回转体三维扫描形貌测量及其应用-论文.pdf

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1、第27卷第2期实验力学Vo1．27No．22012年4月J0URNAIOFEXPERIMENTAIMECHANICSApr．2012文章编号：1001—4888(2012)020155—05回转体三维扫描形貌测量及其应用陆鹏，张熹(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200090)摘要：本文提出一种测量三维形貌的扫描系统，该系统可被用于测量回转体的三维形貌。激光光刀被投射在被测物体表面，由于被测物体表面的形貌而改变了光刀的弯曲方式，摄像机将变形后的图像采集到计算机中。当被测物体放置在转台上旋转一周时，相应的一系列光刀变形的图片

2、被采集到计算机中，这一系列图片包含了物体表面形貌的全部信息。通过连续扫描采集系列图片并计算，最终可以获得整个被测物体的三维形貌。当被测物体直径在一百毫米左右尺寸范围内的测量灵敏度可到0．01mm，其它尺寸范围要更换成像系统，才能达到相应的灵敏度。本文给出了两个较为复杂模型的三维形貌测量结果。该结果表明，本系统在对回转体表面形貌的测量方面具有一定的技术难度和广泛的工程需求，本文的研究具有重要的参考价值。关键词：三维扫描；光刀；三维形貌中图分类号：TG115．28文献标识码：A0引言发动机结构复杂，对于其零部件的测绘比较困难。而零部件

3、的外形是影响发动机工作的很重要的因素之一，所以测量其三维形貌是一项很重要的工作。目前，在光测实验力学领域有很多可以实现测量三维形貌的方法，这些方法可以大致分成两类，即接触式和非接触式。前者相对价格昂贵，测量耗时长，如探针法。非接触式方法则克服了上述大部分的缺点。日前，研究人员已经开发和研究了诸如影像云纹、投影云纹]、全息干涉、电子散斑l_2等测量物体三维形貌的非接触式方法，并在很多领域得到广泛应用。但是，上述方法也有难以克服的缺陷。以投影云纹为例，物理栅在投影前是等间距的，而投影方向与被测物体待测面的法向有夹角，使云纹在空问间距产

4、生变化，这种不均匀性是测量误差的主要来源。激光光刀口可以看成是单根线的云纹，其对投影角度的影响不敏感。本文以发动机中常见的活塞和增压器流道模型为例进行了实验研究，应用自行设计研制的激光光刀回转体三维扫描系统对上述模型进行扫描，不但获得被测物体的三维形貌信息，还可通过计算获取关键的断面数据，如截面的周长、形状、面积等。对于外形比较复杂的流道等模型采样此套系统进行三维形貌测量不但迅速、盲区小，而且成功率高、精度高、灵敏度也高。为了便于叙述，文中将激光光刀简称为光刀。1测量原理图1显示了测量系统布局。激光光刀被投射在被测物体表面。被测物

5、体固定在转台上，当旋转转台时，以光刀投影方向为对称轴，对称布置的两个CCD同时连续采集图片到计算机中。两个CCD的设置是为了有效地减少盲区]。两个CCD的数据通过标定技术实现匹配，匹配后其间误差很小，文中将*收稿日期：201I-04—20：修订日期：20i卜O7—29基金项目：国家自然科学基金(11072151)资助通讯作者：陆鹏(1977一)，男，博士，高工。主要从事结构强度及光测实验力学研究。E—mail：lupeng7704@sohu．corn实验力学(2012年)第27卷给出灵敏度及误差分析结论。图2标定用开槽圆柱图1三维

6、形貌扫描测量系统原理图Fig．2CylinderwithnotchFig．1Schematicdrawingofscansystemforcalibration首先沿y方向(垂直于投影光刀方向)移动分度转台的位置，目测使得光刀线通过转台上的中心标志线，该标志线通过旋转台的旋转中心，这是粗调。然后放置半径为r0的参考圆柱，目测尽量使其中心与转台中心重合(不重合也没有关系)，对系统进行标定，该圆柱上有凹槽(见图2)，凹槽沿圆柱周长方向上加工成三角形。例如，随机采集一幅参考圆柱的成像图，见图3所示，光刀投射在圆柱凹槽上形成弯曲的“尖角”

7、，其余则显示直线。当沿x方向移动分度转台与投影光刀的相对位置时，可使光刀上下移动至摄像机中心，然后沿z方向上下平移投影光刀，使得“尖角”对准两个摄像机的中心。若光刀有倾斜现象，则需要调节摄像机的倾斜角度，在系统设计上均考虑到这一点，不再赘述。图3标定前的光刀图像图4开始标定时的光刀状态Fig．3Imageoflight—knifebeforecalibrationFig．4Imageoflight—knifestatewhenstartingcalibration两个CCD摄像机的中心很容易找到，并人为绘制出红色十字交叉线作为基准

8、，当激光光刀投射在标定圆柱凹槽上弯曲的“尖角”对准两个摄像机的中心标志时，通过几何关系可证明激光光刀通过旋转中心的同时，激光光刀的方向与标定圆柱母线平行，见图4。再将待测物体放置在转台中心位置，利用三维形貌的测量计算公式]，获得三维形貌数据：LD一