拍照掃描測(cè)量技術(shù)在檢測(cè)弱剛性半框工件弧長(zhǎng)中的應(yīng)用

郭國(guó)，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(gè)半框拼接而成，設(shè)計(jì)人員對(duì)框環(huán)的周長(zhǎng)要求較高，在加工過(guò)程中需要嚴(yán)格控制單個(gè)半框的內(nèi)圓弧長(zhǎng)，以保證拼接后所得整框的內(nèi)圓周長(zhǎng)，半框工件實(shí)物如圖1所示。因半框內(nèi)圓弧長(zhǎng)對(duì)框環(huán)的精度要求較高，設(shè)計(jì)人員要求半框的弧長(zhǎng)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(guò)程會(huì)使工件產(chǎn)生拉伸變形，所以為了得到弧長(zhǎng)合格的產(chǎn)品，需要在滾彎加工后，測(cè)量其內(nèi)弧長(zhǎng)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果去掉多余長(zhǎng)度，然后進(jìn)行檢驗(yàn)，得到最終的產(chǎn)品。因此，產(chǎn)品滾彎后的準(zhǔn)確測(cè)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?yàn)榧?xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其截面為L(zhǎng)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(tái)上，其圓度較差，無(wú)法采用常用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)擬合圓，通過(guò)半徑和圓心角推算的方法測(cè)量其弧長(zhǎng)。目前，該生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用傳統(tǒng)的對(duì)比樣板的方法進(jìn)行測(cè)量，會(huì)存在較大測(cè)量誤差，無(wú)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(duì)上述問(wèn)題，我們通過(guò)探索與試驗(yàn)，應(yīng)用DPA+拍照式三維掃描測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大直徑、弱剛性半框弧長(zhǎng)的測(cè)量。并經(jīng)過(guò)重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)，評(píng)定測(cè)量不確定度，驗(yàn)證了測(cè)量方法的準(zhǔn)確性和有效性。

2 內(nèi)圓弧長(zhǎng)檢測(cè)方法

目前，行業(yè)內(nèi)測(cè)量大直徑內(nèi)圓弧長(zhǎng)的方法主要有3種：樣板輔助測(cè)量法、三坐標(biāo)擬合圓法以及三坐標(biāo)掃描測(cè)量法?，F(xiàn)對(duì)這3種方法逐一進(jìn)行介紹。

2.1 樣板輔助測(cè)量法

樣板輔助測(cè)量法是一種較為傳統(tǒng)的弧長(zhǎng)檢測(cè)方法，這種測(cè)量方法在定性的檢驗(yàn)中應(yīng)用較多。其測(cè)量原理是將樣板和產(chǎn)品置于平臺(tái)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(duì)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(cè)量二者尾端的長(zhǎng)度差。根據(jù)樣板的長(zhǎng)度和二者的長(zhǎng)度差，換算得到半框的內(nèi)弧長(zhǎng)。這種測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單、操作方便，但是在實(shí)際使用過(guò)程中，檢測(cè)精度不高。測(cè)量過(guò)程主要包含了以下檢測(cè)誤差：樣板自身弧長(zhǎng)存在誤差；半框與工件首端存在對(duì)齊誤差；二者貼合不緊引入的誤差；尾端的測(cè)量誤差。目前，采用這種測(cè)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(cè)量機(jī)檢測(cè)弧長(zhǎng)，使用的測(cè)量方法為擬合圓法。其原理為：將弧形工件平置于平臺(tái)上并進(jìn)行裝夾定位；通過(guò)使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在內(nèi)弧面上均布采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)通過(guò)算法進(jìn)行擬合圓，得到內(nèi)弧圓心位置和半徑值；通過(guò)探測(cè)工件首尾兩端的端面，獲取工件的圓心角；利用測(cè)量得到的半徑值和圓心角計(jì)算弧長(zhǎng)。這種測(cè)量方法對(duì)于圓度較好的工件，檢測(cè)精度較高，且原理簡(jiǎn)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(zhǎng)存在較大的偏差，所以該測(cè)量方法無(wú)法應(yīng)用于大直徑、弱剛性半框弧長(zhǎng)的檢測(cè)。

2.3 三坐標(biāo)掃描測(cè)量法

三坐標(biāo)掃描測(cè)量法是一種特殊的測(cè)量方法，測(cè)量原理為：掃描前設(shè)置掃描路徑（圓）和掃描點(diǎn)間隔（μm級(jí)），使用接觸式掃描測(cè)針高密度自動(dòng)掃描工件的內(nèi)弧面，掃描完成后利用掃描獲得的總點(diǎn)數(shù)和掃描間隔計(jì)算半框弧長(zhǎng)。這種測(cè)量方法精度較高，可以滿足常規(guī)產(chǎn)品的測(cè)量需求。但是半框圓度較差，在掃描半框的過(guò)程中，三坐標(biāo)測(cè)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(bào)錯(cuò)，無(wú)法完成對(duì)工件的掃描。因而，該測(cè)量方法也無(wú)法應(yīng)用于大直徑、弱剛性半框弧長(zhǎng)的檢測(cè)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

本文通過(guò)探索，嘗試使用DPA測(cè)量技術(shù)與拍照掃描技術(shù)相結(jié)合的方法測(cè)量半框內(nèi)弧長(zhǎng)，并進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)。

3.1 測(cè)量原理

拍照式三維掃描儀是將光源投影到被測(cè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。在測(cè)量時(shí)，光柵投影特定編碼的結(jié)構(gòu)光到被測(cè)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(huì)發(fā)生變化，然后經(jīng)過(guò)數(shù)字圖像處理，并對(duì)圖像進(jìn)行相位計(jì)算，利用三角形測(cè)量原理和匹配技術(shù)，算出視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，形成一批點(diǎn)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(diǎn)，輔助軟件將多批點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，最終形成完整的點(diǎn)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(jì)算理論弧長(zhǎng)為7866.55mm。若直接采用拍照測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量，則理論上整體累計(jì)誤差到達(dá)0.31mm，檢測(cè)誤差較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，采用D PA測(cè)量技術(shù)與拍照掃描技術(shù)相結(jié)合的方法。DPA測(cè)量技術(shù)是一種高精度的數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)，利用工業(yè)級(jí)數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間點(diǎn)的高精度定位，D PA測(cè)量系統(tǒng)的精度為（23+7L）μm（L為產(chǎn)品長(zhǎng)度，單位為m）。

DPA測(cè)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(cè)量系統(tǒng)對(duì)半框（標(biāo)記點(diǎn)）進(jìn)行整體高精度定位，獲取標(biāo)記點(diǎn)模型。然后使用拍照測(cè)量機(jī)進(jìn)行掃描，獲取半框的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。這種測(cè)量方法理論上可以將測(cè)量累計(jì)誤差控制在0.08mm以內(nèi)，檢測(cè)精度有了大幅提升。

3.2 獲得半框標(biāo)記點(diǎn)模型

為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要對(duì)測(cè)量環(huán)境進(jìn)行控制。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量條件均滿足：測(cè)量室內(nèi)氣溫18～22℃，濕度45%～55%，且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)振動(dòng)、無(wú)強(qiáng)光干擾。

測(cè)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(tái)上，確保半框內(nèi)弧面與底面垂直。在被測(cè)框環(huán)上粘貼標(biāo)記點(diǎn)，控制相鄰兩標(biāo)記點(diǎn)的間距在100mm以內(nèi)。然后在工件周?chē)贾镁幋a點(diǎn)和比例尺，要求編碼點(diǎn)的間隔在500mm以內(nèi)，兩個(gè)比例尺應(yīng)避免平行放置，如圖3所示。其中，標(biāo)記點(diǎn)是內(nèi)圓為3mm的標(biāo)準(zhǔn)件，用于標(biāo)記和定位；編碼點(diǎn)用于輔助點(diǎn)位；比例尺是兩條標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)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(diǎn)、編碼點(diǎn)和比例尺照片信息，將照片導(dǎo)入OPTOCAT測(cè)量軟件中，通過(guò)處理，去掉編碼點(diǎn)和無(wú)效雜點(diǎn)，形成標(biāo)記點(diǎn)模型，如圖4所示。標(biāo)記點(diǎn)模型是由標(biāo)記點(diǎn)構(gòu)成的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合，用于拍照測(cè)量機(jī)測(cè)量過(guò)程中相鄰兩幅畫(huà)面的拼接。

圖4 標(biāo)記點(diǎn)模型

3.3 獲得半框工程模型

使用拍照測(cè)量機(jī)對(duì)半框內(nèi)弧面進(jìn)行逐段拍照掃描（見(jiàn)圖5），在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，半框的位置不能發(fā)生移動(dòng)。整個(gè)工件拍照掃描完成后，使用軟件將所掃描的畫(huà)面拼接合成，并對(duì)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(zhǎng)數(shù)據(jù)

將半框工程模型導(dǎo)入Polyworks軟件中，通過(guò)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(jì)要求，需評(píng)價(jià)距離底面高度為10mm處的半框弧長(zhǎng)。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(píng)價(jià)該弧的長(zhǎng)度，即為被測(cè)內(nèi)弧長(zhǎng)。

圖8 提取弧線示意

4 測(cè)量不確定度分析

通過(guò)分析，該測(cè)量方法的測(cè)量不確定度的來(lái)源主要包括兩個(gè)方面：測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度u1、掃描測(cè)量?jī)x精度引入的不確定度u2。

對(duì)于溫度、濕度和振動(dòng)等環(huán)境因素，因試驗(yàn)環(huán)境為三坐標(biāo)檢測(cè)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(tái)上，沒(méi)有振動(dòng)，所以本文對(duì)環(huán)境因素不作考慮。

（1）測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度評(píng)定 使用DPA+拍照測(cè)量機(jī)對(duì)該半框工件進(jìn)行了6次測(cè)量，每次測(cè)量的測(cè)量方法一致。評(píng)定對(duì)應(yīng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量結(jié)果

測(cè)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(píng)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(lèi)方法評(píng)定。DPA+拍照測(cè)量機(jī)示值誤差范圍為（23+7L）μm，產(chǎn)品長(zhǎng)度按照7.87m計(jì)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(píng)定 合成不確定度uc＝（u12＋u22）1/2＝0.052mm。（4）擴(kuò)展不確定度評(píng)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(píng)定結(jié)果U＝0.1 0 4 m m，小于設(shè)計(jì)要求的0.3mm，滿足檢測(cè)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

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