工業(yè)攝影測量系統(tǒng)在大型模具檢測中的應用

保曉璐 石亞茹

摘要：為了提高大型曲面模具的測量精度和檢測效率，結合工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的優(yōu)點以及大型曲面模具的特點，利用工業(yè)攝影相機拍攝多幅圖像，對大型曲面模具的面輪廓度進行非接觸式測量。快速高效的采集被測目標點的三維空間坐標，與傳統(tǒng)的檢測方法和檢測設備儀器相比，有效的提高了檢測效率。

關鍵詞：攝影測量;模具;面輪廓度;精密測量

1.引言

科技的發(fā)展和進步，帶領制造業(yè)也走向數字化、智能化，機械加工的產品形狀越來越復雜，對精度的要求也與日俱增。如汽車、飛機等行業(yè)大量使用外形精度要求很高的中大型曲面工件，而這些中大型曲面工件的外形尺寸需要依靠模具來保證，如何更高效、精確的測量這些高精度加工出來的模具的面輪廓度，也成了技術上的一大難點。傳統(tǒng)的常規(guī)量具，比如游標卡尺、千分尺、卷尺、外形樣板等，由于被測產品的復雜性及精度要求，已經難以滿足現今的檢測要求。同時，在數字化制造的大背景下，數字化測量設備也日益普及，廣泛應用于制造領域的包括CMM三坐標測量機，三維激光掃描儀，激光跟蹤儀，三維掃描儀等。本文所使用的工業(yè)攝影測量系統(tǒng)不會影響被測物體的自然狀態(tài)，可以瞬間獲取被測物體的幾何外形信息，快速、準確的得到被測物體的三維空間點云模型，在大型工業(yè)產品和生產設施設備等外形幾何尺寸的測量方面具有很大優(yōu)勢。

2.工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測量原理及優(yōu)勢

2.1工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測量原理

工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的測量是建立在數字成像圖像處理的基礎上，本質上是攝影幾何中的中心透視投影過程。滿足中心投影的共線方程：

工業(yè)攝影測量所使用的單相機攝影測量系統(tǒng)，是基于目標點測量，在繼承了傳統(tǒng)攝影測量的理論基礎原理和算法上，利用結構感光及計算機視覺等技術從多個不同的角度拍攝圖像，應用V-STARS系統(tǒng)對照片進行自動拼接、匹配，使用相機成像參數不同姿態(tài)下的數據求解各個目標點的三維空間坐標X，Y，Z值，再利用V-STARS系統(tǒng)自動評差、優(yōu)化，提高檢測結果的精度。

2.2工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的優(yōu)勢

工業(yè)攝影測量與傳統(tǒng)的幾何測量方法不同。傳統(tǒng)的常規(guī)測量方法已形成規(guī)范的操作規(guī)程，而目前標準化、流程化的工業(yè)攝影測量規(guī)范并未形成，因此影響了其在大范圍內的應用。目前應用范圍最廣的CMM三坐標測量機具有高精度，通用性好等特點，但CMM三坐標測量機對測量的環(huán)境溫度要求高，而且設備固定，無法移動，對被測物體的尺寸與重量也有限制，對于本文所提到的大型曲面模具存在測量盲區(qū)。而工業(yè)攝影測量技術經過數余年的發(fā)展，隨著傳感器及相關技術的不斷進步，在相機設備、軟件系統(tǒng)等方面不斷的完善和成熟，具有高精度、高效率、操作簡便、便于移動、對測量環(huán)境要求低、測量范圍廣等優(yōu)點。也可以與激光跟蹤儀，三維掃描儀結合使用，提高檢測精度。并且工業(yè)攝影測量技術避免了接觸式的測量方法，使用數碼相機采集被測產品表面特征點的空間位置，合成產品的三維點云模型，在數據處理及逆向建模功能的應用上也有優(yōu)勢。

3.測量實驗過程

3.1測量準備

測量前需要對被測模具表面進行清理，避免模具表面污漬影響編碼點的粘貼及后續(xù)的數據精度。

在工業(yè)攝影測量系統(tǒng)中，物體的三維空間坐標信息只能依靠拍攝的二維照片中的點位信息重建才能得到，而攝影測量的相機只能識別特定的反光標志，因此，需要在被測模具的表面人工布設帶有唯一編碼信息的編碼點，在用相機拍攝的過程中，拍攝光線照射在反光標志上發(fā)生反射，在V-STARS系統(tǒng)內識別形成空間位置信息。并且所選用的編碼點上的反光標志與被測模具的大小比例應盡量大于1/500，結合本次測量選用的長9米，寬1.3米的拉伸模具，選取反光標志直徑為6mm的編碼點和反光標志單點，在模具型面上間隔150mm至200mm粘貼一個反光標志單點，約500mm的間距粘貼一個編碼點，并在重點測量區(qū)域增加編碼點和反光標志單點的數量以保證測量精度。根據模具上基準孔大小選擇靶標點，緊貼合型面不可有間隙。同時因為照相獲得的三維點云模型尺寸與模具真實大小之間不是完全相同，而是等比例縮放關系，相差一個比例系數，需要通過增加基準尺來還原真實尺寸，基準尺的長度應盡量與被測模具的最大尺寸相當，在本次測量中，在模具長寬方向分別擺放兩根測量基準尺，各個基準尺之間也可以進行互相校準，從而可以有效避免基準尺本身帶來的誤差，進一步提高測量精度。

3.2拍攝照片

本次測量選用的進口INCA3相機，標稱精度為5μm+5μm/米，。在拍照時保證光線強度適中，不宜太亮也不宜太暗，并設置合適的曝光強度和相機快門時間，使相機保持與模具適當的距離，保證每張照片至少有4個編碼點，12個反光標志單點，確保編碼點集能夠采集完整。同時為了提高測量的精度，采用分區(qū)域環(huán)形拍攝的方法，對每塊區(qū)域進行多方位多角度的拍攝，并保證每塊區(qū)域間有重合部分，重疊區(qū)域的編碼點大于4個，便于后續(xù)照片進行拼接，以保證三維點云坐標結果的完整和準確度，在保證照相測量效率的前提下，客觀、真實、精確的反應模具外形輪廓尺寸信息。

3.3數據處理

將拍攝的照片在V-STARS系統(tǒng)中進行自動拼接，優(yōu)化評差，得到模具的三維點云模型，刪除多余無效的雜點，得到拍攝的照片拼接形成的三維點云模型在V-STARS軟件中顯示為圖1，可以看出人工布設的每個編碼點及反光標志點形成被測量模具的型面位置，藍色區(qū)域為相機拍攝的不同機位，兩根黃色的線為放置的基準尺。

導出三維點云坐標數據，在SA軟件中進行分析處理。通過模具上設置的靶標點建立坐標系，與數模中的原始坐標系進行轉換，將實測數據與理論數據進行最佳擬合比對，判斷被測特征點與數模理論值的偏離狀態(tài)，分析數據得到圖2的測量報告?？梢钥闯觯敬螠y量共采集模具型面上有效的測量點共243個，公差區(qū)間設置為-0.2mm到+0.1mm，可以得出，在公差要求范圍內共199個測量點，占全部測量數據的81.9%，在公差范圍外共44個測量點，占全部測量數據的18.1%，且最大正向誤差為0.07mm，最大負向誤差為-0.45mm。

4.結語

隨著數字化和制造技術在不斷發(fā)展，數字化檢測技術是制造發(fā)展的技術基礎和關鍵。工業(yè)攝影測量技術作為一種新型高精度的測量設備，對被測產品的外形尺寸檢測起著重要的監(jiān)控作用。在本次大型曲面模具的面輪廓度檢測中，利用工業(yè)攝影測量系統(tǒng)進行目標點的測量，在保證了測量精度的同時，提高了檢測效率，技術應用前景廣闊。

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