高速攝影系統(tǒng)在大型機(jī)械件運(yùn)動(dòng)軌跡的光學(xué)測(cè)量方法研究

大型機(jī)械件的運(yùn)動(dòng)軌跡研究是設(shè)計(jì)和控制大型機(jī)械件的必要步驟。針對(duì)大型機(jī)械件運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量問(wèn)題，分析了傳統(tǒng)測(cè)量方法存在的不足和局限性，提出了基于高速攝影系統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量方法，該方法具有非接觸、抗干擾、測(cè)量結(jié)果直觀可見(jiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，且可一次完成多目標(biāo)、多參數(shù)測(cè)量，同時(shí)給出了完整的測(cè)量方案。

【關(guān)鍵詞】大型機(jī)械件 運(yùn)動(dòng)軌跡 光測(cè)法

1 引言

伴隨著航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域在大型機(jī)械件設(shè)計(jì)和制造方面的快速發(fā)展，如何跟蹤這些大型機(jī)械件的運(yùn)動(dòng)軌跡以便于對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，大型機(jī)械件的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)非常快速的過(guò)程，同時(shí)呈現(xiàn)復(fù)雜的三維六自由度運(yùn)動(dòng)模式。光學(xué)測(cè)量方法具有非接觸、抗干擾、測(cè)量結(jié)果直觀可見(jiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，且可一次完成多目標(biāo)、多參數(shù)測(cè)量。因此，本文采用基于光學(xué)測(cè)量方法對(duì)大型機(jī)械件的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究。

2 使用位移傳感器測(cè)量方法及其存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的測(cè)量方法是通過(guò)在大型機(jī)械件表面安裝位移傳感器，位移傳感器采集到的信號(hào)再送往信號(hào)調(diào)理放大器，最后由數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集和處理分析。這種測(cè)量方式屬于直接測(cè)量，但由于大型機(jī)械件運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量的特殊性，使得這種測(cè)量方法存在如下問(wèn)題：

2.1 位移傳感器安裝不便，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性差

由于每次測(cè)量均需要重新對(duì)準(zhǔn)安裝位置，且安裝方法沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；

2.2 傳感器支架自身變形影響測(cè)量精度

位移傳感器需要安裝在固定支架上，才能完成測(cè)量，而當(dāng)大型機(jī)械件是通過(guò)受到外力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，那么支架在該外力的作用下自身產(chǎn)生變形，并將自身變形附加在測(cè)量結(jié)果中，從而影響測(cè)量結(jié)果；

2.3 位移傳感器難以跟蹤大型機(jī)械件的快速移動(dòng)

大型機(jī)械件的迅速移動(dòng)，導(dǎo)致支架和位移傳感器難以快速跟隨。

3 運(yùn)動(dòng)軌跡的光學(xué)測(cè)量

運(yùn)動(dòng)軌跡的光學(xué)測(cè)量方法是一種基于高速攝影和運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)的測(cè)量方法，它利用軌跡捕捉系統(tǒng)對(duì)大型機(jī)械件的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算，最終得出大型機(jī)械件上各測(cè)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.1 高速攝影及軌跡捕捉系統(tǒng)

高速攝影及軌跡捕捉系統(tǒng)是利用攝影手段對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)高速拍攝，并據(jù)此進(jìn)行軌跡捕捉和運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析的專用設(shè)備。其基本組成是：高速攝影機(jī)及其附件、控制分析計(jì)算機(jī)和軌跡捕捉系統(tǒng)軟件，各部分的作用如下：

3.1.1 高速攝影機(jī)及其附件

高速攝影機(jī)用于將研究對(duì)象以一連串圖像的方式連續(xù)記錄下來(lái)，并將其存貯在內(nèi)部存貯器中。高速攝影機(jī)的附件包括鏡頭、接線盒、燈具等，在拍攝時(shí)起著輔助作用。

3.1.2 控制和分析計(jì)算機(jī)

該計(jì)算機(jī)用于控制數(shù)字式高速攝影機(jī)設(shè)定拍攝參數(shù)，并完成拍攝和圖像下載、傳輸和轉(zhuǎn)換。同時(shí)，配合軌跡捕捉系統(tǒng)軟件，該計(jì)算機(jī)還可完成被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析。

3.1.3 軌跡捕捉系統(tǒng)軟件

該軟件是一種專業(yè)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，它根據(jù)高速攝影機(jī)的拍攝結(jié)果，利用圖像分析技術(shù)得到圖像上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，

3.2 運(yùn)動(dòng)軌跡光學(xué)測(cè)量的方法和步驟

利用高速攝影機(jī)和分析軟件可以捕捉到大型機(jī)械件的運(yùn)動(dòng)軌跡并分析得到其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移曲線s（t）（x（t）、y（t）、z（t））。由于單臺(tái)攝影機(jī)通常只能進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)測(cè)量，則要測(cè)量大型機(jī)械件質(zhì)心處的運(yùn)動(dòng)軌跡，高速攝影機(jī)必須沿大型機(jī)械件 軸向布置和拍攝。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的大型機(jī)械件通常是規(guī)則的機(jī)械體，因此也必須把用于測(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)布置在大型機(jī)械件的前后端面，并采用兩架攝影機(jī)分別從前后同步拍攝。

利用高速攝影方法測(cè)量側(cè)向位移的步驟如下：

第一步，粘貼目標(biāo)點(diǎn)。首先，在大型機(jī)械件前端面上布置1點(diǎn)、2點(diǎn)和O點(diǎn)，三點(diǎn)位于通過(guò)中心軸的水平線上；大型機(jī)械件后端面上布置3點(diǎn)、4點(diǎn)和P點(diǎn)，三點(diǎn)同樣位于通過(guò)中心軸的水平線上。其中，1點(diǎn)、2點(diǎn)、3點(diǎn)、4點(diǎn)位于端面兩側(cè)邊緣，O點(diǎn)、P點(diǎn)分別位于前后端面中心處。

第二步，拍攝分離過(guò)程。通過(guò)兩臺(tái)高速攝影機(jī)分別從前、后兩個(gè)方向同步拍攝，我們就可以得到整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前、后共6個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

第三步，長(zhǎng)度標(biāo)定。測(cè)量之前，利用1點(diǎn)、2點(diǎn)對(duì)前測(cè)量平面進(jìn)行長(zhǎng)度標(biāo)定，利用3點(diǎn)、4點(diǎn)對(duì)后測(cè)量平面進(jìn)行長(zhǎng)度標(biāo)定。

第四步，運(yùn)動(dòng)分析。通過(guò)軌跡捕捉系統(tǒng)軟件分析高速攝影機(jī)的拍攝結(jié)果，利用圖像分析技術(shù)得到前、后端面中心O點(diǎn)、P點(diǎn)的 x（t）、y（t）、z（t） 運(yùn)動(dòng)軌跡。

通過(guò)上述方法和步驟，僅得到了大型機(jī)械件前后兩端的運(yùn)動(dòng)軌跡，要得到大型機(jī)械件質(zhì)心處的運(yùn)動(dòng)軌跡，還需要根據(jù)大型機(jī)械件的外觀尺寸等參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)計(jì)算得來(lái)。

3.3 標(biāo)定方法的影響及排除方法

長(zhǎng)度標(biāo)定是高速攝影運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)和精度保證。由于大型機(jī)械件的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)三維六自由度運(yùn)動(dòng)模式。為此，在分析過(guò)程中，我們采取了動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法，即在每一幀數(shù)據(jù)中都使用位于同一平面內(nèi)的已知距離點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，解決了這一問(wèn)題。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大型機(jī)械件運(yùn)動(dòng)軌跡光學(xué)測(cè)量方法的研究和應(yīng)用，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）使用高速攝影運(yùn)動(dòng)分析方法是大型機(jī)械件運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量的有效方法，在采取措施消除一些客觀因素的影響后，可得到精度較好的測(cè)量結(jié)果。

（2）通過(guò)反復(fù)實(shí)踐和測(cè)試，證明這種方法具有較好的可實(shí)施性和重復(fù)性，并可同時(shí)測(cè)量大型機(jī)械件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中多個(gè)位置的側(cè)向位移。

（3）大型機(jī)械件運(yùn)動(dòng)軌跡光學(xué)測(cè)量方法也存在一定局限性，比如：在大型機(jī)械件為非規(guī)則機(jī)械體時(shí)，對(duì)標(biāo)定點(diǎn)位置的選取存在較大難度。目前，上述問(wèn)題已有更好的解決方案，但尚需進(jìn)行進(jìn)一步探索。

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作者簡(jiǎn)介

劉越（1988-），女，河南省周口市人。碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)供職于中航工業(yè)鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司彈射技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，主要從事試驗(yàn)與測(cè)試方向的研究。

周志衛(wèi)（1967-），男，河南省平輿縣人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)供職于中航工業(yè)鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司彈射技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，主要從事試驗(yàn)與測(cè)試方向的研究。

張建（1984-），男，四川省成都市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)供職于中航工業(yè)鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司彈射技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，主要從事試驗(yàn)與測(cè)試方向的研究。

作者單位

中航工業(yè)鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司彈射技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 河南省鄭州市 450000