郝華東　施浩磊　吳澤南　洪輝

摘要：針對傳統(tǒng)測量方法存在的準(zhǔn)確度不高、檢測速度慢等問題，該文提出一種基于結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)的小尺寸軸類零件的同軸度精密測量方法。采用視頻圖像信息的采集、視頻圖像處理和三維模型重構(gòu)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸類零件掃描重建，運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和同軸度誤差計(jì)算系統(tǒng)獲取同軸度誤差。選取一小尺寸軸作為研究對象進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)重復(fù)性測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.7μm，以同軸度測量儀測量的徑向跳動數(shù)據(jù)作為參考，截面最大差值為8.2μm，測量結(jié)果滿足要求。該文可為小尺寸軸類零件的同軸度檢測提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)光；三維掃描；小尺寸軸；同軸度；精密測量

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0036-05

0引言

軸類零件在加工過程中受到機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)不平衡、刀具與主軸之間的受力不均勻、材料熱應(yīng)變等諸多因素影響，產(chǎn)生同軸度誤差，影響軸類零件的配合精度，加劇互配件的磨損，最終導(dǎo)致其使用壽命降低。作為軸類零件重要的形位公差之一，同軸度誤差不可避免。同軸度誤差測量方法主要有同軸度測量儀器法、三坐標(biāo)測量儀法、圓柱度測量儀法和激光準(zhǔn)直法等。第1種方法需人工手動操作，會引入人為誤差，適用于對精度要求相對不高的情況；第2、3種方法精度相對較高，但測量速度較慢；第4種方法采用的是非接觸式的高精度測量儀，測量對象一般為大尺寸孔軸。

目前，國內(nèi)外同軸度測量的發(fā)展趨勢主要分為兩方面：1）新的測量方法如基于圖像處理的同軸度測量方法：2）基于原有方法的改進(jìn)來降低同軸度測量誤差，如對三坐標(biāo)測量機(jī)測量同軸度誤差的研究等測。針對上述方法存在的測量效率低、精度差等諸多不足，本文提出一種基于結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)小尺寸軸類零件的同軸度精度測量方法和系統(tǒng)，通過試驗(yàn)分析驗(yàn)證本文方法的可行性和有效性。

1結(jié)構(gòu)光三維掃描原理

結(jié)構(gòu)光三維掃描測量系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)光發(fā)射和接收系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng)等構(gòu)成（如圖1所示）。其測量原理是向被測物投射一種固定的結(jié)構(gòu)光源，在被測物表面反射發(fā)生形變，通過接收系統(tǒng)接收形變光圖像，通過圖像采集及處理系統(tǒng)事先調(diào)制的光結(jié)構(gòu)參數(shù)以獲取被測物的空間三維形態(tài)。由于一次測量只能獲得物體部分三維信息，在測量前進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)，并放置拼接靶標(biāo)進(jìn)行特征參考點(diǎn)設(shè)置，通過移動測量系統(tǒng)并定位跟蹤特征點(diǎn)坐標(biāo)，可以獲得局部測量坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。對拼接后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、剔除、網(wǎng)格化、曲面重構(gòu)等過程，進(jìn)而在被測軸上選取多個橫截面的圓，通過圓心擬合計(jì)算出各截面圓的圓心，以被測軸兩端軸截面圓的圓心作為基準(zhǔn)軸線，計(jì)算被測軸各個軸線相對于基準(zhǔn)軸線的同軸度，取其最大值作為該被測零件的同軸度。

2硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要包括視頻圖像信息的采集、視頻圖像處理和三維模型重構(gòu)3個部分。視頻圖像信息的采集是由硬件部分來完成的，該部分主要由CCD攝像機(jī)、接收器、數(shù)據(jù)采集器等硬件組成。

1）發(fā)射器：發(fā)射光信號單元，選用COMETL3D-5M800-12.5mm攝像頭。

2）接收器：采集光信號單元，選用COMETL3D-5M800-12.5mm攝像頭。

3）數(shù)據(jù)采集器：采樣參數(shù)，輸入上位機(jī)軟件。

4）三角平臺：用來控制發(fā)射和接收單元轉(zhuǎn)/移動。

5）前端通信接口：響應(yīng)來自上位系統(tǒng)的控制命令，并對其進(jìn)行解碼。組織采樣數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)，并打包發(fā)送到上位系統(tǒng)。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、同軸度誤差計(jì)算系統(tǒng)兩部分組成。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、約減、剔除、網(wǎng)格化、曲面擬合以及存儲管理等功能。同軸度誤差計(jì)算系統(tǒng)通過對被測軸類零件各個截面圓的圓心進(jìn)行擬合，以基準(zhǔn)軸線作為參考值，計(jì)算同軸度誤差。

3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

由于被測物各部分形狀特征各不相同，為了達(dá)到所需的重構(gòu)精度，應(yīng)充分考慮被測物的幾何特征，所以結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)。完成測量后，得到被測物表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，利用這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行三維重構(gòu)前，需要對坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、簡化和修補(bǔ)等處理工作。算法基本原理如下：根據(jù)點(diǎn)云模型表面的幾何復(fù)雜程度以及分布密度，自適應(yīng)地選取中心點(diǎn)，并確定中心點(diǎn)作用半徑，使用局部二次曲面函數(shù)逼近對每個中心點(diǎn)。隱式曲面模型為

4小尺寸軸測量試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

以一小尺寸標(biāo)準(zhǔn)件（如圖2（a）所示）作為試驗(yàn)對象，即為2沖4馬力船外機(jī)馬達(dá)發(fā)動機(jī)推進(jìn)器掛機(jī)，分為3段階梯軸，測得軸1直徑為13.00mm，長度為32mm，軸2直徑為14.9mm，長度為33mm，軸3直徑為10.9mm，長度為8mm，各段同軸度要求為50μm。應(yīng)用本文系統(tǒng)掃描小尺寸軸，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲面重構(gòu)處理后得到的點(diǎn)云視圖（如圖2（b）所示），得到各截面圓心值，擬合基準(zhǔn)軸線并計(jì)算同軸度誤差，同時采用同軸度測量儀進(jìn)行測量。

4.2小尺寸件基于結(jié)構(gòu)光三維掃描方法試驗(yàn)

對各段軸進(jìn)行分層（如圖3所示），每隔1.5mm截取一個截面。如圖4所示，取第1段軸22個截面，第2段軸4個截面（因軸2有部分為不規(guī)則圓，所以只取前端完整圓面部分4個截面計(jì)算），第3段6個截面，總計(jì)32個截面分別進(jìn)行圓心擬合，得到32個圓心。將軸1和軸3端點(diǎn)——點(diǎn)1和點(diǎn)32的連接線（即直線1）作為基準(zhǔn)軸線。

以直線1作為平面1的中垂線，如圖5所示，為各圓心點(diǎn)在平面1中的投影分布圖，得到各點(diǎn)在該平面以點(diǎn)1為中心的散亂分布。圖6為各段軸對基準(zhǔn)軸線的最大包容面，經(jīng)過計(jì)算可得各段軸對基準(zhǔn)軸線同軸度，其中軸1同軸度為27μm，軸2同軸度為18μm，軸3同軸度為37μm。對該小尺寸件重復(fù)測量10次，其圓心點(diǎn)坐標(biāo)重復(fù)性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值最大值為0.7μm，滿足要求。

4.3小尺寸件基于徑向跳動測量法試驗(yàn)

采用同軸度測量儀基于徑向跳動測量法對上述零件進(jìn)行同軸度測量，與結(jié)構(gòu)光三維掃描法測量結(jié)果進(jìn)行比較。同軸度測量儀，經(jīng)千分表檢定合格，測量范圍為0～5mm。試驗(yàn)步驟和原理如下：

1）將被測零件基準(zhǔn)輪廓要素的中截面（兩端圓柱的中間位置）放置在同軸度測量儀上。

2）調(diào)節(jié)千分表，使測頭與工件被測外表面接觸，并有1～2圈的壓縮量。

3）緩慢均勻轉(zhuǎn)動工件一周，觀察百分表指針的波動，取最大讀數(shù)與最小讀數(shù)的差值，為該截面的同軸度誤差。

4）轉(zhuǎn)動被測零件，按上述方法測量多個不同截面，取各截面測得的最大讀數(shù)與最小讀數(shù)差值中的最大值（絕對值）作為該零件的同軸度誤差。

4.4數(shù)據(jù)分析

以試驗(yàn)1分段截面為參考，將上述兩類方法每個截面的相對基準(zhǔn)軸線的同軸度誤差進(jìn)行比較，得到圖7。從圖中可以得出，結(jié)構(gòu)光三維掃描法和徑向跳動法之差絕對值最大為8.2μm（第9個截面），絕對值最小值為0.1μm（第23個截面）。其他截面差值大部分均在0～5μm之間，分析本系統(tǒng)可能存在系統(tǒng)性偏差。測量系統(tǒng)評判標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)測量標(biāo)準(zhǔn)高于或等于測量設(shè)備1/3準(zhǔn)確度時滿足要求：△_max≤1/3MPE本設(shè)備檢測對象，已知該小尺寸標(biāo)準(zhǔn)件同軸度要求為50μm，兩者之差絕對值最高為8.2μm，滿足評判要求。通過這兩種方法比較可得，對該小尺寸件，本測量系統(tǒng)能夠滿足測量要求。

5結(jié)束語

本文提出一種基于結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)的小尺寸軸類零件的同軸度精密測量方法，它將結(jié)構(gòu)光掃描檢測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相結(jié)合，測量系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)光掃描被測軸類零件，得到其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算同軸度誤差，實(shí)現(xiàn)了小尺寸軸類零件同軸度誤差的測量。本文應(yīng)用該測量系統(tǒng)對小尺寸件進(jìn)行掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法的可行性。