基于结构光三维扫描技术的小尺寸轴同轴度精密测量方法研究

郝华东　施浩磊　吴泽南　洪辉

摘要：针对传统测量方法存在的准确度不高、检测速度慢等问题，该文提出一种基于结构光三维扫描技术的小尺寸轴类零件的同轴度精密测量方法。采用视频图像信息的采集、视频图像处理和三维模型重构等技术实现轴类零件扫描重建，运用点云数据处理系统和同轴度误差计算系统获取同轴度误差。选取一小尺寸轴作为研究对象进行试验，系统重复性测量的标准偏差为0.7μm，以同軸度测量仪测量的径向跳动数据作为参考，截面最大差值为8.2μm，测量结果满足要求。该文可为小尺寸轴类零件的同轴度检测提供参考。

关键词：结构光；三维扫描；小尺寸轴；同轴度；精密测量

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2018）02-0036-05

0引言

轴类零件在加工过程中受到机床主轴回转不平衡、刀具与主轴之间的受力不均匀、材料热应变等诸多因素影响，产生同轴度误差，影响轴类零件的配合精度，加剧互配件的磨损，最终导致其使用寿命降低。作为轴类零件重要的形位公差之一，同轴度误差不可避免。同轴度误差测量方法主要有同轴度测量仪器法、三坐标测量仪法、圆柱度测量仪法和激光准直法等。第1种方法需人工手动操作，会引入人为误差，适用于对精度要求相对不高的情况；第2、3种方法精度相对较高，但测量速度较慢；第4种方法采用的是非接触式的高精度测量仪，测量对象一般为大尺寸孔轴。

目前，国内外同轴度测量的发展趋势主要分为两方面：1）新的测量方法如基于图像处理的同轴度测量方法：2）基于原有方法的改进来降低同轴度测量误差，如对三坐标测量机测量同轴度误差的研究等测。针对上述方法存在的测量效率低、精度差等诸多不足，本文提出一种基于结构光三维扫描技术小尺寸轴类零件的同轴度精度测量方法和系统，通过试验分析验证本文方法的可行性和有效性。

1结构光三维扫描原理

结构光三维扫描测量系统主要由结构光发射和接收系统、图像采集及处理系统等构成（如图1所示）。其测量原理是向被测物投射一种固定的结构光源，在被测物表面反射发生形变，通过接收系统接收形变光图像，通过图像采集及处理系统事先调制的光结构参数以获取被测物的空间三维形态。由于一次测量只能获得物体部分三维信息，在测量前进行系统定标，并放置拼接靶标进行特征参考点设置，通过移动测量系统并定位跟踪特征点坐标，可以获得局部测量坐标系到全局坐标系的转换关系，实现坐标系的统一。对拼接后的三维点云数据进行拼接、剔除、网格化、曲面重构等过程，进而在被测轴上选取多个横截面的圆，通过圆心拟合计算出各截面圆的圆心，以被测轴两端轴截面圆的圆心作为基准轴线，计算被测轴各个轴线相对于基准轴线的同轴度，取其最大值作为该被测零件的同轴度。

2硬件设计

本系统硬件主要包括视频图像信息的采集、视频图像处理和三维模型重构3个部分。视频图像信息的采集是由硬件部分来完成的，该部分主要由CCD摄像机、接收器、数据采集器等硬件组成。

1）发射器：发射光信号单元，选用COMETL3D-5M800-12.5mm摄像头。

2）接收器：采集光信号单元，选用COMETL3D-5M800-12.5mm摄像头。

3）数据采集器：采样参数，输入上位机软件。

4）三角平台：用来控制发射和接收单元转/移动。

5）前端通信接口：响应来自上位系统的控制命令，并对其进行解码。组织采样数据等原始数据，并打包发送到上位系统。

3软件设计

软件系统由点云数据处理系统、同轴度误差计算系统两部分组成。点云数据处理系统主要实现点云数据的拼接、约减、剔除、网格化、曲面拟合以及存储管理等功能。同轴度误差计算系统通过对被测轴类零件各个截面圆的圆心进行拟合，以基准轴线作为参考值，计算同轴度误差。

3.1点云数据处理系统

由于被测物各部分形状特征各不相同，为了达到所需的重构精度，应充分考虑被测物的几何特征，所以结合自适应技术实现三维重构。完成测量后，得到被测物表面各点的三维坐标信息，利用这些数据点进行三维重构前，需要对坐标数据进行平滑、简化和修补等处理工作。算法基本原理如下：根据点云模型表面的几何复杂程度以及分布密度，自适应地选取中心点，并确定中心点作用半径，使用局部二次曲面函数逼近对每个中心点。隐式曲面模型为

4小尺寸轴测量试验

4.1试验准备

以一小尺寸标准件（如图2（a）所示）作为试验对象，即为2冲4马力船外机马达发动机推进器挂机，分为3段阶梯轴，测得轴1直径为13.00mm，长度为32mm，轴2直径为14.9mm，长度为33mm，轴3直径为10.9mm，长度为8mm，各段同轴度要求为50μm。应用本文系统扫描小尺寸轴，对点云数据曲面重构处理后得到的点云视图（如图2（b）所示），得到各截面圆心值，拟合基准轴线并计算同轴度误差，同时采用同轴度测量仪进行测量。

4.2小尺寸件基于结构光三维扫描方法试验

对各段轴进行分层（如图3所示），每隔1.5mm截取一个截面。如图4所示，取第1段轴22个截面，第2段轴4个截面（因轴2有部分为不规则圆，所以只取前端完整圆面部分4个截面计算），第3段6个截面，总计32个截面分别进行圆心拟合，得到32个圆心。将轴1和轴3端点——点1和点32的连接线（即直线1）作为基准轴线。

以直线1作为平面1的中垂线，如图5所示，为各圆心点在平面1中的投影分布图，得到各点在该平面以点1为中心的散乱分布。图6为各段轴对基准轴线的最大包容面，经过计算可得各段轴对基准轴线同轴度，其中轴1同轴度为27μm，轴2同轴度为18μm，轴3同轴度为37μm。对该小尺寸件重复测量10次，其圆心点坐标重复性试验的标准偏差值最大值为0.7μm，满足要求。

4.3小尺寸件基于径向跳动测量法试验

采用同轴度测量仪基于径向跳动测量法对上述零件进行同轴度测量，与结构光三维扫描法测量结果进行比较。同轴度测量仪，经千分表检定合格，测量范围为0～5mm。试验步骤和原理如下：

1）将被测零件基准轮廓要素的中截面（两端圆柱的中间位置）放置在同轴度测量仪上。

2）调节千分表，使测头与工件被测外表面接触，并有1～2圈的压缩量。

3）缓慢均匀转动工件一周，观察百分表指针的波动，取最大读数与最小读数的差值，为该截面的同轴度误差。

4）转动被测零件，按上述方法测量多个不同截面，取各截面测得的最大读数与最小读数差值中的最大值（绝对值）作为该零件的同轴度误差。

4.4数据分析

以试验1分段截面为参考，将上述两类方法每个截面的相对基准轴线的同轴度误差进行比较，得到图7。从图中可以得出，结构光三维扫描法和径向跳动法之差绝对值最大为8.2μm（第9个截面），绝对值最小值为0.1μm（第23个截面）。其他截面差值大部分均在0～5μm之间，分析本系统可能存在系统性偏差。测量系统评判标准为：当测量标准高于或等于测量设备1/3准确度时满足要求：△_max≤1/3MPE本设备检测对象，已知该小尺寸标准件同轴度要求为50μm，两者之差绝对值最高为8.2μm，满足评判要求。通过这两种方法比较可得，对该小尺寸件，本测量系统能够满足测量要求。

5结束语

本文提出一种基于结构光三维扫描技术的小尺寸轴类零件的同轴度精密测量方法，它将结构光扫描检测系统、定位系统和数据处理系统相结合，测量系统通过结构光扫描被测轴类零件，得到其三维点云数据，通过软件处理点云数据计算同轴度误差，实现了小尺寸轴类零件同轴度误差的测量。本文应用该测量系统对小尺寸件进行扫描试验，试验结果表明该方法的可行性。