高精度摄影测量在管道、轴孔检测中的应用

系统概述

DACS-PM工业摄影测量系统属于光学三坐标测量系统的一类，主要用于对大型工业产品、生产设备以及试验设施等目标开展空间几何尺寸的检测。整套系统具备精度高、非接触、速度快、自动化与便携性强等多方面特点。

测量原理

测量时借助高分辨率的摄影测量专用相机，从不同的位置与方向对被测工件拍摄两幅或多幅数字图像，随后依次进行图像预处理、标志识别、图像匹配、空间三坐标交会以及光束平差处理，从而取得待测点的三维坐标。依据这些点的三维坐标，可针对工件展开几何尺寸检测、变形测量及逆向工程等工作。

系统组成

测量相机

HPM-A6000：测量精度 6µm + 6µm/m，视场角 60°×42°，测量范围 ≤5M，工作温度 -10℃～+50℃；

HPM-D810：测量精度 4µm + 3µm/m，视场角 84°×62°，测量范围 ≤100M（与编码标志数量有关），工作温度 0℃～+40℃。

高分辨率的数字摄影测量相机参数稳定，机身结构强度也较高，因而更契合工业测量现场的环境要求。

自动定向规

自动定向规上布有13个三维坐标已知的标志点，其中还含有一套定向规识别码。系统软件能够自动辨识定向规，据此建立测量坐标系并迅速取得设站参数，从而提升算法的可靠性与运算速度。

长度基准尺

长度基准尺以膨胀系数极小的碳纤维或铟钢材料加工而成，其表面布置有一系列带有基准尺识别码的摄影标志，各个标志中心之间的距离已经过精确标定，可自动为测量系统提供高精度的长度基准。

回光摄影标志

回光摄影标志以回光材料为基底制作成形，它的反光系数比普通工件表面高出数百倍，能够满足摄影测量专用图像对高对比度的要求。将此标志布设于工件表面或工装的特征部位，即可精准获得工件外形及特征处的三维坐标。

测量工装

测量工装由配合结构与回光标志两部分组成，能够与边缘、孔、角、面等几何形体紧密贴合，从而对工装的特征位置实施测量。

系统软件

DACS-PM系统软件是整个测量系统的核心所在，负责图像预处理、标志识别、图像匹配、空间三角交会、光束平差等一系列复杂算法的处理，以取得待测点在工件表面的三维坐标。软件中所附加的空间分析模块，能够对被测工件执行形位误差评定、空间要素关系分析以及模块比较等操作，并为用户提供完整的检测报表。

应用案例

迄今为止，DACS-PM工业摄影测量系统已被广泛用于航空、航天、通信、造船、重工业、水利水电、汽车工业等多个工业领域。

性能特点

高精度：系统的测量精度可达1/200000，能够满足各类大尺寸工业产品外形检测对精度的需求

自动化：系统自动化水平高，全部测量过程仅需一名测量人员即可完成

速度快：一次测量即可获取成千上万个点的三维坐标

大范围：测量范围自0.3m延伸至几百米，适用于各种尺寸产品的检测

非接触：系统采用光学非接触测量方式，在处理柔性结构的被测工件方面具备无可比拟的优势

超便捷：整套测量系统可装入一个旅行箱，仅由一名测量人员即可携带至任何测量现场。系统的环境适应能力强，可在真空、有毒、高低温等各类环境下完成测量，也能在极为狭小的空间内实现高精度测量

检测要求

1.被测对象为圆管状构件，其长度约为6m、直径约为3.2m；

2.需检测圆管端口、端尾以及沿长度方向3m位置处的圆度与圆心偏移量。

现场勘探

该构件被安放在车间内的滚轮架上，滚轮架能够以匀速旋转，现场视野较为开阔，且周边不存在强烈震动。

编码点及单点布设要求

现场施工人员需提前划出零位基准线以及距端口等距的圆周线；随后由三名施工人员负责贴取单点与编码点，其中单点之间的间距约为500mm，编码点的布设间距为1m×1m，随圆管旋转同步贴取待测点。

3.2 现场测量

在点位贴取完成之后，启动滚轮架装置，拍摄距离约为4m，按正常步速随着滚轮架转动来回循环拍摄。一共拍摄约150张照片，测量耗时10分钟。旋转一整圈完成测量后，收取编码点，同时将滚轮架装置停止。

测量注意事项

施工人员须确保划线及贴点的准确性优于1mm

构件在自身转动过程中不能发生形变

编码点应均匀布设，测量期间须保持拍照角度垂直入射。

测量结果数据处理

将拍摄所得的多幅数字图像导入电脑中的系统软件，依次执行图像预处理、标志识别、图像匹配、空间三坐标交会与光束平差，最终得到待测点的三维坐标。上图所展示的是平差处理后的空间点位信息，其中红色代表相机位置，绿色直线则表示某一单点由不同角度的相机投射出的光束；可输出TXT文本格式的三维坐标点集，整个过程的数据处理时间约为5分钟。

效率及精度评定

下图反映的是数据处理过程中平差得到的结论，可见弱点与无效点的数量均为零，3D点点位精度RMS-X优于0.022mm、RMS-Y优于0.018mm、RMS-Z亦优于0.018mm；质量因子为1.102（该值越接近1，整体数据精度越高），相机内符合均方根为0.29µm。

依托于三维坐标，可借助系统软件对各种标准形状进行拟合计算，并对形状各异的工件展开形位误差评定；利用相交、平行、投影、角度、距离等分析与计算功能，能够完成平面度、平行度、垂直度、同轴度、同心度等空间几何关系的评定。

三维模型数据分析处理

把测量数据导入分析软件，与模型进行比对分析，从而取得各点位的空间偏差量，以及各圆周的圆心、半径偏移量。

二维报表分析处理

检测过程综述

单块隧道构的长度约为10m，管口直径约为4.7m，要求对圆周进行12等分，并检测圆心偏移量及整圆圆度。传统方式通常采用全站仪检测，两人配合的总测量时间为2-3小时，点位数量约300个，精度可达1mm。

数据及报表分析处理

将测量数据导入分析软件中进行分析处理，并根据检测要求出具二维、三维报表；上图给出的是各截断面的检测结果，其中包括圆心、零位线点、90°线点的三维坐标偏离值，以及整圆等分后的半径偏离值。依据这些数据结果，可查出问题所在的位置及位置点，便于工厂进行修正与处理。

对比分析

以拉线二维、全站仪、摄影测量三种方式做对比：

- 检测效率：拉线二维3-5小时；全站仪2-3小时；摄影测量10分钟

- 检测精度：拉线二维1-2mm；全站仪1mm；摄影测量0.05mm

- 数据通用性：拉线二维无法通用；全站仪可以；摄影测量可以

- 人员安全性：拉线二维需登高作业，较危险；全站仪部分需登高作业；摄影测量无

- 作业成本：拉线二维脚手架、登高车；全站仪脚手架、登高车；摄影测量无

- 设备成本：拉线二维低；全站仪中；摄影测量高

摄影测量应用前景：航空、航天、通信、造船、重工业、水利水电、桥梁隧道

相比传统方法，近景摄影测量技术既省时又省力，而且能够实现批量化、大范围的同步动态检测，因此在该领域内取得了新的突破。

总结

工业测量检测始终是工业生产中一个不可或缺的环节。随着工业技术的持续进步与发展，产品质量控制也被提出了越来越高的要求。近景摄影测量从根本上改变了传统常规的测量方式，借助这种非接触手段所建立的工业检测系统，在精度、可靠性、灵活性、自动化程度及实时性等方面都展现出更大的优越性，足以较好地满足高精度工业检测的需求。