大尺寸几何量立体视觉测量方法研究
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作者:陈日权
摘 要：现代科学技术的发展，为各工业应用技术的革新与进步奠定了坚实的基础，也给工件生产与测量等方面提出了更高的要求。与普通工件相比，对大尺寸工件的测量无法有效应用常规方法，其相关研究也在逐步推进。受传统测量技术的限制，目前对于大尺寸几何量的测量仍未形成一套成熟的体系，其相关技术依然处于研发与试用阶段。随着视觉测量方法的完善与优化，如何对其形成有效利用，以实现对大尺寸工件几何量的有效测量，值得我们更为深入地探索。本文主要分析了大尺寸几何量的立体视觉测量方法。
关键词：大尺寸 几何量 视觉测量方法
中图分类号：TP391.41 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0070-02
1 工件常用测量方法
目前，工业生产过程更加追求生产效率与精度的提升，同时关注其节能降耗效果，这也导致检测方式不再限制于常规尺寸，越来越多非常规尺寸工件被应用于工业领域，给相关测量与检测工作提出了较之以往更为严格的要求。而非常规工件测量，在研究方向上主要面对两个方面的内容：小尺寸测量，主要包括纳米测量等;大尺寸测量，包括表面形貌测量以及几何尺寸测量等，其被测工件在尺寸上一般为几米，甚至上百米。由于对工程安装过程简便性及工程质量要求，使大尺寸测量在实际用途上愈加广泛，可应用于多数大型产品的开发、装配、验收等各关键环节，已经在车辆工程、船舶工程、水力工程、机械制造以及航天航空等多个领域得到了较为广泛的应用。
与常规测量相比，大尺寸测量不管是测量效率与精度方面，还是测量环境方面都有较大的差别，常规方法一般只针对特定平面当中的几何量加以测量处理，所使用的测量工具具有较强的专用性，相应量具组合的应用会对测量效率与精度形成一定限制，很难实现大尺寸工件测量对于高效率和高精度等方面的需求。对某些尺寸相对较大，且结构比较复杂的大型组件，利用常规测量方法进行处理会呈现出人工参与度高、测量范围较小等缺点。所以，对于大尺寸测量的研究已经不再局限于对常规方法的应用，通过空间坐标转换方法进行测量已经成为一种大趋势。
空间坐标测量属于加工制造领域中的关键性技术，能够有效获取工件模型数据，对于产品研发、改进以及检测均能呈现出良好的指导作用。目前已经投入使用的设备包括激光跟踪仪、三坐标测量机等，这些设备均采取逐点测量的方式方法，不仅实际效率较低，要求相关工作人员具备较强的专业知识与技能储备，而且设备费用投入较高，很难实现对于大型工件的高精度快速检测。
随着视觉测量相关理论的逐渐成熟，成像设备的应用质量不断提升，使视觉测量逐渐受到人们的关注，在测量精度与测量效率等诸多方面都呈现出了较大的优势。其中，双目测量具有工作原理简单、成本投入较低、测量误差较小等特征，并且能够在短时间之内实现对特征点三维数据的获取，继而准确获得相关几何参数，优化几何量测量的整体效果。
2 大尺寸几何量立体视觉测量实验
以立体视觉测量法（双目测量）构建实验系统，连同三坐标测量机对工件相同特征点对应的位置坐标进行分别测量，继而结合靶标数据针对特定特征点间距作分别测量处理，利用实验系统测量所获得距离数据跟三坐标测量机测量数据之间展开对比，从而实现对系统测量误差的合理反映。
选取一个大型孔系构件，并在其耳孔位置设置十个测量特征点，将其几何中心位置当作实验测量目标，为充分满足于实验系统在测量过程的需求，需要针对系统设计出相应的一次转站，所以要在此构件中央位置设置五个拼接靶标，从而获取相应的拼接矩阵，以实现对数据的拼接。对所设置的各个测量特征点进行标号处理，分别为1～10。
本次实验所用到的三坐标测量机是TESA Micro-Hite 3D，它的行程范围是460mm×510mm×420mm，而重复精度是3 m，对此测量机主要采取手动测量方法进行处理。
因为各个被测点之间的最大间距长度为750mm，已经远超出设备测量范围，所以我们采取对零件坐标系加以构建的方式，把10个点平均划分为两个部分进行测量。在零件坐标系当中，我们可以把原点固定于第5个特征点的几何中心位置，同时出于对耳孔和基座之间垂直效果等因素的考量，需要在所设置原点的位置（即耳孔侧面）利用测头取4个点，通过平面法确定坐标系的x轴，以同等方式于基座平面当中取四个点以确定z轴，最后利用右手法可以确定y轴。为了确保测量机测头可以精准触碰靶标的中心，在测试开始之前需要在靶标的中心用铅笔标记出十字印记，同时保证触碰过程的严谨性，尽最大努力缩减误差。先要针对x轴正方向中的各个加以测量处理，完成后对位置进行调整，让负方向中的各点处在设备量程以内，随后对坐标系进行重新构建（与前一次所构建的坐标系从理论上讲是重合的），最终实现对x轴当中所有点位的完整测量。依据实际测量需求，设定测量次数，取多次测量结果的平均值，获得测量数据。在针对双目系统加以重新标定处理之后，利用转站方式变换位置，获得靶标空间坐标，并分析计算相应的实验测量结果。
通过5个红色的拼接特征点完成空间坐标的匹配，随后获得相应的数据以拼接矩阵，在实现数据拼接之后获得相应数据。表一中所示内容是分别通过三坐标系统与本实验系统所获得三维坐标经过求解得出点一和其它各个点间的距离。分析实验系统所获结果和真值（三坐标测量机）之间的差异，评价实验系统的整体精准程度效果。
因为本次所测量工件在实际尺寸上相对较大，所以会受到测量机行程等多方面因素的干扰与影响，因此其所获测量结果（真值）同样存在一些误差。对所获实验数据进行综合分析可知：在750mm的范围之内，测量相对误差不超过0.1%，具有较强的可信度。
3 结语
总而言之，大尺寸工件测量方法的研究，对我国航天工程、机械制造、车辆工程以及船舶工程等各行业的发展可以起到强大的推动作用，值得广大科研技术人员投入更多的时间和精力对其进行更为深入的研究，以实现对视觉测量方法的不断优化，为国家经济建设注入新的活力。
参考文献
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