三維攝影測量技術在混流式水輪機葉片尺寸檢測中的應用

吳 垠，李文定，沙學錄

（共享鑄鋼有限公司，寧夏 銀川 750021）

三維攝影測量技術，是利用相機、反光貼、編碼點、標尺、計算機等設備將三維實物轉(zhuǎn)化為三維模型，通過在計算機上進行分析等操作，實現(xiàn)測量這一逆向工程。三維攝影測量技術已較為成熟，廣泛用于城市規(guī)劃、文物保護、城市道路設計、不動產(chǎn)測量登記等領域，具備良好的應用和發(fā)展前景。

水輪機的鑄件質(zhì)量和體積較大，并且其葉片的結構形式較為特殊，在現(xiàn)場對葉片的尺寸進行接觸式檢測存在困難，并且檢測效率不高，而利用三維攝影測量技術將三維實物轉(zhuǎn)換為點云模型，再與標準模型比對，尺寸偏差一目了然，工作效率大大提升。

1 三維攝影測量技術

1.1 三維攝影測量技術特點及發(fā)展

三維攝影測量技術，是基于三維攝影測量系統(tǒng)，利用照相機技術來獲取物體某些特征點的三維坐標來進行的一種測量方法，這種測量系統(tǒng)又被稱為近景攝影或照相定位測量系統(tǒng)。

三維攝影測量系統(tǒng)，在工業(yè)測量和工程測量方面一般稱為近景攝影測量。其經(jīng)歷了從模擬、解析到數(shù)字方法的變革，硬件也從膠片相機變革到數(shù)字式相機。三維攝影測量系統(tǒng)通過在不同的位置和角度獲取同一物體的多幅點云圖像，經(jīng)過計算機圖像匹配等處理過程以及相關的數(shù)學計算后得到待測點的精確三維坐標。三維攝影測量具備精度高、非接觸式測量以及便攜等特點，此外它還具有全站儀、激光跟蹤儀等其他系統(tǒng)所不同的特點，測量現(xiàn)場工作量小、快速、高效，而且不易受溫度、氣候變化、振動等外界因素的干擾。

三維攝影測量主要運用于測量物體表面的編碼點與標志點的三維坐標，得到超大物體的三維空間坐標；可對待測試件與CAD 設計圖紙、三維模型等進行比對，提高檢測質(zhì)量；可測量出工件在不同受力狀態(tài)下及不同時期的變形等，可用于汽車、橋梁、飛機等的變形監(jiān)測。因此，三維攝影測量技術主要應用于機械制造、建筑工程、測繪工程等領域。

目前三維攝影測量技術在國內(nèi)發(fā)展處于起步階段，應結合鑄件測量方面不同的鑄件進行對三維攝影測量技術進行改進和完善，加強三維攝影測量技術的利用度，提高鑄件的檢測效率，促進生產(chǎn)力發(fā)展。三維攝影測量技術在鑄造中的發(fā)展和研究主要集中在高精度的相位計算、對應點的查找算法、高速計算模型的建立等方面，在鑄造領域的應用主要包括鑄件本身精度的檢測，在鑄造磨具的的尺寸檢測應用以及砂芯尺寸檢測方面的應用。三維攝影測量技術適于大尺寸、高精度、多曲面的鑄件尺寸檢測，如水電葉片及水電整鑄轉(zhuǎn)輪等設備的尺寸檢測，適用于礦山機械進出料端端蓋、齒圈的檢測，汽輪機產(chǎn)品高中壓外缸的尺寸檢測。

1.2 三維攝影技術測量設備

三維攝影測量技術，采用的設備包括高倍數(shù)碼相機、編碼點、反光貼點、高精度測量標尺、計算機及辰維MPS/S 單相機工業(yè)測量系統(tǒng)軟件等設備，如圖1 所示。

圖1 三維攝影測量設備

MPS/S 單相機工業(yè)測量系統(tǒng)適用于靜態(tài)目標的高精度測量，能滿足大體積工業(yè)產(chǎn)品的外形尺寸檢測的精度需求；測量范圍在0.3 m 到數(shù)30 m 之間，一次測量可采集到數(shù)千萬點的三維坐標；同時該測量系統(tǒng)與專用的保護罐相結合，可在高溫、低溫、有毒、真空等不宜于接觸式測量的環(huán)境下進行測量。此外，整個系統(tǒng)可放置在一個旅行箱中，只需一人即可攜帶到測量現(xiàn)場。MPS/S 單相機工業(yè)測量系統(tǒng)可對大空間尺寸和形位公差進行高精度檢測，測量精度可達0.01 mm.

1.3 三維攝影技術測量原理

三維攝影測量技術的測量原理和操作流程如下：

（1）將反光貼點貼在待測鑄件產(chǎn)品的某些特征部位，并布設編碼點，之后放置高精度比例尺；

（2）選擇合適的拍攝位置、拍攝距離和角度以高分辨率數(shù)碼相機獲取照片；

（3）利用攝影測量系統(tǒng)軟件計算出待測產(chǎn)品表面參考點的三維坐標。

三維攝影測量技術的測量原理如圖2 所示與人視覺的三維計算基本原理類似，即若在某一空間兩個或以上不同位置拍攝到同一特征點，那么該特征點的三維坐標可經(jīng)計算獲得。

圖2 三維攝影測量原理示意圖

2 混流式水輪機葉片結構特征

2.1 混流式水輪機葉片結構

混流式水輪機屬反擊式水輪機的一種，轉(zhuǎn)輪是混流式水輪機工作的核心部件，轉(zhuǎn)輪由上冠、葉片和下環(huán)組合形成堅固的整體鋼性結構，如圖3 所示。水輪機轉(zhuǎn)輪葉片是組成水輪機轉(zhuǎn)輪中最重要的組成部分，具有將水勢能轉(zhuǎn)換為機械能的作用，其構造面多為曲面，其中包括正面、背面、上冠面、下環(huán)面、進水邊和出水邊。葉片的斷面形狀為翼形，轉(zhuǎn)輪中葉片數(shù)目的多少對水輪機的水力性能和強度具有顯著的影響。

圖3 渦流式水輪機葉片構造圖

渦流式水輪機葉片為整體構造，且各結構面大多為曲面形狀，由于葉片所有結構面均為曲面，構成曲面的各特征點的三維坐標都不同，而平面結構至少有兩點的一個坐標值是相等的。基于葉片的這種特殊結構，采用千分尺、游標卡尺、卷尺等傳統(tǒng)的測量方法和工具無法滿足鑄件測量的精度和效率，因此需要采用非接觸式的三維攝影測量技術進行測量，通過構建的三維模型檢測設備來提高測量精度和測量效率。

2.2 混流式水輪機葉片標準模型

混流式水輪機葉片的標準模型是通過計算的IGS 數(shù)據(jù)文件和圖紙文件等進行逆向還原，生成標準模型，如圖4 所示，為便于將葉片實物與標準模型進行比對，檢測二者的尺寸差異，確保葉片的鑄造質(zhì)量。水輪機葉片標準模型生成過程如下：

圖4 水輪機轉(zhuǎn)輪葉片模型圖

（1）UG 軟件建構模型生成IGS 格式數(shù)模文件

UG 軟件是一種基于C 語言開發(fā)來實現(xiàn)的產(chǎn)品工程解決方案，可以在工業(yè)產(chǎn)品設計和加工過程中提供數(shù)字化造型和驗證方法，具備強大的功能，可以實現(xiàn)各類復雜實體或造型的構建，并且具備強大先進的渲染工具和可視化工具滿足產(chǎn)品的外觀審美要求。同時，UG 軟件還具備大量廣泛的產(chǎn)品設計應用模塊，具備較強的機械設計能力和制圖功能，能夠設計造型復雜的葉片等產(chǎn)品。

（2）Polyworks 軟件將IGS 數(shù)模文件擬合生成標準模型

Polyworks 軟件是一套全面的軟件解決方案，可用于根據(jù)高密度點云建立精確而平滑的多邊形模型和NURBS 表面，并且能夠快速構面。Polyworks 軟件主要應用于逆向工程，如工業(yè)產(chǎn)品的3D 掃描、設計、檢測、數(shù)字化制造以及醫(yī)學等領域。Polyworks 軟件通過掃描葉片的原型以及點云來檢測葉片，可在制造過程中及時發(fā)現(xiàn)偏差并予以解決，從而保證葉片生產(chǎn)制造的效率和質(zhì)量。

3 三維攝影測量混流式水輪機葉片的關鍵技術問題

3.1 三維攝影技術測量葉片過程

三維攝影測量葉片的操作過程如圖5 所示。

圖5 三維攝影測量過程

3.1.1 支墊

在測量前需要將鑄件進行支墊，漏出足夠多的結構面，便于測量，需要根據(jù)不同的葉片結構、重量等選擇合適的支墊位置。

3.1.2 貼點

不同類型和型號的鑄件葉片，其形狀和體積等結構特征不同，需要根據(jù)不同的鑄件結構選擇合適的貼點位置和貼點數(shù)量。

3.1.3 布編碼點

不同的鑄件葉片具有不同的結構特征，各結構面的形狀也不盡相同，因此需要根據(jù)鑄件的具體特征在各結構面內(nèi)合理布置編碼點，并在特殊位置增加編碼點保證每張照片至少有4 個編碼點。

3.1.4 設置相機

在運用三維攝影測量技術獲取鑄件照片前需要對相機存儲卡的容量、相機電池電量等進行檢查，并設置相機的曝光時間、閃光燈的同步時間和快門速度1/16.

3.1.5 照片拍攝

拍攝前結合不同的葉片結構特征等提前規(guī)劃拍攝角度和距離保證距離在1 m～5 m 范圍，保證對葉片和基準尺的拍攝距離和拍攝清晰度等。

3.1.6 數(shù)據(jù)處理

運用MPS 工業(yè)測量系統(tǒng)等軟件進行數(shù)據(jù)處理，操作步驟大致為：打開MPS 工業(yè)攝影測量系統(tǒng)軟件，新建項目并導入照片、基準尺。

3.1.7 模型擬合

利用Polyworks 軟件進行葉片模型擬合，針對不同的鑄件葉片結構特征尋求最佳的模型擬合結果。

3.1.8 鑄件標識

對三維攝影測量值與規(guī)范允許值進行比對，對三維攝影測量值超差部分將實測值進行標注以供返修，提高鑄件鑄造質(zhì)量。

3.1.9 出具報告

將檢測數(shù)據(jù)進行整合，根據(jù)鑄件尺寸檢測規(guī)范要求出具檢測報告，以便客戶進行查驗。

3.2 測量過程的關鍵性技術問題

采用三維攝影測量在混流式水輪機葉片尺寸檢測方面的應用還不多，操作時需要注意以下關鍵性技術問題。

混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片因為其形狀特殊，六個面均為曲面，傳統(tǒng)和接觸式的測量操作困難且測量誤差較大，因此需要通過新型和非接觸式的測量方法對水輪機葉片進行尺寸檢測，確保操作精度和工作效率，而非接觸的測量方法目前應用較廣的就是激光跟蹤儀、掃描儀及三維攝影測量，而三維攝影測量操作相對簡單，成本較低，并且能夠達到較高的測量精度和測量效率，測量結果如圖6 所示。所以推薦該類非接觸式測量方法完成對水輪機葉片的尺寸檢測。

圖6 三維攝影測量結果

結合三維攝影測量技術，在對葉片布設編碼點時應結合不同的鑄件結構特征從而選擇合理的位置和數(shù)量并對葉片轉(zhuǎn)角等部位增加編碼點數(shù)量及在特征不明顯部位貼標記符號，確保所拍攝照片能夠盡量涵蓋整個葉片，減少檢測盲區(qū)。

由于混流式水輪機葉片結構造型特殊，在拍攝時需要結合不同的鑄件結構特征從而選擇合理的拍攝距離和角度，并設置合理的基準尺和標尺參數(shù)，確保拍攝的照片清晰有效，并注意所拍攝照片的相互拼接，提升葉片尺寸檢測的有效性。

采用三維攝影測量技術，檢測效率大約是激光跟蹤儀測量效率的四倍，大約是激光掃描儀測量效率的二倍。激光跟蹤儀測量同樣的一個葉片需要8 h，掃描測量儀測量同樣的葉片需要4 h，而三維攝影測量技術僅需要2 h.

出具檢測報告時，應既包括采用模型比對檢測出的尺寸偏差等問題，并出具詳細準確的尺寸檢測報告單，方便顧客查看，比對結果見圖7 所示。

圖7 尺寸偏差比對結果

4 結語

通過三維攝影測量這種非接觸式測量方法，高效準確地實現(xiàn)對混流式水輪機葉片的尺寸檢測，能夠滿足混流式水輪機葉片尺寸檢測的測量精度，并且操作效率較高，省時省力，有利于企業(yè)效益提升。