拍照扫描测量技术在检测弱刚性半框工件弧长中的应用

郭国，解松，喻秀

天津轻工职业技术学院机械工程学院 天津 300350

1 序言

某特殊用途的大直径、弱刚性框环由两个半框拼接而成，设计人员对框环的周长要求较高，在加工过程中需要严格控制单个半框的内圆弧长，以保证拼接后所得整框的内圆周长，半框工件实物如图1所示。因半框内圆弧长对框环的精度要求较高，设计人员要求半框的弧长公差为±0.3mm。

图1 半框工件

该半框的内型面是理论半径为2504mm的圆柱面，工件尺寸较大，且厚度较薄，是一种大直径、弱刚性的工件。该半框由滚弯加工而成，由于滚弯加工过程会使工件产生拉伸变形，所以为了得到弧长合格的产品，需要在滚弯加工后，测量其内弧长，根据测量结果去掉多余长度，然后进行检验，得到最终的产品。因此，产品滚弯后的准确测量，是保证产品精度的关键。

半框截面相关尺寸如图2所示。半框为细长结构，其截面为L形，宽度为46mm，高度为75mm，最大厚度不足8mm，刚性较弱。将半框自由状态平放于平台上，其圆度较差，无法采用常用的三坐标测量机拟合圆，通过半径和圆心角推算的方法测量其弧长。目前，该生产环节采用传统的对比样板的方法进行测量，会存在较大测量误差，无法为生产提供准确有效的数据，导致产品超差严重，影响后续的使用功能。

图2 半框截面尺寸

针对上述问题，我们通过探索与试验，应用DPA+拍照式三维扫描测量技术，实现了大直径、弱刚性半框弧长的测量。并经过重复测量试验，评定测量不确定度，验证了测量方法的准确性和有效性。

2 内圆弧长检测方法

目前，行业内测量大直径内圆弧长的方法主要有3种：样板辅助测量法、三坐标拟合圆法以及三坐标扫描测量法。现对这3种方法逐一进行介绍。

2.1 样板辅助测量法

样板辅助测量法是一种较为传统的弧长检测方法，这种测量方法在定性的检验中应用较多。其测量原理是将样板和产品置于平台上，将样板的外弧面与产品的内弧面进行贴合，产品与样板的首端对齐，采用辅助夹具夹紧，使用游标卡尺或者样板自带的刻度测量二者尾端的长度差。根据样板的长度和二者的长度差，换算得到半框的内弧长。这种测量方法原理简单、操作方便，但是在实际使用过程中，检测精度不高。测量过程主要包含了以下检测误差：样板自身弧长存在误差；半框与工件首端存在对齐误差；二者贴合不紧引入的误差；尾端的测量误差。目前，采用这种测量方法的半框，在后续使用环节中，产品的精度难以满足使用功能，返修率较高。

2.2 三坐标拟合圆法

目前，行业内多使用三坐标测量机检测弧长，使用的测量方法为拟合圆法。其原理为：将弧形工件平置于平台上并进行装夹定位；通过使用三坐标测量机在内弧面上均布采集数据点，将数据通过算法进行拟合圆，得到内弧圆心位置和半径值；通过探测工件首尾两端的端面，获取工件的圆心角；利用测量得到的半径值和圆心角计算弧长。这种测量方法对于圆度较好的工件，检测精度较高，且原理简单、操作方便，在行业中应用较广。因本文所研究的半框工件刚性较弱，圆度误差较大，采用拟合得到圆的半径推算弧长存在较大的偏差，所以该测量方法无法应用于大直径、弱刚性半框弧长的检测。

2.3 三坐标扫描测量法

三坐标扫描测量法是一种特殊的测量方法，测量原理为：扫描前设置扫描路径（圆）和扫描点间隔（μm级），使用接触式扫描测针高密度自动扫描工件的内弧面，扫描完成后利用扫描获得的总点数和扫描间隔计算半框弧长。这种测量方法精度较高，可以满足常规产品的测量需求。但是半框圆度较差，在扫描半框的过程中，三坐标测量机因实际扫描路径与理论设置的扫描路径偏差太大，频繁报错，无法完成对工件的扫描。因而，该测量方法也无法应用于大直径、弱刚性半框弧长的检测。

3 试验过程

本文通过探索，尝试使用DPA测量技术与拍照扫描技术相结合的方法测量半框内弧长，并进行了重复测量试验。

3.1 测量原理

拍照式三维扫描仪是将光源投影到被测量物体的表面上，利用光学拍照定位技术和光栅原理，获得工件表面的点云数据。在测量时，光栅投影特定编码的结构光到被测物体上，光栅条纹受到物体表面形状的调制，其相位关系会发生变化，然后经过数字图像处理，并对图像进行相位计算，利用三角形测量原理和匹配技术，算出视区内像素点的坐标，形成一批点云数据。拍照扫描之前，需要在工件表面粘贴指定规格的标记点，辅助软件将多批点云数据进行拼接，最终形成完整的点云模型。

本文所使用的三维扫描仪为高精度白光拍照式三维扫描仪，其精度参数为0.02mm/500mm。半框理论半径为2504mm，计算理论弧长为7866.55mm。若直接采用拍照测量机进行测量，则理论上整体累计误差到达0.31mm，检测误差较大。

针对上述问题，采用D PA测量技术与拍照扫描技术相结合的方法。DPA测量技术是一种高精度的数码摄影测量技术，利用工业级数码相机实现对空间点的高精度定位，D PA测量系统的精度为（23+7L）μm（L为产品长度，单位为m）。

DPA测量技术与拍照扫描技术相结合，即先利用高精度的DPA测量系统对半框（标记点）进行整体高精度定位，获取标记点模型。然后使用拍照测量机进行扫描，获取半框的细节数据。这种测量方法理论上可以将测量累计误差控制在0.08mm以内，检测精度有了大幅提升。

3.2 获得半框标记点模型

为了确保测量的准确性，需要对测量环境进行控制。在整个测量过程中，测量条件均满足：测量室内气温18～22℃，湿度45%～55%，且现场无振动、无强光干扰。

测量之前，先进行准备工作。首先将半框置于高精度的平台上，确保半框内弧面与底面垂直。在被测框环上粘贴标记点，控制相邻两标记点的间距在100mm以内。然后在工件周围布置编码点和比例尺，要求编码点的间隔在500mm以内，两个比例尺应避免平行放置，如图3所示。其中，标记点是内圆为3mm的标准件，用于标记和定位；编码点用于辅助点位；比例尺是两条标准长度的杆，用于尺寸的校准。

图3 准备工作

准备工作完成后，利用DPA相机进行拍照，获取标记点、编码点和比例尺照片信息，将照片导入OPTOCAT测量软件中，通过处理，去掉编码点和无效杂点，形成标记点模型，如图4所示。标记点模型是由标记点构成的数据点组合，用于拍照测量机测量过程中相邻两幅画面的拼接。

图4 标记点模型

3.3 获得半框工程模型

使用拍照测量机对半框内弧面进行逐段拍照扫描（见图5），在整个测量过程中，半框的位置不能发生移动。整个工件拍照扫描完成后，使用软件将所扫描的画面拼接合成，并对局部小范围的缺陷进行补洞、重塑、光顺等处理，最终得到半框内型面的工程模型，如图6所示。

图5 逐段拍照扫描

图6 半框内型面工程模型

3.4 获取弧长数据

将半框工程模型导入Polyworks软件中，通过提取相关数据，构建半框底面，并以底面为基准，建立单轴坐标系，圆心设置在底面上，如图7所示。

图7 建立坐标系

按照设计要求，需评价距离底面高度为10mm处的半框弧长。本文以底面为基准，创建距离底面为10mm的平行面，该平面与半框工程模型内弧面的交线即为所要的弧线，如图8所示。使用软件评价该弧的长度，即为被测内弧长。

图8 提取弧线示意

4 测量不确定度分析

通过分析，该测量方法的测量不确定度的来源主要包括两个方面：测量重复性引入的测量不确定度u1、扫描测量仪精度引入的不确定度u2。

对于温度、湿度和振动等环境因素，因试验环境为三坐标检测室，为恒温恒湿环境，且产品置于6m×6m的三坐标配套的铸铁平台上，没有振动，所以本文对环境因素不作考虑。

（1）测量重复性引入的测量不确定度评定 使用DPA+拍照测量机对该半框工件进行了6次测量，每次测量的测量方法一致。评定对应的均值和标准差，测量结果见表1。

表1 测量结果

测量不确定度u1＝σ/n1/2＝0.063/61/2m m＝0.026mm。

（2）设备不准确引入的不确定度评定 设备的不确定度引入的标准不确定的分量按照B类方法评定。DPA+拍照测量机示值误差范围为（23+7L）μm，产品长度按照7.87m计算，按照均匀分布，则不确定度u2＝（0.023+0.007×7.87）/31/2mm＝0.045mm。

（3）合成不确定度评定 合成不确定度uc＝（u12＋u22）1/2＝0.052mm。（4）扩展不确定度评定 取置信概率P=95%，k=2。则扩展不确定度U＝k uc＝2×0.052m m＝0.104mm。

评定结果U＝0.1 0 4 m m，小于设计要求的0.3mm，满足检测要求。

5 结束语

本文介绍了一种使用DPA+拍照扫描测量技术检测大直径、弱刚性半框内弧长的方法，并进行了6次重复测量试验。通过分析和计算，最终得到扩展不确定度为0.104mm（k=2），满足产品的测量要求，验证了该方法的有效性，为精密测量技术人员测量同类产品提供了一种有效、可靠的解决方案。