樊博璇 陳桂明 林洪濤 李 輝

一種基于三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管全場(chǎng)形貌測(cè)量方法

樊博璇1陳桂明1林洪濤2李 輝3

（1. 火箭軍工程大學(xué)，西安 710025；2. 中國(guó)人民解放軍31004部隊(duì)，北京 100091；3. 火箭軍裝備部駐西安地區(qū)第一軍事代表室，西安 710025）

針對(duì)傳統(tǒng)接觸式測(cè)量手段存在的擠壓誤差、效率低等問(wèn)題，提出基于外差式多頻相移技術(shù)的非接觸式三維光學(xué)形貌測(cè)量方法。在論述三維光學(xué)形貌測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，分析并設(shè)計(jì)了三維光學(xué)形貌測(cè)量方法的功能、工作過(guò)程和主要模塊，闡述了外差式多頻相移光學(xué)測(cè)量、海量密集點(diǎn)云的優(yōu)化處理、大尺寸零件全方位精確測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)該方法能夠快速、準(zhǔn)確建立固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等零部件的三維數(shù)字化模型，為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供更豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管；三維光學(xué)；形貌測(cè)量；數(shù)字化

1 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管工作時(shí)由于受高溫、高壓燃?xì)獾臎_刷，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?zé)g甚至形變，直接影響其工作效率和可靠性。必須獲取整個(gè)噴管精確的內(nèi)外表面形貌數(shù)據(jù)分析噴管燒蝕和形變等情況。目前，國(guó)內(nèi)使用游標(biāo)卡尺手工測(cè)量，噴管性能研究則采用數(shù)值模擬方法，對(duì)噴管形變測(cè)量方面的研究較少[1～4]。手工測(cè)量方法測(cè)量效率較低、測(cè)量范圍小，無(wú)法準(zhǔn)確獲得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管關(guān)鍵部位的形貌特征數(shù)據(jù)，極大地限制了對(duì)噴管變形以及快速成型加工技術(shù)的研究發(fā)展。

提出非接觸式三維光學(xué)形貌測(cè)量方法，通過(guò)采集點(diǎn)云圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴管三維形貌的精確測(cè)量。測(cè)量過(guò)程無(wú)需接觸噴管，避免了卡尺擠壓型面造成精度損失，能夠快速獲得噴管各部位的全場(chǎng)精確輪廓數(shù)據(jù)，為溫度場(chǎng)和流場(chǎng)模擬及有限元靜強(qiáng)度分析提供數(shù)據(jù)，對(duì)于構(gòu)建準(zhǔn)確的噴管理論仿真模型具有重要的支撐作用。

2 三維光學(xué)形貌測(cè)量原理

三維光學(xué)形貌測(cè)量應(yīng)用外差式多頻相移三維光學(xué)測(cè)量方法，結(jié)合結(jié)構(gòu)光、相位測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管形貌的三維信息數(shù)字化和測(cè)量[5]。

相位測(cè)量法需要精密的相移裝置和正弦性良好的條紋光柵，測(cè)量難點(diǎn)在于解包裹。系統(tǒng)解包裹方法為格雷（Gray）碼法，如圖1所示。

圖1 格雷碼光柵條紋

采用光學(xué)非接觸式測(cè)量方法對(duì)噴管測(cè)量三維形貌的優(yōu)點(diǎn)有：

a. 采集到的數(shù)據(jù)可用于零件（噴管）的快速成型加工。在沒(méi)有零件圖紙的情況下，對(duì)掃描獲得的零件三維模型，在軟件中優(yōu)化處理，通過(guò)3D打印，可實(shí)現(xiàn)噴管的快速制造成型。

b. 實(shí)現(xiàn)加工前后零件（噴管）的數(shù)模比對(duì)。對(duì)于有圖紙的零件，為了檢驗(yàn)零件制造完成后的加工誤差，可以?huà)呙杓庸ず罅慵某叽?，將設(shè)計(jì)與制造后的3D模型對(duì)比，獲得零件的加工誤差，為設(shè)計(jì)余量提供參考。

c. 為零件（噴管）的力學(xué)性能分析提供依據(jù)。噴管工作過(guò)程中由于受到高溫噴射氣體的作用，其內(nèi)部受到溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的作用，當(dāng)設(shè)計(jì)考慮不足時(shí)，則有可能會(huì)發(fā)生局部敏感部分的膨脹變形甚至是裂紋的情況。通過(guò)采集噴管工作后的形貌，找出噴管工作前后變形最大的位置，分析判斷其是否超過(guò)疲勞強(qiáng)度，可以對(duì)防熱材料以及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供依據(jù)。

3 三維光學(xué)形貌測(cè)量方法分析與設(shè)計(jì)

3.1 功能分析與設(shè)計(jì)

圖2 三維光學(xué)形貌測(cè)量方法功能需求

根據(jù)零部件快速測(cè)量需求，主要實(shí)現(xiàn)如圖2所示的三個(gè)方面功能：

a. 掃描控制接口和點(diǎn)云求解，包括光柵條紋參數(shù)的設(shè)置及投射、相機(jī)實(shí)時(shí)采集等。通過(guò)投射采集得到12個(gè)狀態(tài)并快速解包裹計(jì)算，求得被測(cè)曲面的點(diǎn)云坐標(biāo)。

b. 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，點(diǎn)云對(duì)齊融合以及三角化算法。單次測(cè)量可以得到一個(gè)方位上的點(diǎn)云信息，多方位點(diǎn)云信息時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)零件或測(cè)量頭多次測(cè)量，而多幅點(diǎn)云的坐標(biāo)系不同，需要將它們統(tǒng)一坐標(biāo)系，同時(shí)將其公共區(qū)域的點(diǎn)云去重簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后進(jìn)行三角網(wǎng)格化生成實(shí)體模型。

c. 三維界面顯示以及數(shù)據(jù)格式輸出。可以在軟件窗口中顯示零件的測(cè)量面，便于調(diào)整零件的測(cè)量位置。并且也應(yīng)該顯示零件表面輪廓點(diǎn)云的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作完成對(duì)數(shù)字化零件視角的轉(zhuǎn)換，方便查漏補(bǔ)缺。

3.2 工作過(guò)程分析與設(shè)計(jì)

3.2.1 前處理

調(diào)試測(cè)量所需的相機(jī)位置關(guān)系，確定測(cè)量距離和相機(jī)之間的間距，調(diào)節(jié)焦距和光圈到一個(gè)合適的位置。利用標(biāo)定板和自標(biāo)定算法得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，建立測(cè)量的坐標(biāo)系。手動(dòng)點(diǎn)擊掃描按鈕，投影儀會(huì)投射出12個(gè)狀態(tài)的光柵圖像，由兩個(gè)照相機(jī)同時(shí)采集被零件調(diào)制的變形條紋圖像。通過(guò)圖像處理，識(shí)別出布置在零件表面或是零件周?chē)臋E圓形標(biāo)記點(diǎn)。這些標(biāo)記點(diǎn)通過(guò)相機(jī)的參數(shù)可以被重建，用于兩個(gè)相鄰狀態(tài)之間的坐標(biāo)對(duì)齊。

3.2.2 計(jì)算處理采集的圖像

完成標(biāo)記點(diǎn)的中心定位；結(jié)合立體視覺(jué)極線(xiàn)約束理論，立體匹配同一狀態(tài)兩個(gè)相機(jī)同時(shí)采集的圖像，計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，然后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果重建其三維空間坐標(biāo)；這些標(biāo)記點(diǎn)的空間坐標(biāo)主要被用來(lái)拼接兩幅點(diǎn)云。即轉(zhuǎn)換前后兩個(gè)狀態(tài)的點(diǎn)云，使之在同一坐標(biāo)系下。

對(duì)變形條紋的處理，通過(guò)多頻相移解包裹，求出這12個(gè)狀態(tài)下，每個(gè)像素位置和相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，重建出物體表面的各個(gè)點(diǎn)。對(duì)輪廓密集點(diǎn)云的處理，主要通過(guò)算法完成點(diǎn)云去噪，融合相鄰狀態(tài)之間的點(diǎn)云，在坐標(biāo)對(duì)齊的基礎(chǔ)上將重復(fù)的點(diǎn)去除。

3.2.3 后處理。

利用OpenGL圖像開(kāi)發(fā)工具和計(jì)算機(jī)圖像顯示模塊，開(kāi)發(fā)用于計(jì)算結(jié)果可視化窗口，并通過(guò)人機(jī)交互操作，實(shí)現(xiàn)多角度觀察、三維顯示截圖、標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)告輸出等功能。測(cè)量過(guò)程的主要功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作過(guò)程

3.3 主要模塊分析與設(shè)計(jì)

主要模塊包括標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別定位模塊、相機(jī)標(biāo)定模塊、三維坐標(biāo)重建模塊、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊以及結(jié)果顯示輸出模塊。

3.3.1 標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別定位模塊

測(cè)量的最終目標(biāo)是獲取噴管表面的輪廓點(diǎn)云，先求解相機(jī)的內(nèi)外方位元素，確定相機(jī)在空間中的位置和坐標(biāo)系。通過(guò)識(shí)別標(biāo)記點(diǎn)確定前方交會(huì)相機(jī)參數(shù)。

圖4 非編碼標(biāo)記點(diǎn)和編碼標(biāo)記點(diǎn)

設(shè)計(jì)的標(biāo)記點(diǎn)如圖4所示，分為編碼標(biāo)記點(diǎn)和非編碼標(biāo)記點(diǎn)，右邊為編碼標(biāo)記點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)及高精度定位，首先通過(guò)梯度二值化圖像，在二值化圖像中粗定位橢圓，得到一個(gè)包含橢圓的大致的區(qū)域；其次，在這個(gè)小的區(qū)域內(nèi)局部Canny檢測(cè)，得到單像素的目標(biāo)邊緣；接著，用改進(jìn)的梯度幅值法計(jì)算邊緣點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)；最后，用亞像素邊緣擬合橢圓得到精確的橢圓中心坐標(biāo)作為標(biāo)記點(diǎn)中心的定位。為保證標(biāo)記點(diǎn)的準(zhǔn)確提取，在橢圓中心的定位過(guò)程中添加一系列的約束準(zhǔn)則，用于剔除圖像中的非標(biāo)記點(diǎn)目標(biāo)，最終得到準(zhǔn)確的高精度標(biāo)記點(diǎn)的定位。該過(guò)程如圖5所示。

圖5 標(biāo)記點(diǎn)中心定位過(guò)程圖

3.3.2 相機(jī)標(biāo)定模塊

相機(jī)標(biāo)定的任務(wù)是求解相機(jī)的內(nèi)外方位元素，它是三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定方法一般使用張正友模型，但由于該模型考慮的畸變系數(shù)較少，標(biāo)定精度不太高。為了保證標(biāo)定結(jié)果的精度，本設(shè)計(jì)方案采用10參數(shù)相機(jī)畸變模型，提出基于光束平差的相機(jī)自標(biāo)定算法，初始值求解時(shí)的畸變模型為：

光束平差時(shí)使用的畸變模型：

=1··2+2··4+3··6+2(2+22)+2···1（7）

其中，AA、A為徑向畸變參數(shù)；B、B為切向畸變參數(shù)；E、E為薄棱鏡畸變參數(shù)。將以上誤差加入攝影測(cè)量基本共線(xiàn)方程中，得到像點(diǎn)的誤差方程式為：

式中，為像點(diǎn)坐標(biāo)的改正值；1、2、3為外方位元素，物方點(diǎn)坐標(biāo)和相機(jī)內(nèi)部參數(shù)。

其中，3為待標(biāo)定相機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包含了徑向畸變、偏心畸變和像平面畸變等10個(gè)未知參數(shù)。利用上述公，通過(guò)光束平差標(biāo)定運(yùn)算以除解算相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，同時(shí)修正標(biāo)定板上非編碼點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可有效消除絕大部分的系統(tǒng)誤差，標(biāo)定的重投影誤差＜0.1像素。

利用上述算法計(jì)算出測(cè)量的所有內(nèi)外部結(jié)構(gòu)參數(shù)，借助于系統(tǒng)配置的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定板，重建出測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。標(biāo)定板上按照一定規(guī)則分布有編碼點(diǎn)和非編碼點(diǎn)，帶有兩個(gè)標(biāo)尺信息，標(biāo)尺即標(biāo)定板上兩斜對(duì)角標(biāo)記點(diǎn)間的距離。在系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量距離下，依次采集八個(gè)不同方位的模板圖像。

設(shè)計(jì)的標(biāo)定模塊導(dǎo)入相機(jī)采集的標(biāo)定板圖像，即可自動(dòng)完成標(biāo)定，并顯示標(biāo)定結(jié)果。同時(shí)，為方便不同型號(hào)相機(jī)的快速標(biāo)定，模塊應(yīng)提供標(biāo)定參數(shù)設(shè)置功能，可靈活設(shè)置視場(chǎng)參數(shù)、待標(biāo)定相機(jī)參數(shù)和標(biāo)定板的參數(shù)，以滿(mǎn)足不同的標(biāo)定要求。

3.3.3 三維坐標(biāo)重建模塊

利用雙目立體視覺(jué)原理重建圖像點(diǎn)的空間[6]。如圖6所示，雙目CCD相機(jī)和投影儀成等角度擺放，通過(guò)兩個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，就可以利用三角測(cè)量原理求得P點(diǎn)在物方坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

圖6 雙目立體視覺(jué)模型

圖7 3-2-1坐標(biāo)系定義及轉(zhuǎn)換示意圖

如圖7所示，以雙相機(jī)視覺(jué)測(cè)量為例，尋找利用兩個(gè)相機(jī)記錄下空間同一場(chǎng)景的圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。如果兩相機(jī)間的標(biāo)定外參數(shù)（位置關(guān)系）已知，就能夠確定兩相機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)被模型表面標(biāo)記點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。圖像坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中=1，2，即為：

轉(zhuǎn)換為矩陣形式：

其中，是標(biāo)記點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，ab分別為兩幅圖像投影矩陣的元素，1、1為該空間點(diǎn)在第一個(gè)相機(jī)圖像中的像坐標(biāo)，2、2為該空間點(diǎn)在第二個(gè)相機(jī)圖像中的像坐標(biāo)。4個(gè)方程解算3個(gè)未知數(shù)，利用最小二乘法即可計(jì)算出最優(yōu)解。重復(fù)這一過(guò)程即可得到被測(cè)模型表面所有標(biāo)記點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

3.3.4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊

通過(guò)測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其坐標(biāo)系默認(rèn)為相機(jī)標(biāo)定后建立的坐標(biāo)系，為了比對(duì)研究噴管的數(shù)字化模型，需要設(shè)計(jì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行3-2-1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，免去了在用于其他分析時(shí)坐標(biāo)系配對(duì)的繁瑣。

采用3-2-1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法建立測(cè)量坐標(biāo)系，就是通過(guò)在不同平面放置的標(biāo)記點(diǎn)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。圖8是采用3-2-1方法建立被測(cè)物坐標(biāo)系的示意圖，坐標(biāo)系定義需要6個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。其中，平面參考點(diǎn)1、2、3構(gòu)成的平面定義了坐標(biāo)系的方向，直線(xiàn)參考點(diǎn)1、2則定義了坐標(biāo)系的方向，另外一個(gè)參考點(diǎn)則定義了坐標(biāo)系的方向。通過(guò)這種方法，可以非常方便地將測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到任意位置，使之與坐標(biāo)系平行。

3.3.5 結(jié)果顯示輸出模塊

三維顯示模塊主要使用OpenGL庫(kù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云空間顯示，并使用庫(kù)中的函數(shù)完成旋轉(zhuǎn)平移縮放等可視化功能。相機(jī)圖像的顯示使用MFC和相機(jī)自身的SDK編程實(shí)現(xiàn)。這一模塊包含的功能有：

a. 相機(jī)視窗能夠顯示被測(cè)零件的位置，并且實(shí)時(shí)捕捉圖像范圍內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)；

b. 計(jì)算結(jié)果三維顯示，圖像可旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等視圖操作，并具有選取和分析計(jì)算功能，如測(cè)量點(diǎn)間距等；

c. 為了更好的顯示掃描結(jié)果，給出三角網(wǎng)格化結(jié)果。便于在軟件中查看面片及體的生成結(jié)果；

d. 產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果文件輸出格式為ASC或PLY等，這種通用的數(shù)據(jù)格式均可在其他軟件中應(yīng)用。

4 三維光學(xué)形貌測(cè)量方法關(guān)鍵技術(shù)

4.1 外差式多頻相移光學(xué)測(cè)量

采用外差式多頻相移光學(xué)測(cè)量技術(shù)，利用四步相移法，每步有三個(gè)頻率，可獲得三種位相轉(zhuǎn)變模，求取多種條紋的相位主值，恢復(fù)出條紋的真實(shí)相位[7]。

式中，1(,)、2(,)、3(,)和4(,)分別為四步位移的光強(qiáng)，為模式周期，min(,)和max(,)為四種位移光強(qiáng)的最小值和最大值。I(,)是調(diào)制強(qiáng)度。

相位差是：

由三角測(cè)量法求出物體表面該點(diǎn)的高度值：

4.2 海量密集點(diǎn)云快速坐標(biāo)配準(zhǔn)

由于三維光學(xué)形貌測(cè)量方法測(cè)量精度較高，單幅掃描測(cè)量得到的點(diǎn)云中點(diǎn)的數(shù)目在幾十萬(wàn)個(gè)。對(duì)于噴管類(lèi)回轉(zhuǎn)體的測(cè)量，由于需要轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量位置多次測(cè)量才能獲得整體形貌測(cè)量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)目龐大。因此需要考慮如何快速地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)。

通過(guò)標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別和三維重建技術(shù)解算單幅點(diǎn)云中的空間標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)，利用兩次測(cè)量檢測(cè)到的公共標(biāo)記點(diǎn)，求解出坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，重建準(zhǔn)確的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)，可以保證拼接的精度。同時(shí)由于只有為數(shù)不多的公共標(biāo)記點(diǎn)參與坐標(biāo)變換，極大地加快了配準(zhǔn)速度。

兩幅零件圖像中關(guān)聯(lián)點(diǎn)之間的配準(zhǔn)主要是使用四元數(shù)法[8]。假設(shè)兩組一一對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)點(diǎn)集分別為{p}和{q}，每個(gè)點(diǎn)集中點(diǎn)的個(gè)數(shù)為（≥4）。計(jì)算四元數(shù)矢量的過(guò)程如下：

a. 計(jì)算三維點(diǎn)集{p}和{q}各自的質(zhì)心μ和μ，如式（22）所示：

d. 由3×3構(gòu)造4×4對(duì)稱(chēng)矩陣a。

計(jì)算M的最大特征值所對(duì)應(yīng)的單位特征向量，該向量就是所求的四元數(shù)矢量。由此可根據(jù)四元數(shù)和旋轉(zhuǎn)矩陣的關(guān)系，求得旋轉(zhuǎn)矩陣。

計(jì)算平移矢量。

因此，采用單位四元數(shù)法旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)、求解平移矩陣。

4.3 大尺寸零件全方位精確測(cè)量

對(duì)于尺寸較大的零部件，甚至數(shù)倍于測(cè)量幅面時(shí)，當(dāng)依靠前后公共點(diǎn)坐標(biāo)配準(zhǔn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)累積拼接誤差和測(cè)量速度慢的情況[11]。為了提高大尺寸噴管掃描拼接的速度以及噴管表面輪廓點(diǎn)云的測(cè)量精度，提出了一種使用全局點(diǎn)快速配準(zhǔn)的方法。

在被測(cè)物體周?chē)贾靡欢〝?shù)量的標(biāo)記點(diǎn)，通過(guò)攝影測(cè)量技術(shù)，解算出這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)。當(dāng)掃描測(cè)量時(shí)，單幅掃描獲得了局部標(biāo)記點(diǎn)的空間坐標(biāo)，這些標(biāo)記點(diǎn)的空間位置關(guān)系采用算法整體映射在全局空間中。同理，在保證整個(gè)測(cè)量過(guò)程中全局點(diǎn)的空間位置相對(duì)不變的情況下，任意測(cè)量方位獲得的點(diǎn)云總是可以快速地加入到全局空間。這種快速的全局配準(zhǔn)方法，測(cè)量過(guò)程不必去考慮前后測(cè)量面的公共重合程度，在測(cè)量距離下可任意放置測(cè)量角度，極大地提高了測(cè)量的靈活性[12]。全局點(diǎn)的使用可以最大程度地減小測(cè)量累積誤差，保證測(cè)量精度。

上述映射算法定義坐標(biāo)系下測(cè)量獲得的所有標(biāo)記點(diǎn)集為，單幅掃描獲得的標(biāo)記點(diǎn)在其自身坐標(biāo)系下的點(diǎn)集為，為大樣本，為小樣本，匹配流程如圖9所示。

圖9 全局點(diǎn)匹配原理示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

a. 三維光學(xué)形貌測(cè)量方法受被測(cè)件表面明暗影響小，對(duì)于表面不反光的物體可以直接測(cè)量，不需要噴涂顯影劑。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，測(cè)量精度更高，且能夠測(cè)量表面發(fā)生劇烈變化的零部件，并可測(cè)量大型工件，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)拼合，可用于不規(guī)則復(fù)雜曲面產(chǎn)品的移動(dòng)便攜式三維測(cè)量。

b. 硬件設(shè)備高度集成，一體化設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定可靠。軟件一體化集中控制所有硬件設(shè)備，包括相機(jī)、光柵投射器等。該方法能夠準(zhǔn)確獲得零件表面的形貌數(shù)據(jù)，測(cè)量所得的數(shù)據(jù)可用于逆向加工和優(yōu)化再設(shè)計(jì)。

c. 該測(cè)量方法可推廣應(yīng)用到航空航天、軍工、汽車(chē)等高端制造行業(yè)，為更多國(guó)防重點(diǎn)型號(hào)和項(xiàng)目的設(shè)計(jì)制造提供一系列解決方案。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)整機(jī)及零部件快速、無(wú)損檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，減少產(chǎn)品制造加工廢品率以及節(jié)約原材料和能源的目的。

1 安志勇，曹秒，段潔. 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2013(18)：48～51

2 張雨?yáng)|，駱清銘. 超高分辨、高靈敏光學(xué)檢測(cè)方法與技術(shù)[J]. 中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2016，46(8)：1136～1155

3 張德海，梁晉，郭成，等. 三維數(shù)字化尺寸檢測(cè)在逆向工程中的研究及應(yīng)用[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2008，21(4)：67～70

4 毛先富，蘇顯渝，向立群，等. 基于手持相位標(biāo)靶技術(shù)的光學(xué)三維坐標(biāo)測(cè)量[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(7)：2006～2011

5 韓江濤，張英杰，李程輝，等. 面向光學(xué)三維測(cè)量的非均勻條紋生成方法[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，51(8)：12～18

6 孫偉，何小元，Quan C，等. 基于數(shù)字圖像相關(guān)的三維剛體位移測(cè)量方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(5)：894～901

7 Huntley J M, Saldner H O. Error-reduction methods forshape measurement by temporal phase unwrapping algorithms[J]. Meas.Sci. Technol,1997,8(9)：986～992

8 劉曉利，彭翔，殷永凱，等. 借助標(biāo)志點(diǎn)的深度數(shù)據(jù)全局匹配方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(4)：1010～1014

9 梁新合，宋志真. 改進(jìn)的點(diǎn)云精確匹配技術(shù)[J]. 裝備制造技術(shù)，2008(3)：41～42

10 張德海，崔國(guó)英，白代萍，等. 逆向工程中的三維光學(xué)檢測(cè)點(diǎn)云采樣技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2014，31(3)：946～948

11 Kinell L, Sjodahl M. Robustness of redueed temporal, phase unwrapping in the measurement of shape[J]. APPI. Opt, 2001, 40(14): 2297～2303

12 Helfrick M N, Niezrecki C, Avitabile P, et al. 3D digital image correlation methods for full-field vibration measurement[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2011, 25(3): 917～927

A Method for Measuring the Full-field Morphology of Solid Rocket Motor Nozzle Based on Three-dimensional Optical Measurement Technology

Fan Boxuan1Chen Guiming1Lin Hongtao2Li Hui3

(1. Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025；2. Unit 31004 of the People's Liberation Army, Beijing 100091；3. The First Military Representative Office of the Rocket Force in Xi?an, Xi’an 710025)

To overcome the problems of extrusion error and low efficiency of traditional contact measurement methods, a non-contact three-dimensional optical morphology measurement method based on heterodyne multi-frequency phase shift technique is proposed. On the basis of discussing the principle of three-dimensional optical topography measurement, this paper analyzes and designs the function, working process and main modules of three-dimensional optical topography measurement method, and expounds the key technologies of heterodyne multi-frequency phase-shift optical measurement, optimization treatment of massive dense point cloud, and all-round accurate measurement of large-size parts. It can quickly and accurately establish the three-dimensional digital model of solid rocket engine nozzle and other parts, and provide more abundant basic data for the detection and innovative design of solid rocket engine.

solid rocket engine nozzle；three-dimensional optics；morphological measurement；digital

樊博璇（1987），博士，兵器科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)；研究方向：武器系統(tǒng)運(yùn)用與保障工程。

2020-08-11