基于光筆式三坐標的大型結構件視覺測量

林華釗

摘 要：經濟全球化的快速發展在極大程度上推動了我國現代制造業的不斷發展，同時也給大型結構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構件視覺測量的原理、具體的實施方法、應注意的事項等，以供同行業工程項目參考，進一步促進我國現在制造業的經濟及社會效益。

關鍵詞：光筆式 三坐標 大型結構件視覺測量

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，我國現代制造業得到了迅猛發展，對大型結構件的需求和要求也日益提高。大型結構件產品多采用傳統的π尺、電子經緯儀、超聲波、關節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，很難滿足大型結構件的測量要求。因此，光筆式三坐標的出現，以其可靠高效、能滿足復雜多變的生產需求、并且服務于現場，使大型結構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，進行關鍵數據采集對比，驗證大型結構件的實際加工結果，為下一步裝配試驗提供了數據基礎和過程支持。

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，尤其適合于大型結構件或三維空間點位、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構件待測面，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，亦即大型結構件表面上測頭接觸點的XYZ坐標。同樣方法測量大型結構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 分析大型結構件特征

由某公司研發的大型結構件設計圖，須保證PT1-PT8、DE1-DE9、DE11-DE13共20個關鍵的形狀和位置尺寸。大型結構件按主體鑄造、部件（五軸加工）、螺栓聯接、焊接加工后，每個關鍵位置預裝SKF高精度內球面軸承，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構件須在現場條件下進行測量，且形狀較大較復雜，傳統的固定式、關節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

光筆式三坐標測量系統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。通過在大型結構件的周圍（上、下、左、右、前、后）設定一定數量的定位及過渡標志點（圖3），來構建有效的參考坐標系，以便在同一參考坐標系中進行動態過渡的視覺測量。至此，視覺測量系統搭建完成。

3.3 采集現場行位數據

通過現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 輸出測量數據報告

數據采集完成后，將軟件計算結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，最后輸出測量數據報告（表1）。

4 總結評估

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，實現動態的視覺測量（只要標志點與大型結構件的相對位置不發生變化，大型結構件也可以自由移動），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值分別為0.042 mm及0.086 mm，具有較高的精度，符合大型結構件測量的要求。同時，測量精度的穩定，對環境因素（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、可快速實現擴展測量量程、對現場環境適應強等優點，已經成為大型結構件、工裝夾具安裝調試、模具等生產制造、變形監測、新車研發試制、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的新基準[J].航空制造技術，2009（3）：97.