拍照掃描測量技術(shù)在檢測弱剛性半框工件弧長中的應(yīng)用

郭國，解松，喻秀

天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 天津 300350

1 序言

某特殊用途的大直徑、弱剛性框環(huán)由兩個半框拼接而成，設(shè)計人員對框環(huán)的周長要求較高，在加工過程中需要嚴(yán)格控制單個半框的內(nèi)圓弧長，以保證拼接后所得整框的內(nèi)圓周長，半框工件實物如圖1所示。因半框內(nèi)圓弧長對框環(huán)的精度要求較高，設(shè)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(nèi)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(chǎn)生拉伸變形，所以為了得到弧長合格的產(chǎn)品，需要在滾彎加工后，測量其內(nèi)弧長，根據(jù)測量結(jié)果去掉多余長度，然后進(jìn)行檢驗，得到最終的產(chǎn)品。因此，產(chǎn)品滾彎后的準(zhǔn)確測量，是保證產(chǎn)品精度的關(guān)鍵。

半框截面相關(guān)尺寸如圖2所示。半框為細(xì)長結(jié)構(gòu)，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(tài)平放于平臺上，其圓度較差，無法采用常用的三坐標(biāo)測量機(jī)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(chǎn)環(huán)節(jié)采用傳統(tǒng)的對比樣板的方法進(jìn)行測量，會存在較大測量誤差，無法為生產(chǎn)提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致產(chǎn)品超差嚴(yán)重，影響后續(xù)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(yīng)用DPA+拍照式三維掃描測量技術(shù)，實現(xiàn)了大直徑、弱剛性半框弧長的測量。并經(jīng)過重復(fù)測量試驗，評定測量不確定度，驗證了測量方法的準(zhǔn)確性和有效性。

2 內(nèi)圓弧長檢測方法

目前，行業(yè)內(nèi)測量大直徑內(nèi)圓弧長的方法主要有3種：樣板輔助測量法、三坐標(biāo)擬合圓法以及三坐標(biāo)掃描測量法。現(xiàn)對這3種方法逐一進(jìn)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(tǒng)的弧長檢測方法，這種測量方法在定性的檢驗中應(yīng)用較多。其測量原理是將樣板和產(chǎn)品置于平臺上，將樣板的外弧面與產(chǎn)品的內(nèi)弧面進(jìn)行貼合，產(chǎn)品與樣板的首端對齊，采用輔助夾具夾緊，使用游標(biāo)卡尺或者樣板自帶的刻度測量二者尾端的長度差。根據(jù)樣板的長度和二者的長度差，換算得到半框的內(nèi)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(xù)使用環(huán)節(jié)中，產(chǎn)品的精度難以滿足使用功能，返修率較高。

2.2 三坐標(biāo)擬合圓法

目前，行業(yè)內(nèi)多使用三坐標(biāo)測量機(jī)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(jìn)行裝夾定位；通過使用三坐標(biāo)測量機(jī)在內(nèi)弧面上均布采集數(shù)據(jù)點，將數(shù)據(jù)通過算法進(jìn)行擬合圓，得到內(nèi)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(yè)中應(yīng)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(yīng)用于大直徑、弱剛性半框弧長的檢測。

2.3 三坐標(biāo)掃描測量法

三坐標(biāo)掃描測量法是一種特殊的測量方法，測量原理為：掃描前設(shè)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(nèi)弧面，掃描完成后利用掃描獲得的總點數(shù)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(guī)產(chǎn)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(biāo)測量機(jī)因?qū)嶋H掃描路徑與理論設(shè)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(yīng)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(shù)與拍照掃描技術(shù)相結(jié)合的方法測量半框內(nèi)弧長，并進(jìn)行了重復(fù)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(xué)拍照定位技術(shù)和光柵原理，獲得工件表面的點云數(shù)據(jù)。在測量時，光柵投影特定編碼的結(jié)構(gòu)光到被測物體上，光柵條紋受到物體表面形狀的調(diào)制，其相位關(guān)系會發(fā)生變化，然后經(jīng)過數(shù)字圖像處理，并對圖像進(jìn)行相位計算，利用三角形測量原理和匹配技術(shù)，算出視區(qū)內(nèi)像素點的坐標(biāo)，形成一批點云數(shù)據(jù)。拍照掃描之前，需要在工件表面粘貼指定規(guī)格的標(biāo)記點，輔助軟件將多批點云數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)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(jī)進(jìn)行測量，則理論上整體累計誤差到達(dá)0.31mm，檢測誤差較大。

針對上述問題，采用D PA測量技術(shù)與拍照掃描技術(shù)相結(jié)合的方法。DPA測量技術(shù)是一種高精度的數(shù)碼攝影測量技術(shù)，利用工業(yè)級數(shù)碼相機(jī)實現(xiàn)對空間點的高精度定位，D PA測量系統(tǒng)的精度為（23+7L）μm（L為產(chǎn)品長度，單位為m）。

DPA測量技術(shù)與拍照掃描技術(shù)相結(jié)合，即先利用高精度的DPA測量系統(tǒng)對半框（標(biāo)記點）進(jìn)行整體高精度定位，獲取標(biāo)記點模型。然后使用拍照測量機(jī)進(jìn)行掃描，獲取半框的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。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(nèi)，檢測精度有了大幅提升。

3.2 獲得半框標(biāo)記點模型

為了確保測量的準(zhǔn)確性，需要對測量環(huán)境進(jìn)行控制。在整個測量過程中，測量條件均滿足：測量室內(nèi)氣溫18～22℃，濕度45%～55%，且現(xiàn)場無振動、無強(qiáng)光干擾。

測量之前，先進(jìn)行準(zhǔn)備工作。首先將半框置于高精度的平臺上，確保半框內(nèi)弧面與底面垂直。在被測框環(huán)上粘貼標(biāo)記點，控制相鄰兩標(biāo)記點的間距在100mm以內(nèi)。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(nèi)，兩個比例尺應(yīng)避免平行放置，如圖3所示。其中，標(biāo)記點是內(nèi)圓為3mm的標(biāo)準(zhǔn)件，用于標(biāo)記和定位；編碼點用于輔助點位；比例尺是兩條標(biāo)準(zhǔn)長度的桿，用于尺寸的校準(zhǔn)。

圖3 準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作完成后，利用DPA相機(jī)進(jìn)行拍照，獲取標(biāo)記點、編碼點和比例尺照片信息，將照片導(dǎo)入OPTOCAT測量軟件中，通過處理，去掉編碼點和無效雜點，形成標(biāo)記點模型，如圖4所示。標(biāo)記點模型是由標(biāo)記點構(gòu)成的數(shù)據(jù)點組合，用于拍照測量機(jī)測量過程中相鄰兩幅畫面的拼接。

圖4 標(biāo)記點模型

3.3 獲得半框工程模型

使用拍照測量機(jī)對半框內(nèi)弧面進(jìn)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(fā)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(jìn)行補(bǔ)洞、重塑、光順等處理，最終得到半框內(nèi)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(nèi)型面工程模型

3.4 獲取弧長數(shù)據(jù)

將半框工程模型導(dǎo)入Polyworks軟件中，通過提取相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建半框底面，并以底面為基準(zhǔn)，建立單軸坐標(biāo)系，圓心設(shè)置在底面上，如圖7所示。

圖7 建立坐標(biāo)系

按照設(shè)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(zhǔn)，創(chuàng)建距離底面為10mm的平行面，該平面與半框工程模型內(nèi)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(nèi)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(fù)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(huán)境因素，因試驗環(huán)境為三坐標(biāo)檢測室，為恒溫恒濕環(huán)境，且產(chǎn)品置于6m×6m的三坐標(biāo)配套的鑄鐵平臺上，沒有振動，所以本文對環(huán)境因素不作考慮。

（1）測量重復(fù)性引入的測量不確定度評定 使用DPA+拍照測量機(jī)對該半框工件進(jìn)行了6次測量，每次測量的測量方法一致。評定對應(yīng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，測量結(jié)果見表1。

表1 測量結(jié)果

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

（2）設(shè)備不準(zhǔn)確引入的不確定度評定 設(shè)備的不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定的分量按照B類方法評定。DPA+拍照測量機(jī)示值誤差范圍為（23+7L）μm，產(chǎn)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(kuò)展不確定度評定 取置信概率P=95%，k=2。則擴(kuò)展不確定度U＝k uc＝2×0.052m m＝0.104mm。

評定結(jié)果U＝0.1 0 4 m m，小于設(shè)計要求的0.3mm，滿足檢測要求。

5 結(jié)束語

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