異型面機(jī)件檢測方法探析

■ 徐演順 伏銀兵/四達(dá)機(jī)械制造公司

0 引言

近年來，隨著航空、航天領(lǐng)域數(shù)字化檢測技術(shù)的推廣，飛機(jī)工件制造以模胎制造、3D打印技術(shù)等數(shù)字量傳遞方式取代了傳統(tǒng)的以樣板為制造依據(jù)的模擬量傳遞方式。當(dāng)前，異型面檢測一直無法做到精確測量，對于尺寸簡單的型面仍可以按數(shù)模取紙模線的方法進(jìn)行檢查，但復(fù)雜型面只能由檢驗(yàn)人員采用目測方法進(jìn)行粗略檢查或通過大型三坐標(biāo)測量機(jī)來精確測定，受尺寸限制，三坐標(biāo)測量機(jī)只能測量一些較小的模胎，且效率較低，對工作環(huán)境要求較高而無法進(jìn)行在線測量，直接影響了科研生產(chǎn)周期。

數(shù)字?jǐn)z影測量是一種近景工業(yè)攝影測量，是利用數(shù)字圖像進(jìn)行三維坐標(biāo)測量的一種技術(shù)。攝影測量通過數(shù)字相機(jī)對工業(yè)零部件或產(chǎn)品進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)攝影，根據(jù)像片上的圖像信息進(jìn)行量測、分析，采用數(shù)字方法加以處理，從而求定研究對象上點(diǎn)的二維或三維坐標(biāo)（包括點(diǎn)位、大小、尺寸、形狀、運(yùn)動位移、速度和加速度），或者繪出對象物的各種圖解圖（如等值線圖、輪廓線圖、立面圖、平面圖及影像圖等），可以快速、準(zhǔn)確、高效地完成模胎的檢測工作。為此，本文以飛機(jī)模胎型面檢測為研究對象，利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)開展異型面機(jī)件檢測方法的研究。

1 測量對象

航空維修企業(yè)中，用于制造零部件的磨具、模胎是制造的基準(zhǔn)，零部件的定位和連接基準(zhǔn)都是由模胎來決定的，因此必須對模胎的定位基準(zhǔn)（定位線、型面、定位孔）進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，防止定位基準(zhǔn)超差或錯誤導(dǎo)致零部件批量不合格。根據(jù)飛機(jī)型號和零部件的不同，模胎可分為金屬模胎和非金屬模胎兩種，模胎尺寸在 0.5～10m以上不等，表面為各類曲面，且有各種刻線，如圖 1所示。

圖1 航空模胎

2 測量內(nèi)容

測量內(nèi)容主要分為模胎表面（曲面）數(shù)字化測量和模胎表面刻線的數(shù)字化測量，且兩類測量結(jié)果應(yīng)統(tǒng)一在一個整體坐標(biāo)系中。

測量完成后，應(yīng)對模胎數(shù)字化測量點(diǎn)云進(jìn)行曲面和曲線建模，并以 CATIA格式輸出，此即為模胎的逆向建模工程。如模胎已有數(shù)模，則無需進(jìn)行此步驟，可在后續(xù)設(shè)備配置中去除便攜式掃描儀，以單+雙相機(jī)即可完成模胎型面及刻線的檢測，并在SA等軟件中進(jìn)行與數(shù)模的對比分析，就可以得出模胎的檢測結(jié)果。

模胎測量精度要求包括：點(diǎn)云測量精度小于0.05mm，曲面和曲線建模精度小于0.2mm。

3 檢測方案

采用攝影測量和掃描測量相結(jié)合的組合測量方式進(jìn)行點(diǎn)云測量，并通過專用曲面、曲線建模軟件對點(diǎn)云進(jìn)行建模，總體技術(shù)框圖如圖2所示。

3.1 測量系統(tǒng)組成

主要測量設(shè)備包括攝影測量系統(tǒng)1套（雙相機(jī)攝影測量系統(tǒng)1套、單相機(jī)攝影測量系統(tǒng)1套）、掃描測量系統(tǒng)1套和數(shù)字點(diǎn)云建模軟件1套。

3.2 測量系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)特點(diǎn)可以概括為：高精度——絕對精度最高可達(dá)3μm+3μm/m；非接觸測量；測量速度快；可以在不穩(wěn)定的環(huán)境中測量（溫度、振動等）；特別適合復(fù)雜空間的測量；數(shù)據(jù)率高，方便獲取大量數(shù)據(jù)；適應(yīng)性好（被測物尺寸范圍由厘米級至百米級）；設(shè)備便攜性好。

4 測量原理

根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，采用攝影測量和掃描測量相結(jié)合的組合測量方式進(jìn)行點(diǎn)云測量，并以專用曲面、曲線建模軟件對點(diǎn)云進(jìn)行建模。

4.1 攝影測量原理

1）攝影測量內(nèi)容

采用雙相機(jī)系統(tǒng)對模胎表面的刻線進(jìn)行數(shù)字化測量；單相機(jī)系統(tǒng)除測量模胎型面精度外，還為掃描測量提供全局控制點(diǎn)，以進(jìn)行坐標(biāo)系的拼接。

圖2 技術(shù)框圖

圖3 雙相機(jī)測量原理圖

2）攝影測量原理

攝影測量的基本原理為兩條光線的前方交會，如圖3所示。

通過4個（或更多數(shù)量）控制點(diǎn)a、b、c、d 進(jìn)行后方交會解算，可得攝影中心S1、S2的位置及其與相片面P1、P2的朝向關(guān)系（兩相機(jī)的位置及姿態(tài)）；與經(jīng)緯儀等類似，對于未知點(diǎn)e，可通過其在兩像片上的像點(diǎn)位置確定其光束方向，進(jìn)而依前方交會法解算出物方坐標(biāo)。

4.2 掃描測量原理

手持掃描測量系統(tǒng)對模胎表面的曲面面型進(jìn)行數(shù)字化測量，得到數(shù)字點(diǎn)云，以便后續(xù)曲面建模。

5 模胎測量工作流程

1）準(zhǔn)備工作：在工件待測表面粘貼攝影RRT標(biāo)志。

2）現(xiàn)場對待測工件表面的RRT標(biāo)志進(jìn)行交向攝影。

3）對圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，得到型面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4）將飛機(jī)模具的型面理論模型導(dǎo)入軟件。

5）將測量所得的模具型面坐標(biāo)點(diǎn)云與型面理論模型進(jìn)行比對，計(jì)算型面精度RMS值，得到每個點(diǎn)的研修量。

6 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

6.1 人工標(biāo)志及其布設(shè)

圖4 測量中使用的人工標(biāo)志

在測量過程中主要用到兩種人工標(biāo)志：圓形定向反光標(biāo)志和編碼標(biāo)志，如圖4所示。圓形定向反光標(biāo)志的特點(diǎn)是反射亮度比漫射白色標(biāo)志高出數(shù)百甚至上千倍，可以輕松得到被測目標(biāo)物自身影像“消隱”而RRT標(biāo)志的構(gòu)像卻特別清晰且突出的“準(zhǔn)二值影像”。在天線表面布設(shè)圓形回光反射人工標(biāo)志點(diǎn)和定向反光材料制作的編碼標(biāo)志，用于實(shí)現(xiàn)像片的拼接和計(jì)算自動化。

6.2 攝站布設(shè)與攝影

根據(jù)待測工件所在位置，考慮相機(jī)鏡頭視場角、攝影距離、測量精度、測量場地等問題，攝影測量采用局部攝影、整體解算的方法進(jìn)行，整體解算以編碼標(biāo)志作為圖像之間的公共連接點(diǎn)。測量人員可以站在待測工件附件，圍繞著工件四周進(jìn)行拍攝，如圖5所示。常規(guī)條件下，為保證測量精度，應(yīng)在距離待測工件表面2～3m左右的位置進(jìn)行攝影。

6.3 系統(tǒng)尺度

待測胎模長度大于2m時，由于基準(zhǔn)尺長度只有1m，可能導(dǎo)致測量誤差加大，為此使用2根組合的基準(zhǔn)尺（1m）來約束整個待測工件的尺度。首先基準(zhǔn)尺可以對整個工件尺度進(jìn)行約束，其次還可以起到互相校驗(yàn)的作用，避免測量過程中出現(xiàn)粗差。一般情況下應(yīng)固定2根基準(zhǔn)尺的位置。

6.4 坐標(biāo)計(jì)算

受相機(jī)鏡頭視場角和攝影距離的限制，每幅像片只能覆蓋工件的一部分。因此，各測站之間的位置關(guān)系需要利用編碼標(biāo)志進(jìn)行傳遞、完成圖像的拼接，其計(jì)算步驟如下。

1）對測量圖像進(jìn)行掃描，識別出每幅圖像里的編碼標(biāo)志。

圖5 攝站布設(shè)圖

2）對每幅圖像里具有相同點(diǎn)號的編碼標(biāo)志進(jìn)行匹配，利用編碼標(biāo)志的已知空間坐標(biāo)，通過后方交會，將像片統(tǒng)一在攝影測量坐標(biāo)系下，同時得到各圖像的外方位元素。

3）根據(jù)圖像已知的外方位元素，利用核線匹配原理對其他非編碼標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行同名點(diǎn)匹配。

4）最后利用光束法平差統(tǒng)一進(jìn)行解算，計(jì)算所有標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)。

7 測量結(jié)果分析

圖6所示為某型金屬模胎，可近似為一圓錐形狀。實(shí)際測量后，為了和用戶之前用三坐標(biāo)測量機(jī)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，只選第1個圓環(huán)刻線以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對刻線上（攝影）測量點(diǎn)云相對其理論模型的偏差共進(jìn)行了兩種分析：一是比較刻線點(diǎn)云與理論刻線的偏差；二是比較刻線點(diǎn)云與理論曲面的偏差。

1）刻線點(diǎn)云與理論刻線的偏差以理論模型上刻線為參照，將測量所得的刻線上點(diǎn)云與之進(jìn)行比較，求偏差，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，十字型刻線實(shí)際刻畫精度較好，而圓環(huán)型刻線的實(shí)際位置相對于理論刻線有較大的向下偏移，平均偏移量接近1mm。

圖6 某型金模胎

表1 刻線點(diǎn)云相對理論刻線的偏差

2）刻線點(diǎn)云相對理論曲面的偏差

刻線點(diǎn)云相對理論曲面的偏差主要是考察刻線在法向的偏差，其中包含測量誤差和刻線本身的深度值，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，測量誤差和刻線深度合并在一起所引起的型面法向偏差為0.1mm。

因此，模胎表面（掃描）測量點(diǎn)云相對其理論曲面模型的偏差結(jié)果如表3所示。

8 結(jié)論

通過試驗(yàn)和理論分析以及測量結(jié)果的對比可知，對飛機(jī)模胎型面采用攝影測量和掃描測量相結(jié)合的組合方式進(jìn)行測量，重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，是解決此類測量難題的有效方法，且該方法操作過程簡單，便于掌握，具有良好的推廣價(jià)值。

表2 刻線點(diǎn)云相對理論曲面的偏差

表3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果