制相鄰兩標記點的間距在100mm以內。然后在工件周圍布置編碼點和比例尺，要求編碼點的間隔在500mm以內，兩個比例尺應避免平行放置，如圖3所示。其中，標記點是內圓為3mm的標準件，用于標記和定位；編碼點用于輔助點位；比例尺是兩條標準長度的桿，用于尺寸的校準。

圖3 準備工作

準備工作完成后，利用DPA相機進行拍照，獲取標記點、編碼點和比例尺照片信息，將照片導入OPTOCAT測量軟件中，通過處理，去掉編碼點和無效雜點，形成標記點模型，如圖4所示。標記點模型是由標記點構成的數據點組合，用于拍照測量機測量過程中相鄰兩幅畫面的拼接。

圖4 標記點模型

3.3 獲得半框工程模型

使用拍照測量機對半框內弧面進行逐段拍照掃描（見圖5），在整個測量過程中，半框的位置不能發生移動。整個工件拍照掃描完成后，使用軟件將所掃描的畫面拼接合成，并對局部小范圍的缺陷進行補洞、重塑、光順等處理，最終得到半框內型面的工程模型，如圖6所示。

圖5 逐段拍照掃描

圖6 半框內型面工程模型

3.4 獲取弧長數據

將半框工程模型導入Polyworks軟件中，通過提取相關數據，構建半框底面，并以底面為基準，建立單軸坐標系，圓心設置在底面上，如圖7所示。

圖7 建立坐標系

按照設計要求，需評價距離底面高度為10mm處的半框弧長。本文以底面為基準，創建距離底面為10mm的平行面，該平面與半框工程模型內弧面的交線即為所要的弧線，如圖8所示。使用軟件評價該弧的長度，即為被測內弧長。

圖8 提取弧線示意

4 測量不確定度分析

通過分析，該測量方法的測量不確定度的來源主要包括兩個方面：測量重復性引入的測量不確定度u1、掃描測量儀精度引入的不確定度u2。

對于溫度、濕度和振動等環境因素，因試驗環境為三坐標檢測室，為恒溫恒濕環境，且產品置于6m×6m的三坐標配套的鑄鐵平臺上，沒有振動，所以本文對環境因素不作考慮。

（1）測量重復性引入的測量不確定度評定 使用DPA+拍照測量機對該半框工件進行了6次測量，每次測量的測量方法一致。評定對應的均值和標準差，測量結果見表1。

表1 測量結果

測量不確定度u1＝σ/n1/2＝0.063/61/2m m＝0.026mm。

（2）設備不準確引入的不確定度評定 設備的不確定度引入的標準不確定的分量按照B類方法評定。DPA+拍照測量機示值誤差范圍為（23+7L）μm，產品長度按照7.87m計算，按照均勻分布，則不確定度u2＝（0.023+0.007×7.87）/31/2mm＝0.045mm。

（3）合成不確定度評定 合成不確定度uc＝（u12＋u22）1/2＝0.052mm。（4）擴展不確定度評定 取置信概率P=95%，k=2。則擴展不確定度U＝k uc＝2×0.052m m＝0.104mm。

評定結果U＝0.1 0 4 m m，小于設計要求的0.3mm，滿足檢測要求。

5 結束語

本文介紹了一種使用DPA+拍照掃描測量技術檢測大直徑、弱剛性半框內弧長的方法，并進行了6次重復測量試驗。通過分析和計算，最終得到擴展不確定度為0.104mm（k=2），滿足產品的測量要求，驗證了該方法的有效性，為精密測量技術人員測量同類產品提供了一種有效、可靠的解決方案。