回转体三维扫描形貌测量及其应用

    ０　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。目前，研究人员已经开发和研究了诸如影像云纹、投影云纹［１］、全息干涉、电子散斑［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，使云纹在空间间距产生变化，这种不均匀性是测量误差的主要来源。

    激光光刀［３］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［４］。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，文中将给出灵敏度及误差分析结论。

    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”，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。