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

郝華東　施浩磊　吳澤南　洪輝

摘要：針對傳統測量方法存在的準確度不高、檢測速度慢等問題，該文提出一種基于結構光三維掃描技術的小尺寸軸類零件的同軸度精密測量方法。采用視頻圖像信息的采集、視頻圖像處理和三維模型重構等技術實現軸類零件掃描重建，運用點云數據處理系統和同軸度誤差計算系統獲取同軸度誤差。選取一小尺寸軸作為研究對象進行試驗，系統重復性測量的標準偏差為0.7μm，以同軸度測量儀測量的徑向跳動數據作為參考，截面最大差值為8.2μm，測量結果滿足要求。該文可為小尺寸軸類零件的同軸度檢測提供參考。

關鍵詞：結構光；三維掃描；小尺寸軸；同軸度；精密測量

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0036-05

0引言

軸類零件在加工過程中受到機床主軸回轉不平衡、刀具與主軸之間的受力不均勻、材料熱應變等諸多因素影響，產生同軸度誤差，影響軸類零件的配合精度，加劇互配件的磨損，最終導致其使用壽命降低。作為軸類零件重要的形位公差之一，同軸度誤差不可避免。同軸度誤差測量方法主要有同軸度測量儀器法、三坐標測量儀法、圓柱度測量儀法和激光準直法等。第1種方法需人工手動操作，會引入人為誤差，適用于對精度要求相對不高的情況；第2、3種方法精度相對較高，但測量速度較慢；第4種方法采用的是非接觸式的高精度測量儀，測量對象一般為大尺寸孔軸。

目前，國內外同軸度測量的發展趨勢主要分為兩方面：1）新的測量方法如基于圖像處理的同軸度測量方法：2）基于原有方法的改進來降低同軸度測量誤差，如對三坐標測量機測量同軸度誤差的研究等測。針對上述方法存在的測量效率低、精度差等諸多不足，本文提出一種基于結構光三維掃描技術小尺寸軸類零件的同軸度精度測量方法和系統，通過試驗分析驗證本文方法的可行性和有效性。

1結構光三維掃描原理

結構光三維掃描測量系統主要由結構光發射和接收系統、圖像采集及處理系統等構成（如圖1所示）。其測量原理是向被測物投射一種固定的結構光源，在被測物表面反射發生形變，通過接收系統接收形變光圖像，通過圖像采集及處理系統事先調制的光結構參數以獲取被測物的空間三維形態。由于一次測量只能獲得物體部分三維信息，在測量前進行系統定標，并放置拼接靶標進行特征參考點設置，通過移動測量系統并定位跟蹤特征點坐標，可以獲得局部測量坐標系到全局坐標系的轉換關系，實現坐標系的統一。對拼接后的三維點云數據進行拼接、剔除、網格化、曲面重構等過程，進而在被測軸上選取多個橫截面的圓，通過圓心擬合計算出各截面圓的圓心，以被測軸兩端軸截面圓的圓心作為基準軸線，計算被測軸各個軸線相對于基準軸線的同軸度，取其最大值作為該被測零件的同軸度。

2硬件設計

本系統硬件主要包括視頻圖像信息的采集、視頻圖像處理和三維模型重構3個部分。視頻圖像信息的采集是由硬件部分來完成的，該部分主要由CCD攝像機、接收器、數據采集器等硬件組成。

1）發射器：發射光信號單元，選用COMETL3D-5M800-12.5mm攝像頭。

2）接收器：采集光信號單元，選用COMETL3D-5M800-12.5mm攝像頭。

3）數據采集器：采樣參數，輸入上位機軟件。

4）三角平臺：用來控制發射和接收單元轉/移動。

5）前端通信接口：響應來自上位系統的控制命令，并對其進行解碼。組織采樣數據等原始數據，并打包發送到上位系統。

3軟件設計

軟件系統由點云數據處理系統、同軸度誤差計算系統兩部分組成。點云數據處理系統主要實現點云數據的拼接、約減、剔除、網格化、曲面擬合以及存儲管理等功能。同軸度誤差計算系統通過對被測軸類零件各個截面圓的圓心進行擬合，以基準軸線作為參考值，計算同軸度誤差。

3.1點云數據處理系統

由于被測物各部分形狀特征各不相同，為了達到所需的重構精度，應充分考慮被測物的幾何特征，所以結合自適應技術實現三維重構。完成測量后，得到被測物表面各點的三維坐標信息，利用這些數據點進行三維重構前，需要對坐標數據進行平滑、簡化和修補等處理工作。算法基本原理如下：根據點云模型表面的幾何復雜程度以及分布密度，自適應地選取中心點，并確定中心點作用半徑，使用局部二次曲面函數逼近對每個中心點。隱式曲面模型為

4小尺寸軸測量試驗

4.1試驗準備

以一小尺寸標準件（如圖2（a）所示）作為試驗對象，即為2沖4馬力船外機馬達發動機推進器掛機，分為3段階梯軸，測得軸1直徑為13.00mm，長度為32mm，軸2直徑為14.9mm，長度為33mm，軸3直徑為10.9mm，長度為8mm，各段同軸度要求為50μm。應用本文系統掃描小尺寸軸，對點云數據曲面重構處理后得到的點云視圖（如圖2（b）所示），得到各截面圓心值，擬合基準軸線并計算同軸度誤差，同時采用同軸度測量儀進行測量。

4.2小尺寸件基于結構光三維掃描方法試驗

對各段軸進行分層（如圖3所示），每隔1.5mm截取一個截面。如圖4所示，取第1段軸22個截面，第2段軸4個截面（因軸2有部分為不規則圓，所以只取前端完整圓面部分4個截面計算），第3段6個截面，總計32個截面分別進行圓心擬合，得到32個圓心。將軸1和軸3端點——點1和點32的連接線（即直線1）作為基準軸線。

以直線1作為平面1的中垂線，如圖5所示，為各圓心點在平面1中的投影分布圖，得到各點在該平面以點1為中心的散亂分布。圖6為各段軸對基準軸線的最大包容面，經過計算可得各段軸對基準軸線同軸度，其中軸1同軸度為27μm，軸2同軸度為18μm，軸3同軸度為37μm。對該小尺寸件重復測量10次，其圓心點坐標重復性試驗的標準偏差值最大值為0.7μm，滿足要求。

4.3小尺寸件基于徑向跳動測量法試驗

采用同軸度測量儀基于徑向跳動測量法對上述零件進行同軸度測量，與結構光三維掃描法測量結果進行比較。同軸度測量儀，經千分表檢定合格，測量范圍為0～5mm。試驗步驟和原理如下：

1）將被測零件基準輪廓要素的中截面（兩端圓柱的中間位置）放置在同軸度測量儀上。

2）調節千分表，使測頭與工件被測外表面接觸，并有1～2圈的壓縮量。

3）緩慢均勻轉動工件一周，觀察百分表指針的波動，取最大讀數與最小讀數的差值，為該截面的同軸度誤差。

4）轉動被測零件，按上述方法測量多個不同截面，取各截面測得的最大讀數與最小讀數差值中的最大值（絕對值）作為該零件的同軸度誤差。

4.4數據分析

以試驗1分段截面為參考，將上述兩類方法每個截面的相對基準軸線的同軸度誤差進行比較，得到圖7。從圖中可以得出，結構光三維掃描法和徑向跳動法之差絕對值最大為8.2μm（第9個截面），絕對值最小值為0.1μm（第23個截面）。其他截面差值大部分均在0～5μm之間，分析本系統可能存在系統性偏差。測量系統評判標準為：當測量標準高于或等于測量設備1/3準確度時滿足要求：△_max≤1/3MPE本設備檢測對象，已知該小尺寸標準件同軸度要求為50μm，兩者之差絕對值最高為8.2μm，滿足評判要求。通過這兩種方法比較可得，對該小尺寸件，本測量系統能夠滿足測量要求。

5結束語

本文提出一種基于結構光三維掃描技術的小尺寸軸類零件的同軸度精密測量方法，它將結構光掃描檢測系統、定位系統和數據處理系統相結合，測量系統通過結構光掃描被測軸類零件，得到其三維點云數據，通過軟件處理點云數據計算同軸度誤差，實現了小尺寸軸類零件同軸度誤差的測量。本文應用該測量系統對小尺寸件進行掃描試驗，試驗結果表明該方法的可行性。