基于光笔式三坐标的大型结构件视觉测量

林华钊

摘 要：经济全球化的快速发展在极大程度上推动了我国现代制造业的不断发展，同时也给大型结构件提出了更高的要求。该文主要研究基于光笔式三坐标的大型结构件视觉测量的原理、具体的实施方法、应注意的事项等，以供同行业工程项目参考，进一步促进我国现在制造业的经济及社会效益。

关键词：光笔式 三坐标 大型结构件视觉测量

中图分类号：TB12 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（b）-0066-03

1 项目背景

“十二五”以来，我国现代制造业得到了迅猛发展，对大型结构件的需求和要求也日益提高。大型结构件产品多采用传统的π尺、电子经纬仪、超声波、关节臂式三坐标等测量方法，由于存在受限制条件多、精度差、检测效率低等诸多问题，很难满足大型结构件的测量要求。因此，光笔式三坐标的出现，以其可靠高效、能满足复杂多变的生产需求、并且服务于现场，使大型结构件的测量朝着更为方便、高精度的方向又迈进了一大步。该项目通过使用光笔式三坐标，进行关键数据采集对比，验证大型结构件的实际加工结果，为下一步装配试验提供了数据基础和过程支持。

2 视觉测量原理

光笔式三坐标使用视觉测量技术（又称为数字近景摄影测量技术），是一种立体视觉测量技术，具有在线、实时三维测量的能力，尤其适合于大型结构件或三维空间点位、尺寸和轮廓的检测。

该项目使用的光笔式三坐标为加拿大CREAFORM公司生产的HandyPROBE光笔，并与C-Track780双摄像头传感器配合视觉测量，光笔式三坐标的视觉测量示意图及测量简图见图1、图2。

光笔式三坐标主要由一支测量用的光笔、一架用来追踪光笔方位和姿态的双摄像头传感器和一台装有VXelements软件的工作站（计算机）所组成。在光笔的笔身上，装有9个标志点（回光反射点），以及一个专用于接触式测量的红宝石球形测头。

在进行测量的时候，红宝石球形测头接触大型结构件待测面，双摄像头传感器自动识别光笔身上的9个标志点图像，工作站通过软件进行图像处理，得到标志点的像面坐标，进而由特定模型算法解算出测头中心的XYZ坐标，亦即大型结构件表面上测头接触点的XYZ坐标。同样方法测量大型结构件待测面上其他点的坐标，利用这些点的XYZ坐标，就可以拟合被测元素以及评价测量元素的尺寸、形状和位置等误差项目。

3 实施方法

3.1 分析大型结构件特征

由某公司研发的大型结构件设计图，须保证PT1-PT8、DE1-DE9、DE11-DE13共20个关键的形状和位置尺寸。大型结构件按主体铸造、部件（五轴加工）、螺栓联接、焊接加工后，每个关键位置预装SKF高精度内球面轴承，各轴承安装完成后实际中心位置应符合设计图位置度要求。

分析图纸得关键位置实际测量范围约为：长3.25 m、宽2.6 m、高1.6 m。轴承安装完成后的结构件须在现场条件下进行测量，且形状较大较复杂，传统的固定式、关节臂式三坐标均受到限制。因此，测量方案最终选用光笔式三坐标进行视觉测量，对各轴承中心进行位置度测量。

3.2 搭建视觉测量系统

光笔式三坐标测量系统的搭建分为硬件连接与标志点设定两大部分。硬件连接是按照设备要求将电源、控制器、电缆、双摄像头传感器、三脚架进行组装。通过在大型结构件的周围（上、下、左、右、前、后）设定一定数量的定位及过渡标志点（图3），来构建有效的参考坐标系，以便在同一参考坐标系中进行动态过渡的视觉测量。至此，视觉测量系统搭建完成。

3.3 采集现场行位数据

通过现场操作光笔式三坐标对基准元素等进行视觉测量（图4），得到基准元素在参考坐标系中的XYZ坐标。根据测量要求使用Metrolog软件计算，通过迭代法将基准元素拟合为工作坐标系，依次采集PT1-PT8、DE1-DE9、DE11-DE13的形状和位置尺寸。

3.4 输出测量数据报告

数据采集完成后，将软件计算结果与设计要求进行比对，此次测量的尺寸及位置度均在公差范围内，最后输出测量数据报告（表1）。

4 总结评估

4.1 高柔性、高效率

当定位及过渡标志点设定及参考坐标系建立完毕，就可以自由地移动双摄像头传感器，实现动态的视觉测量（只要标志点与大型结构件的相对位置不发生变化，大型结构件也可以自由移动），大大缩短了项目测量的时间。

4.2 高精度

测量前首先要测试光笔式三坐标的不确定度，使用单点及距离重复性的方法验证数值分别为0.042 mm及0.086 mm，具有较高的精度，符合大型结构件测量的要求。同时，测量精度的稳定，对环境因素（温度、湿度、光源等）和操作者的技能熟练度有一定的要求。

总之，使用视觉测量技术的光笔式三坐标由于其容易携带、测量精度高、可快速实现扩展测量量程、对现场环境适应强等优点，已经成为大型结构件、工装夹具安装调试、模具等生产制造、变形监测、新车研发试制、车间在线测量的重要测量手段。

参考文献

[1] 彭凯.光笔三坐标视觉测量系统关键技术的研究[D].天津：天津大学，2004.

[2] 唐志豪.基于双目立体视觉的测量技术研究[D].镇江：江苏大学，2006.

[3] 迈卓诺公司.迈卓诺光笔测量仪：树立了便携式大尺寸坐标测量系统的新基准[J].航空制造技术，2009（3）：97.