十三陵電廠可逆式水輪發(fā)電機(jī)組鏡板三維視覺檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案研究

潘春強(qiáng)，劉偉，許旭輝，許紅義

（國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

0 引言

在對可逆式水輪發(fā)電機(jī)組鏡板進(jìn)行三維測量時(shí)，會(huì)遇到采樣布點(diǎn)方式存在差異性、數(shù)據(jù)評定方法參差不齊、測量儀器精度不高等問題，制約了可逆式水輪發(fā)電機(jī)組鏡板平面度的獲取，成為了水輪機(jī)組檢修測量的一大難題[1]。假如可逆式水電機(jī)組鏡板平面度測量得到的精準(zhǔn)度不高，那么可逆式水輪放電機(jī)推力瓦的使用壽命和溫升情況、大軸擺動(dòng)的穩(wěn)定性、油膜的平穩(wěn)性等均會(huì)受到干擾，不利于整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，本文將以十三陵電廠可逆式水輪發(fā)電機(jī)組鏡板為研究對象，運(yùn)用了數(shù)字近景攝影測量技術(shù)，給出了鏡板三維視覺檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，明確了標(biāo)志點(diǎn)的布設(shè)規(guī)范，得到了鏡板平面度、裝配圓柱的圓柱度等的測量結(jié)果。

1 數(shù)字近景攝影測量原理

在遇到無法直接測量的物體時(shí)，我們常常會(huì)借助數(shù)字近景攝影測量技術(shù)進(jìn)行測量，通過該技術(shù)能夠?qū)⒈簧湮矬w姿態(tài)進(jìn)行三維重現(xiàn)[2-3]。近景攝影測量的基本原理如下：獲取被攝物體的立體數(shù)字影像，而后借助計(jì)算機(jī)對該影像進(jìn)行處理與匹配，自主識(shí)別被攝物體圖像的坐標(biāo)和像點(diǎn)，最后通過解析攝影測量技術(shù)獲取被攝物體的三維坐標(biāo)，輸出正射影像、數(shù)字高程模型以及適量線劃圖等。與傳統(tǒng)測量方法相比，數(shù)字近景攝影測量的優(yōu)勢在多個(gè)方面均有體現(xiàn)，如安全性、時(shí)效性等。近景攝影測量在對物體進(jìn)行攝影測量時(shí)，會(huì)通過二維影像的方式對物方空間進(jìn)行重建，這屬于影像形成的逆過程。在近景攝影測量中，通常會(huì)使用到三種坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 近景攝影測量坐標(biāo)系

由圖1可知，P為物方點(diǎn),對應(yīng)的空間坐標(biāo)可表示為。S為攝影中心，對應(yīng)的空間坐標(biāo)可表示為，假如在不同的攝站拍攝相片時(shí)，通常會(huì)選擇第一個(gè)攝站的空間坐標(biāo)系作為攝影測量坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)位于投影中心，x、y軸分別平行于像平面坐標(biāo)系中的x、y軸，此時(shí)的z軸與攝影光軸會(huì)重合起來，那么像點(diǎn)p的空間坐標(biāo)系可表示為。O為物方坐標(biāo)系，簡稱世界坐標(biāo)系，對應(yīng)的空間坐標(biāo)可表示為。o為像平面，其坐標(biāo)可表示為，像片的幾何中心是該坐標(biāo)系的原點(diǎn)，x軸與像素的水平采樣方向平行，通過判斷原點(diǎn)與主點(diǎn)o的重合度，可斷定成像系統(tǒng)是否處于理想狀態(tài)。結(jié)合光學(xué)的基本原理，可通過數(shù)學(xué)方法表征近景攝影測量的共線條件方程，如式子1所示。

其中，像點(diǎn)坐標(biāo)由x、y表示，物方坐標(biāo)由X、Y、Z表示，攝影中心點(diǎn)坐標(biāo)由Xs、Ys、Zs表示。在物方坐標(biāo)系中，誤差修正系數(shù)由x0、y0、Δx、Δy表示，空間坐標(biāo)系相對于物方空間坐標(biāo)系的方向余弦可由d1、d2、d3、b1、b2、b3、c1、c2、c3表示。通過共線方程、內(nèi)外方位定位以及坐標(biāo)變換，可以獲取物方點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物體的三維測量。

2 總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 測量內(nèi)容基本概述

為了確?？赡媸剿啺l(fā)電機(jī)組鏡板三維視覺檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的可行性，此處以北京十三陵抽水蓄能電廠為研究對象，進(jìn)行現(xiàn)場測量研究。為了提高視覺檢測的工作效率，融合了多方面學(xué)科的非接觸式測量技術(shù)，對應(yīng)的模塊化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鏡板視覺檢測系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)

可以看出，機(jī)器視覺檢測模塊包含了CCD相機(jī)、被測鏡板等模塊，通過這些模塊實(shí)現(xiàn)可逆式水輪發(fā)電機(jī)鏡板視覺的測試。具體測試流程如下所示：首先，打開合適的光源；其次，借助CCD相機(jī)對可逆式發(fā)電機(jī)鏡板區(qū)域進(jìn)行環(huán)繞式拍攝；最后，對采集得到的照片圖像進(jìn)行處理，以獲取鏡板形貌數(shù)據(jù)信息。在檢測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，其中，CCD相機(jī)、光源、測量編碼點(diǎn)均屬于硬件系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)屬于軟件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對鏡板圖像的處理工作，以得到鏡板尺寸數(shù)據(jù)。三維尺寸測量內(nèi)容設(shè)定有三：第一，測量分析鏡板平面度。第二，測量分析裝配圓柱的圓柱度。第三，測量分析裝配圓柱與鏡板平面間的垂直度。具體而言，借助攝影測量軟件對照片圖像進(jìn)行處理（如同名點(diǎn)匹配、特征點(diǎn)掃描等），而后得到測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)[4]。

2.2 現(xiàn)場測量

借助單相機(jī)系統(tǒng)對鏡板進(jìn)行多角度拍照，在拍照期間，每個(gè)靶標(biāo)至少需要拍攝4次，如此才能為后續(xù)的圖片拼裝、數(shù)據(jù)解算提供便利。在結(jié)束現(xiàn)場測量后，借助攝影測量軟件對拍攝得到的圖片進(jìn)行同名點(diǎn)匹配、特征點(diǎn)掃描等操作，獲取每個(gè)測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)[5]。根據(jù)所得的測量結(jié)果，可分析出鏡板的平面度、裝配圓的圓柱度、鏡板平面與裝配圓軸線間的垂直度等信息。其中，在測量分析鏡板平面度時(shí)，需要通過擬合操作對測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行處理，獲取每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維偏差，進(jìn)而完成鏡板平面質(zhì)量的評價(jià)工作，對應(yīng)的擬合圖如圖3所示。

圖3 鏡板平面測量數(shù)據(jù)擬合

在測量分析裝配圓柱的圓柱度時(shí)，需要通過擬合操作對測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行擬合處理，以獲取每個(gè)測量點(diǎn)的三維偏差，實(shí)現(xiàn)裝配圓柱的質(zhì)量評價(jià)，對應(yīng)的擬合圖如圖4所示。

圖4 三維坐標(biāo)圓柱擬合

在測量分析鏡板平面與裝配圓軸線間的垂直度時(shí)，需要對鏡板平面與裝配圓軸線間的夾角情況進(jìn)行測量與分析，進(jìn)而分析出二者之間的垂直度情況，如圖5所示。

圖5 鏡板平面與圓柱軸線垂直度情況

3 結(jié)語

總體而言，本文首先對數(shù)字近景攝影測量原理進(jìn)行了詳細(xì)說明，而后對近景攝影測量坐標(biāo)系展開了分析，如物方點(diǎn)空間坐標(biāo)、攝影中心點(diǎn)坐標(biāo)等。其次，對測量內(nèi)容、測量前的準(zhǔn)備事項(xiàng)進(jìn)行了概述，給出了相應(yīng)的模塊化結(jié)構(gòu)圖與標(biāo)志點(diǎn)的粘貼細(xì)則。最后，進(jìn)行了現(xiàn)場測量，得到了鏡板的平面度、裝配圓的圓柱度、鏡板平面與裝配圓軸線間的垂直度等重要信息。