三维摄影测量技术在混流式水轮机叶片尺寸检测中的应用

2021-07-30李文定沙学录

铸造设备与工艺 2021年3期

吴垠，李文定，沙学录

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021）

三维摄影测量技术，是利用相机、反光贴、编码点、标尺、计算机等设备将三维实物转化为三维模型，通过在计算机上进行分析等操作，实现测量这一逆向工程。三维摄影测量技术已较为成熟，广泛用于城市规划、文物保护、城市道路设计、不动产测量登记等领域，具备良好的应用和发展前景。

水轮机的铸件质量和体积较大，并且其叶片的结构形式较为特殊，在现场对叶片的尺寸进行接触式检测存在困难，并且检测效率不高，而利用三维摄影测量技术将三维实物转换为点云模型，再与标准模型比对，尺寸偏差一目了然，工作效率大大提升。

1 三维摄影测量技术

1.1 三维摄影测量技术特点及发展

三维摄影测量技术，是基于三维摄影测量系统，利用照相机技术来获取物体某些特征点的三维坐标来进行的一种测量方法，这种测量系统又被称为近景摄影或照相定位测量系统。

三维摄影测量系统，在工业测量和工程测量方面一般称为近景摄影测量。其经历了从模拟、解析到数字方法的变革，硬件也从胶片相机变革到数字式相机。三维摄影测量系统通过在不同的位置和角度获取同一物体的多幅点云图像，经过计算机图像匹配等处理过程以及相关的数学计算后得到待测点的精确三维坐标。三维摄影测量具备精度高、非接触式测量以及便携等特点，此外它还具有全站仪、激光跟踪仪等其他系统所不同的特点，测量现场工作量小、快速、高效，而且不易受温度、气候变化、振动等外界因素的干扰。

三维摄影测量主要运用于测量物体表面的编码点与标志点的三维坐标，得到超大物体的三维空间坐标；可对待测试件与CAD 设计图纸、三维模型等进行比对，提高检测质量；可测量出工件在不同受力状态下及不同时期的变形等，可用于汽车、桥梁、飞机等的变形监测。因此，三维摄影测量技术主要应用于机械制造、建筑工程、测绘工程等领域。

目前三维摄影测量技术在国内发展处于起步阶段，应结合铸件测量方面不同的铸件进行对三维摄影测量技术进行改进和完善，加强三维摄影测量技术的利用度，提高铸件的检测效率，促进生产力发展。三维摄影测量技术在铸造中的发展和研究主要集中在高精度的相位计算、对应点的查找算法、高速计算模型的建立等方面，在铸造领域的应用主要包括铸件本身精度的检测，在铸造磨具的的尺寸检测应用以及砂芯尺寸检测方面的应用。三维摄影测量技术适于大尺寸、高精度、多曲面的铸件尺寸检测，如水电叶片及水电整铸转轮等设备的尺寸检测，适用于矿山机械进出料端端盖、齿圈的检测，汽轮机产品高中压外缸的尺寸检测。

1.2 三维摄影技术测量设备

三维摄影测量技术，采用的设备包括高倍数码相机、编码点、反光贴点、高精度测量标尺、计算机及辰维MPS/S 单相机工业测量系统软件等设备，如图1 所示。

图1 三维摄影测量设备

MPS/S 单相机工业测量系统适用于静态目标的高精度测量，能满足大体积工业产品的外形尺寸检测的精度需求；测量范围在0.3 m 到数30 m 之间，一次测量可采集到数千万点的三维坐标；同时该测量系统与专用的保护罐相结合，可在高温、低温、有毒、真空等不宜于接触式测量的环境下进行测量。此外，整个系统可放置在一个旅行箱中，只需一人即可携带到测量现场。MPS/S 单相机工业测量系统可对大空间尺寸和形位公差进行高精度检测，测量精度可达0.01 mm.

1.3 三维摄影技术测量原理

三维摄影测量技术的测量原理和操作流程如下：

（1）将反光贴点贴在待测铸件产品的某些特征部位，并布设编码点，之后放置高精度比例尺；

（2）选择合适的拍摄位置、拍摄距离和角度以高分辨率数码相机获取照片；

（3）利用摄影测量系统软件计算出待测产品表面参考点的三维坐标。

三维摄影测量技术的测量原理如图2 所示与人视觉的三维计算基本原理类似，即若在某一空间两个或以上不同位置拍摄到同一特征点，那么该特征点的三维坐标可经计算获得。

图2 三维摄影测量原理示意图

2 混流式水轮机叶片结构特征

2.1 混流式水轮机叶片结构

混流式水轮机属反击式水轮机的一种，转轮是混流式水轮机工作的核心部件，转轮由上冠、叶片和下环组合形成坚固的整体钢性结构，如图3 所示。水轮机转轮叶片是组成水轮机转轮中最重要的组成部分，具有将水势能转换为机械能的作用，其构造面多为曲面，其中包括正面、背面、上冠面、下环面、进水边和出水边。叶片的断面形状为翼形，转轮中叶片数目的多少对水轮机的水力性能和强度具有显著的影响。

图3 涡流式水轮机叶片构造图

涡流式水轮机叶片为整体构造，且各结构面大多为曲面形状，由于叶片所有结构面均为曲面，构成曲面的各特征点的三维坐标都不同，而平面结构至少有两点的一个坐标值是相等的。基于叶片的这种特殊结构，采用千分尺、游标卡尺、卷尺等传统的测量方法和工具无法满足铸件测量的精度和效率，因此需要采用非接触式的三维摄影测量技术进行测量，通过构建的三维模型检测设备来提高测量精度和测量效率。

2.2 混流式水轮机叶片标准模型

混流式水轮机叶片的标准模型是通过计算的IGS 数据文件和图纸文件等进行逆向还原，生成标准模型，如图4 所示，为便于将叶片实物与标准模型进行比对，检测二者的尺寸差异，确保叶片的铸造质量。水轮机叶片标准模型生成过程如下：

图4 水轮机转轮叶片模型图

（1）UG 软件建构模型生成IGS 格式数模文件

UG 软件是一种基于C 语言开发来实现的产品工程解决方案，可以在工业产品设计和加工过程中提供数字化造型和验证方法，具备强大的功能，可以实现各类复杂实体或造型的构建，并且具备强大先进的渲染工具和可视化工具满足产品的外观审美要求。同时，UG 软件还具备大量广泛的产品设计应用模块，具备较强的机械设计能力和制图功能，能够设计造型复杂的叶片等产品。

（2）Polyworks 软件将IGS 数模文件拟合生成标准模型

Polyworks 软件是一套全面的软件解决方案，可用于根据高密度点云建立精确而平滑的多边形模型和NURBS 表面，并且能够快速构面。Polyworks 软件主要应用于逆向工程，如工业产品的3D 扫描、设计、检测、数字化制造以及医学等领域。Polyworks 软件通过扫描叶片的原型以及点云来检测叶片，可在制造过程中及时发现偏差并予以解决，从而保证叶片生产制造的效率和质量。

3 三维摄影测量混流式水轮机叶片的关键技术问题

3.1 三维摄影技术测量叶片过程

三维摄影测量叶片的操作过程如图5 所示。

图5 三维摄影测量过程

3.1.1 支垫

在测量前需要将铸件进行支垫，漏出足够多的结构面，便于测量，需要根据不同的叶片结构、重量等选择合适的支垫位置。

3.1.2 贴点

不同类型和型号的铸件叶片，其形状和体积等结构特征不同，需要根据不同的铸件结构选择合适的贴点位置和贴点数量。

3.1.3 布编码点

不同的铸件叶片具有不同的结构特征，各结构面的形状也不尽相同，因此需要根据铸件的具体特征在各结构面内合理布置编码点，并在特殊位置增加编码点保证每张照片至少有4 个编码点。

3.1.4 设置相机

在运用三维摄影测量技术获取铸件照片前需要对相机存储卡的容量、相机电池电量等进行检查，并设置相机的曝光时间、闪光灯的同步时间和快门速度1/16.

3.1.5 照片拍摄

拍摄前结合不同的叶片结构特征等提前规划拍摄角度和距离保证距离在1 m～5 m 范围，保证对叶片和基准尺的拍摄距离和拍摄清晰度等。

3.1.6 数据处理

运用MPS 工业测量系统等软件进行数据处理，操作步骤大致为：打开MPS 工业摄影测量系统软件，新建项目并导入照片、基准尺。

3.1.7 模型拟合

利用Polyworks 软件进行叶片模型拟合，针对不同的铸件叶片结构特征寻求最佳的模型拟合结果。

3.1.8 铸件标识

对三维摄影测量值与规范允许值进行比对，对三维摄影测量值超差部分将实测值进行标注以供返修，提高铸件铸造质量。

3.1.9 出具报告

将检测数据进行整合，根据铸件尺寸检测规范要求出具检测报告，以便客户进行查验。

3.2 测量过程的关键性技术问题

采用三维摄影测量在混流式水轮机叶片尺寸检测方面的应用还不多，操作时需要注意以下关键性技术问题。

混流式水轮机转轮叶片因为其形状特殊，六个面均为曲面，传统和接触式的测量操作困难且测量误差较大，因此需要通过新型和非接触式的测量方法对水轮机叶片进行尺寸检测，确保操作精度和工作效率，而非接触的测量方法目前应用较广的就是激光跟踪仪、扫描仪及三维摄影测量，而三维摄影测量操作相对简单，成本较低，并且能够达到较高的测量精度和测量效率，测量结果如图6 所示。所以推荐该类非接触式测量方法完成对水轮机叶片的尺寸检测。