馬剛
【摘 要】由于很多傳統(tǒng)的測(cè)量方式都存在不同程度的測(cè)量速度慢、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題,因此本文針對(duì)小尺寸軸同軸度的測(cè)量提出了一種基于結(jié)構(gòu)光的三維掃描技術(shù)的精密測(cè)量方式。該測(cè)量方式主要是通過(guò)視頻圖像處理、圖像信息采集以及重構(gòu)三維模型等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸類零件的掃描以及重建,同時(shí)還利用同軸誤差的計(jì)算系統(tǒng)以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)來(lái)計(jì)算并分析出同軸度的誤差。本文主要以一小尺寸軸作為本次研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。將其進(jìn)行系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)量后獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.7μm,參考數(shù)據(jù)以同軸測(cè)量?jī)x所測(cè)量出的徑向跳動(dòng)數(shù)據(jù)為準(zhǔn),測(cè)量出的截面最大差值為8.2μm,最終的測(cè)量結(jié)果是滿足要求的,因此本文可以作為小尺寸軸類進(jìn)行同軸度測(cè)量的一個(gè)參考。
【關(guān)鍵詞】小尺寸;精密測(cè)量;三維掃描
在加工過(guò)程中,軸類零件很容易由于材料出現(xiàn)熱應(yīng)變、主軸與道具之間的受力不均、機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)出現(xiàn)不平衡等原因的影響,使其同軸度產(chǎn)生一定的誤差,這樣一來(lái)就會(huì)嚴(yán)重影響零件本身的配合精度,使配件之間的磨損更加嚴(yán)重,最終導(dǎo)致零件的使用壽命降低[1]。同軸誤差作為軸類零件形位公差的組成之一,其往往是不可避免的一種誤差。目前測(cè)量同軸度誤差的方式主要包括:激光準(zhǔn)直法、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x法、同軸度測(cè)量?jī)x器法、圓柱度測(cè)量?jī)x法等。激光準(zhǔn)直法的測(cè)量對(duì)象一般是大尺寸孔軸,采用的是高精度的非接觸式測(cè)量?jī)x;圓柱度測(cè)量?jī)x以及三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x法的測(cè)量精度相對(duì)較高,但是測(cè)量速度卻相對(duì)較慢;同軸度測(cè)量?jī)x器法一般是需要人工進(jìn)行手動(dòng)操作,因此這種方式很容易引入人工誤差,比較適合測(cè)量精度要求不高的零件。
目前來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)外對(duì)于改進(jìn)同軸度的測(cè)量主要有兩個(gè)方面:其一是在原有測(cè)量方式的基礎(chǔ)上,通過(guò)一些改進(jìn)方法將同軸度的測(cè)量誤差降低,比如說(shuō)對(duì)圓柱度測(cè)量?jī)x如何降低同軸誤差進(jìn)行研究;其二是采用新型的測(cè)量方式,比如說(shuō)基于圖像處理的測(cè)量方式。但是以上幾種方式均存在不同程度的測(cè)量精度低、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)等不足之處,因此本文提出一種基于結(jié)構(gòu)光的三維掃描技術(shù)的精密測(cè)量方式,并分析其有效性以及可行性。
一、結(jié)構(gòu)光三維掃描的工作原理
基于結(jié)構(gòu)光的三維掃描系統(tǒng)的組成部分包括圖像采集處理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)光的發(fā)射以及接收系統(tǒng)等。其測(cè)量的工作原理為:將固定的結(jié)構(gòu)光源投影在被測(cè)物體表面,并在物體表面發(fā)成反射和形變,通過(guò)配套的接收系統(tǒng)將物體的形變光圖像進(jìn)行接收,再將系統(tǒng)事先設(shè)置好的參數(shù)通過(guò)圖像采集以及處理系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建出被測(cè)物體的空間三維模型[2]。由于進(jìn)行一次的測(cè)量只能將物體的部分三維信息進(jìn)行獲取,因此在測(cè)量前需要把系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo),設(shè)置好特征參考點(diǎn)并將拼接靶標(biāo)放置其中,對(duì)特征點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行定位跟蹤,以此來(lái)獲得局部到全局測(cè)量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,將坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一。將拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的剔除、曲面重構(gòu)、網(wǎng)格化、拼接等處理過(guò)程,然后在被測(cè)軸上將多個(gè)橫截面的圓選取出來(lái),再通過(guò)相關(guān)的圓心擬合計(jì)算方式計(jì)算出每一個(gè)截面圓的圓心所在,將兩端的截面圓圓心作為一個(gè)基準(zhǔn)軸線,將被測(cè)軸的每一個(gè)軸線所對(duì)應(yīng)的的同軸度計(jì)算出來(lái),將計(jì)算出的最大值視為該零件的同軸度。
二、對(duì)小尺寸軸進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)
(一)試驗(yàn)前準(zhǔn)備
本文以2沖4碼的馬力船推進(jìn)器掛機(jī)這一小尺寸標(biāo)準(zhǔn)件作為本次試驗(yàn)對(duì)象,該零件的梯軸總共分3段。經(jīng)過(guò)測(cè)量可知長(zhǎng)度32mm,直徑13.00mm為軸1的尺寸,長(zhǎng)度32mm,直徑14.9mm為軸2的尺寸,長(zhǎng)度8mm,直徑10.9mm為軸3的尺寸,且每一段的同軸度都要求在50μm。采用本文研究系統(tǒng)對(duì)小尺寸軸進(jìn)行掃描,掃描后將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu),即可得到點(diǎn)云視圖,通過(guò)點(diǎn)云視圖得到每個(gè)截面的圓心值,將其進(jìn)行基準(zhǔn)軸線進(jìn)行擬合處理,同時(shí)計(jì)算同軸度的誤差,最后采取相關(guān)的同軸度測(cè)量?jī)x對(duì)其進(jìn)行測(cè)量[3]。
(二)基于結(jié)構(gòu)光三維掃描系統(tǒng)對(duì)小尺寸軸進(jìn)行測(cè)量的方法
首先需要對(duì)各段軸進(jìn)行分層,以每隔1.5mm為準(zhǔn)截取一個(gè)截面。將第1段軸總共截取22個(gè)截面,將第2段軸總共截取4個(gè)截面(由于第2段軸有一部分圓是不規(guī)則的,因此計(jì)算時(shí)只選取前段比較完整的圓面),將第3段軸總共截取6個(gè)截面,三段軸總共截取了32個(gè)截面。分別對(duì)這些截面進(jìn)行圓心擬合得到32個(gè)圓心。軸1和軸3的端點(diǎn)分別為點(diǎn)1和點(diǎn)32,將點(diǎn)1和點(diǎn)32的連接線即直線1作為該被測(cè)零件的基準(zhǔn)軸線。將直線1作為該測(cè)量平面1的中垂線,由各個(gè)圓心點(diǎn)在平面1中的投影即可得到其投影分布圖,根據(jù)投影分布圖可以看出,各點(diǎn)在都以點(diǎn)1為中心在該平面呈散亂分布狀。經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算可以得知各段的軸對(duì)基準(zhǔn)的軸線同軸度,由計(jì)算結(jié)果可知,軸1的同軸度尺寸為27μm,軸2為18μm,軸3為37μm。重復(fù)對(duì)該被測(cè)小尺寸件進(jìn)行10次測(cè)量后得出,0.7μm為其標(biāo)準(zhǔn)偏差值的最大值,是滿足實(shí)際要求的。
(三)基于徑向跳動(dòng)對(duì)小尺寸軸進(jìn)行測(cè)量的方法
以上述同樣小尺寸件為被測(cè)零件,基于徑向跳動(dòng)測(cè)量法采用同軸度測(cè)量?jī)x對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果與結(jié)構(gòu)光測(cè)量法進(jìn)行對(duì)比[4]。經(jīng)千分表檢定后,同軸度測(cè)量?jī)x為合格,且測(cè)量范圍在0~5mm,具體的試驗(yàn)操作步驟以及原理如下:
1.兩端圓柱的中間位置即中截面,在同軸度測(cè)量?jī)x上放置基準(zhǔn)輪廓要素的中截面。
2.對(duì)千分表進(jìn)行調(diào)試,保證千分表的側(cè)頭充分與被測(cè)零件的外表面進(jìn)行接觸,同時(shí)需要保證有1~2圈的壓縮量。
3.將被測(cè)工件勻速緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,同時(shí)觀察百分表的指針波動(dòng)情況,將最大讀數(shù)與最小讀數(shù)取差值,所得的差值即為該界面的同軸度誤差[5]。
4.繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)工件,對(duì)多個(gè)不同界面按照上述方法進(jìn)行測(cè)量,最后計(jì)算出各截面的最大讀數(shù)與最小讀數(shù)取差值的絕對(duì)值,該值即為該被測(cè)工件的同軸度誤差。
(四)數(shù)據(jù)分析
分截面進(jìn)行分析,已知50μm為該被測(cè)工件的同軸度要求,將以上兩種方式測(cè)得的同軸度誤差進(jìn)行對(duì)比可知,8.2μm為兩測(cè)量方法測(cè)量出的絕對(duì)值的最大差值,0.1μm為兩測(cè)量方法測(cè)量出的絕對(duì)值的最小差值,因此滿足該被測(cè)工件50μm的評(píng)判要求。
結(jié)語(yǔ):
綜上所述,本文提出的基于結(jié)構(gòu)光的三維掃描系統(tǒng)是由圖像采集處理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)光的發(fā)射以及接收系統(tǒng)等組成的。通過(guò)對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明其可實(shí)現(xiàn)對(duì)小尺寸軸類零件的進(jìn)行同軸度誤差測(cè)量,且方法具有一定的可行性。
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(作者單位:遼寧省交通高等??茖W(xué)校)