本發(fā)明是一種大型曲面檢測方法和裝置，適用于水力機(jī)械旋轉(zhuǎn)葉輪葉片的外形檢測，特指結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)對葉片曲面進(jìn)行檢測的方法和裝置。

背景技術(shù)：

水力機(jī)械是廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各領(lǐng)域的通用設(shè)備，尤其在能源系統(tǒng)中既是水電能源的主體，又是火電與核電的重要輔機(jī)系統(tǒng)，其運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性將直接影響發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)乃至電力生產(chǎn)的安全。葉輪是水力機(jī)械的主要做功部件，為了提高能量轉(zhuǎn)化效率，葉輪葉片常采用全三維曲面設(shè)計(jì)。葉片是葉輪的重要組成部分，由于尺寸較大，葉輪通常采用先鑄造再數(shù)控加工的方式進(jìn)行，其曲面的加工精度直接決定了機(jī)組的效率。水力機(jī)械運(yùn)行中會受到汽蝕的干擾，汽蝕大部分發(fā)生在葉輪的葉片表面，會造成葉片表面破壞，引起性能惡化，從而影響機(jī)組安全運(yùn)行。在火電與核電領(lǐng)域，葉輪還常常接受熱沖擊的考驗(yàn)。因此，進(jìn)行葉片曲面檢測成為保證葉片曲面的加工精度以及停機(jī)檢修時(shí)，判斷汽蝕造成的葉輪材料腐蝕程度和熱沖擊造成的葉片變形量的重要手段。傳統(tǒng)的葉片曲面檢測方法是對曲面表面分塊，然后采用直尺或游標(biāo)卡尺等測量工具進(jìn)行長度和厚度的測量以進(jìn)行判斷。隨著科技的發(fā)展，三維檢測技術(shù)已經(jīng)得到了快速蓬勃的發(fā)展，其主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。常見的三維物體形狀檢測方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測量中目前使用最為廣泛的和最為可靠的方法是坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)，傳統(tǒng)的測量機(jī)多采用觸發(fā)式接觸測頭，每一次獲取自由曲面上一點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)值，這種測量速度慢，且很難測得較全面的曲面信息，不能移動(dòng)，對大型零件測量不方便。非接觸式測量主要是借助于光和聲等對實(shí)物進(jìn)行三維成像，常見方法的有激光掃描三維成像和利用紅外線、聲波以及CT成像技術(shù)，但物體表面條件如質(zhì)地、顏色粗糙度反光程度等會影響其數(shù)字化效果。同樣的，由于檢測場地空間的限制，上述非接觸式成像技術(shù)也不便于對已安裝好的水力機(jī)械葉片曲面進(jìn)行檢測。以上幾種檢測方法均需要將待測葉輪進(jìn)行拆卸后方可測量，耗時(shí)、耗力。因此，如何快速、便利、可靠的對待測葉片曲面進(jìn)行三維成像，從而與原數(shù)模進(jìn)行對比檢測，成為水力機(jī)械精確加工和可靠運(yùn)行亟待解決的問題。

經(jīng)檢索，關(guān)于水力機(jī)械葉片曲面檢測時(shí)本文所采用的結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)沒有相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種水力機(jī)械葉片曲面檢測方法和裝置，以解決傳統(tǒng)測量和接觸式測量測量速度慢、大型葉輪拆卸困難、較難得到全面的曲面信息以及便攜性差的難題，從而完成水力機(jī)械葉片曲面的檢測，為后續(xù)加工或修補(bǔ)提供參考。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)方法，具體技術(shù)方案如下：

一種水力機(jī)械葉片曲面檢測方法，其特征在于：采用基于相位轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光的三維成像技術(shù)完成對待測模型的三維建模，以克服傳統(tǒng)測量方法速度慢、曲面信息構(gòu)建不全以及移動(dòng)性差的缺點(diǎn)，進(jìn)而通過與原型進(jìn)行比對做出判斷進(jìn)行再加工或3D打印修補(bǔ)。

所述檢測方法具體步驟如下：

步驟一，放置待測水力機(jī)械葉輪：將待測葉輪放置在合適的位置以保證光線充足；無需從原水力機(jī)械上拆卸下來，除非由于水力機(jī)械的結(jié)構(gòu)原因遮擋了拍攝角度；

步驟二，布置掃描系統(tǒng)：將兩臺高精度攝像機(jī)和一臺光柵投影器安裝在同一支架上，使兩臺高精度攝像機(jī)的夾角成60°并將光柵投影器安放在其中間位置，確保被測區(qū)域足夠明亮，使得每個(gè)曲面都可被掃描到；

步驟三，獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)：使用三維高精度掃描儀對所述待測水力機(jī)械葉輪進(jìn)行多角度、完整的三維掃描，基于白光面三維成像技術(shù)原理快速獲取待測模型高密度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)拍攝角度確保獲取整個(gè)待測的水力機(jī)械葉輪的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并傳入計(jì)算機(jī)中；

步驟四，使用計(jì)算機(jī)3D Scan軟件自動(dòng)拼接多次掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而生成完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到通用格式(譬如STL格式)的三維數(shù)字模型；

步驟五，將所述三維數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接并進(jìn)行填補(bǔ)操作，實(shí)體化處理后得到三維掃描實(shí)體模型；

步驟六，將所述三維掃描實(shí)體模型和原始三維實(shí)體模型導(dǎo)入到逆向建模軟件中并進(jìn)行坐標(biāo)對齊，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)誤差比對，并生成分析報(bào)告；

步驟七，根據(jù)所述三維數(shù)據(jù)誤差比對的結(jié)果，確定數(shù)控加工余量，然后直接采用數(shù)控加工或采用3D打印技術(shù)對待測水力機(jī)械葉輪進(jìn)行快速填補(bǔ)，以快速實(shí)現(xiàn)待測水力機(jī)械葉輪的監(jiān)測和修補(bǔ)。

所述三維成像技術(shù)是指基于相位轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光的三維重建技術(shù)，在物體表面投射光柵后，由兩攝像機(jī)拍攝產(chǎn)生畸變的圖像，利用相位解碼獲取每一點(diǎn)的相位信息，再結(jié)合極線幾何約束關(guān)系實(shí)現(xiàn)兩幅圖像上點(diǎn)的匹配，最后根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，利用三角法計(jì)算點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)物體表面三維輪廓的測量。

所述逆向建模軟件是指Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm、SolidWorks、CATIA、Pro/ENGINEER或Unigraphics三維造型軟件中的任一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水力機(jī)械葉片曲面檢測方法，其特征在于：

所述3D打印技術(shù)是指以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的增材制造技術(shù)。

一種水力機(jī)械葉片曲面檢測裝置，其特征在于包括：兩臺高精度攝像機(jī)、光柵投影器一臺和計(jì)算機(jī)一臺；所述高精度攝像機(jī)和光柵投影器安放在以待測的水力機(jī)械葉輪中心為圓心的等半徑處，安放高度距離待測的水力機(jī)械葉輪中心高度0.5-0.8m且布置在距離待測的水力機(jī)械葉輪0.8-1.2m處；兩臺高精度攝像機(jī)拍攝角度為60°，光柵投影器安放在兩臺高精度攝像機(jī)的正中間，所述高精度攝像機(jī)、光柵投影器均通過USB數(shù)據(jù)連接線與計(jì)算機(jī)連接。

本發(fā)明具有有益效果。本發(fā)明采用基于相位轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光的三維重建技術(shù)完成對待測模型的三維建模，以克服傳統(tǒng)測量方法速度慢、曲面信息構(gòu)建不全以及移動(dòng)性差的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了：檢測精確度高，可達(dá)0.03mm，能檢測出汽蝕或熱沖擊等破壞作用對葉輪造成的變形；設(shè)備安裝方便，無需對待測葉輪進(jìn)行拆卸即可進(jìn)行檢測；檢查速度快，對掃描圖像能進(jìn)行全自動(dòng)拼接；檢測結(jié)果可直接用于后續(xù)數(shù)字化加工或3D打印修補(bǔ)。

附圖說明

圖1：本發(fā)明的水力機(jī)械葉片曲面檢測流程圖

圖2：待測某大型軸流泵葉輪示意圖

圖3：基于相位轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光的三維成像技術(shù)原理圖

圖4a：三維掃描實(shí)體模型

圖4b：原始三維實(shí)體模型

圖5：三維掃描實(shí)體模型和原始三維實(shí)體模型三維誤差分析圖。

圖中：1.葉輪受汽蝕破壞的位置，2.高精度攝像機(jī),3.光柵投影裝置，4.USB數(shù)據(jù)連接線，5.被測葉輪，6.計(jì)算機(jī)，7.三維掃描出的汽蝕破壞區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的說明。

圖1給出了三維掃描的具體流程，主要分為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、圖像獲取和后處理階段。

如圖2所示，將待測的葉輪放置在合適的位置保證光線充足即可，無需從原水力機(jī)械上拆卸下來并進(jìn)行分解(除非由于水力機(jī)械的結(jié)構(gòu)原因遮擋了拍攝角度)。

結(jié)合圖3，布置各部件的具體位置，將兩臺高速攝像機(jī)和一臺光柵投影裝置固定在支架上，兩臺攝像機(jī)成60°角布置，光柵投影裝置放在兩臺攝像機(jī)的中間位置，并正對待測葉輪，調(diào)節(jié)拍攝的角度至合適的位置進(jìn)行對焦并設(shè)置參考坐標(biāo)系，以此進(jìn)行多個(gè)角度的拍攝，確保獲取完整的數(shù)據(jù)。

將掃描后獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D Scan軟件中進(jìn)行圖像復(fù)原與實(shí)體化操作，得到葉輪的三維掃描實(shí)體模型如圖4a。由該模型可以看出掃描得到的三維掃描實(shí)體模型與原始三維實(shí)體模型(如圖4b)在汽蝕破壞區(qū)域存在不一致的幾何形狀。

結(jié)合圖5，將三維掃描實(shí)體模型和原始三維實(shí)體模型導(dǎo)入進(jìn)Geomagic Studio軟件中并進(jìn)行坐標(biāo)對齊，然后利用軟件的幾何分析功能對比兩者的具體差別，如3D偏差、最大偏差及偏差位置等。最后利用數(shù)控加工或者3D打印技術(shù)對葉輪進(jìn)行快速填補(bǔ)。