CN106767524A - 一种水力机械叶片曲面检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水力机械叶片曲面检测方法和装置，特指结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术对叶片曲面进行检测的方法和装置。包括部件固定、多角度扫描、数据拼接、点云数据处理、实体化、误差分析和3D打印数控修补等步骤。本发明检测精确度高，设备安装方便，且无需将待测部件进行拆卸，检查速度快，检测结果可直接用于后续数字化加工或3D打印修补。

Description

一种水力机械叶片曲面检测方法和装置
技术领域
本发明是一种大型曲面检测方法和装置，适用于水力机械旋转叶轮叶片的外形检测，特指结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术对叶片曲面进行检测的方法和装置。
背景技术
水力机械是广泛应用于国民经济建设各领域的通用设备，尤其在能源系统中既是水电能源的主体，又是火电与核电的重要辅机系统，其运行稳定性与可靠性将直接影响发电系统的运行品质乃至电力生产的安全。叶轮是水力机械的主要做功部件，为了提高能量转化效率，叶轮叶片常采用全三维曲面设计。叶片是叶轮的重要组成部分，由于尺寸较大，叶轮通常采用先铸造再数控加工的方式进行，其曲面的加工精度直接决定了机组的效率。水力机械运行中会受到汽蚀的干扰，汽蚀大部分发生在叶轮的叶片表面，会造成叶片表面破坏，引起性能恶化，从而影响机组安全运行。在火电与核电领域，叶轮还常常接受热冲击的考验。因此，进行叶片曲面检测成为保证叶片曲面的加工精度以及停机检修时，判断汽蚀造成的叶轮材料腐蚀程度和热冲击造成的叶片变形量的重要手段。传统的叶片曲面检测方法是对曲面表面分块，然后采用直尺或游标卡尺等测量工具进行长度和厚度的测量以进行判断。随着科技的发展，三维检测技术已经得到了快速蓬勃的发展，其主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。常见的三维物体形状检测方法可以分为接触式和非接触式两大类。接触式测量中目前使用最为广泛的和最为可靠的方法是坐标测量机(CMM)，传统的测量机多采用触发式接触测头，每一次获取自由曲面上一点的X、Y、Z坐标值，这种测量速度慢，且很难测得较全面的曲面信息，不能移动，对大型零件测量不方便。非接触式测量主要是借助于光和声等对实物进行三维成像，常见方法的有激光扫描三维成像和利用红外线、声波以及CT成像技术，但物体表面条件如质地、颜色粗糙度反光程度等会影响其数字化效果。同样的，由于检测场地空间的限制，上述非接触式成像技术也不便于对已安装好的水力机械叶片曲面进行检测。以上几种检测方法均需要将待测叶轮进行拆卸后方可测量，耗时、耗力。因此，如何快速、便利、可靠的对待测叶片曲面进行三维成像，从而与原数模进行对比检测，成为水力机械精确加工和可靠运行亟待解决的问题。
经检索，关于水力机械叶片曲面检测时本文所采用的结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术没有相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水力机械叶片曲面检测方法和装置，以解决传统测量和接触式测量测量速度慢、大型叶轮拆卸困难、较难得到全面的曲面信息以及便携性差的难题，从而完成水力机械叶片曲面的检测，为后续加工或修补提供参考。
为了解决以上技术问题，本发明基于结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术方法，具体技术方案如下：
一种水力机械叶片曲面检测方法，其特征在于：采用基于相位转移结构光的三维成像技术完成对待测模型的三维建模，以克服传统测量方法速度慢、曲面信息构建不全以及移动性差的缺点，进而通过与原型进行比对做出判断进行再加工或3D打印修补。
所述检测方法具体步骤如下：
步骤一，放置待测水力机械叶轮：将待测叶轮放置在合适的位置以保证光线充足；无需从原水力机械上拆卸下来，除非由于水力机械的结构原因遮挡了拍摄角度；
步骤二，布置扫描系统：将两台高精度摄像机和一台光栅投影器安装在同一支架上，使两台高精度摄像机的夹角成60°并将光栅投影器安放在其中间位置，确保被测区域足够明亮，使得每个曲面都可被扫描到；
步骤三，获取三维点云数据：使用三维高精度扫描仪对所述待测水力机械叶轮进行多角度、完整的三维扫描，基于白光面三维成像技术原理快速获取待测模型高密度的三维点云数据；调节拍摄角度确保获取整个待测的水力机械叶轮的三维点云数据并传入计算机中；
步骤四，使用计算机3D Scan软件自动拼接多次扫描得到的三维点云数据，从而生成完整的三维点云数据；对三维点云数据进行处理得到通用格式(譬如STL格式)的三维数字模型；
步骤五，将所述三维数字模型进行数据拼接并进行填补操作，实体化处理后得到三维扫描实体模型；
步骤六，将所述三维扫描实体模型和原始三维实体模型导入到逆向建模软件中并进行坐标对齐，进行三维数据误差比对，并生成分析报告；
步骤七，根据所述三维数据误差比对的结果，确定数控加工余量，然后直接采用数控加工或采用3D打印技术对待测水力机械叶轮进行快速填补，以快速实现待测水力机械叶轮的监测和修补。
所述三维成像技术是指基于相位转移结构光的三维重建技术，在物体表面投射光栅后，由两摄像机拍摄产生畸变的图像，利用相位解码获取每一点的相位信息，再结合极线几何约束关系实现两幅图像上点的匹配，最后根据标定结果，利用三角法计算点的三维坐标，以实现物体表面三维轮廓的测量。
所述逆向建模软件是指Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm、SolidWorks、CATIA、Pro/ENGINEER或Unigraphics三维造型软件中的任一种。5.根据权利要求1或2所述的一种水力机械叶片曲面检测方法，其特征在于：
所述3D打印技术是指以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的增材制造技术。
一种水力机械叶片曲面检测装置，其特征在于包括：两台高精度摄像机、光栅投影器一台和计算机一台；所述高精度摄像机和光栅投影器安放在以待测的水力机械叶轮中心为圆心的等半径处，安放高度距离待测的水力机械叶轮中心高度0.5-0.8m且布置在距离待测的水力机械叶轮0.8-1.2m处；两台高精度摄像机拍摄角度为60°，光栅投影器安放在两台高精度摄像机的正中间，所述高精度摄像机、光栅投影器均通过USB数据连接线与计算机连接。
本发明具有有益效果。本发明采用基于相位转移结构光的三维重建技术完成对待测模型的三维建模，以克服传统测量方法速度慢、曲面信息构建不全以及移动性差的缺点，从而实现了：检测精确度高，可达0.03mm，能检测出汽蚀或热冲击等破坏作用对叶轮造成的变形；设备安装方便，无需对待测叶轮进行拆卸即可进行检测；检查速度快，对扫描图像能进行全自动拼接；检测结果可直接用于后续数字化加工或3D打印修补。
附图说明
图1：本发明的水力机械叶片曲面检测流程图
图2：待测某大型轴流泵叶轮示意图
图3：基于相位转移结构光的三维成像技术原理图
图4a：三维扫描实体模型
图4b：原始三维实体模型
图5：三维扫描实体模型和原始三维实体模型三维误差分析图。
图中：1.叶轮受汽蚀破坏的位置，2.高精度摄像机,3.光栅投影装置，4.USB数据连接线，5.被测叶轮，6.计算机，7.三维扫描出的汽蚀破坏区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个具体实施方式做进一步的说明。
图1给出了三维扫描的具体流程，主要分为实验准备、图像获取和后处理阶段。
如图2所示，将待测的叶轮放置在合适的位置保证光线充足即可，无需从原水力机械上拆卸下来并进行分解(除非由于水力机械的结构原因遮挡了拍摄角度)。
结合图3，布置各部件的具体位置，将两台高速摄像机和一台光栅投影装置固定在支架上，两台摄像机成60°角布置，光栅投影装置放在两台摄像机的中间位置，并正对待测叶轮，调节拍摄的角度至合适的位置进行对焦并设置参考坐标系，以此进行多个角度的拍摄，确保获取完整的数据。
将扫描后获得的三维点云数据导入到3D Scan软件中进行图像复原与实体化操作，得到叶轮的三维扫描实体模型如图4a。由该模型可以看出扫描得到的三维扫描实体模型与原始三维实体模型(如图4b)在汽蚀破坏区域存在不一致的几何形状。
结合图5，将三维扫描实体模型和原始三维实体模型导入进Geomagic Studio软件中并进行坐标对齐，然后利用软件的几何分析功能对比两者的具体差别，如3D偏差、最大偏差及偏差位置等。最后利用数控加工或者3D打印技术对叶轮进行快速填补。

Claims (6)

1.一种水力机械叶片曲面检测方法，其特征在于：采用基于相位转移结构光的三维成像技术完成对待测模型的三维建模，以克服传统测量方法速度慢、曲面信息构建不全以及移动性差的缺点，进而通过与原型进行比对做出判断进行再加工或3D打印修补。
2.根据权利要求1所述的一种水力机械叶片曲面检测方法，其特征在于：所述检测方法具体步骤如下：
步骤一，放置待测水力机械叶轮：将待测叶轮放置在合适的位置以保证光线充足；无需从原水力机械上拆卸下来，除非由于水力机械的结构原因遮挡了拍摄角度；
步骤二，布置扫描系统：将两台高精度摄像机和一台光栅投影器安装在同一支架上，使两台高精度摄像机的夹角成60°并将光栅投影器安放在其中间位置，确保被测区域足够明亮，使得每个曲面都可被扫描到；
步骤三，获取三维点云数据：使用三维高精度扫描仪对所述待测水力机械叶轮进行多角度、完整的三维扫描，基于白光面三维成像技术原理快速获取待测模型高密度的三维点云数据；调节拍摄角度确保获取整个待测的水力机械叶轮的三维点云数据并传入计算机中；
步骤四，使用计算机3D Scan软件自动拼接多次扫描得到的三维点云数据，从而生成完整的三维点云数据；对三维点云数据进行处理得到通用格式的三维数字模型；
步骤五，将所述三维数字模型进行数据拼接并进行填补操作，实体化处理后得到三维扫描实体模型；
步骤六，将所述三维扫描实体模型和原始三维实体模型导入到逆向建模软件中并进行坐标对齐，进行三维数据误差比对，并生成分析报告；
步骤七，根据所述三维数据误差比对的结果，确定数控加工余量，然后直接采用数控加工或采用3D打印技术对待测水力机械叶轮进行快速填补，以快速实现待测水力机械叶轮的监测和修补。
3.根据权利要求1或2所述的一种水力机械叶片曲面检测方法，其特征在于：
所述三维成像技术是指基于相位转移结构光的三维重建技术，在物体表面投射光栅后，由两摄像机拍摄产生畸变的图像，利用相位解码获取每一点的相位信息，再结合极线几何约束关系实现两幅图像上点的匹配，最后根据标定结果，利用三角法计算点的三维坐标，以实现物体表面三维轮廓的测量。
4.根据权利要求2所述的一种水力机械叶片曲面检测方法，其特征在于：
所述逆向建模软件是指Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm、SolidWorks、CATIA、Pro/ENGINEER或Unigraphics三维造型软件中的任一种。
5.根据权利要求1或2所述的一种水力机械叶片曲面检测方法，其特征在于：
所述3D打印技术是指以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的增材制造技术。
6.实现权利要求1所述检测方法的一种水力机械叶片曲面检测装置，其特征在于包括：两台高精度摄像机、光栅投影器一台和计算机一台；所述高精度摄像机和光栅投影器安放在以待测的水力机械叶轮中心为圆心的等半径处，安放高度距离待测的水力机械叶轮中心高度0.5-0.8m且布置在距离待测的水力机械叶轮0.8-1.2m处；两台高精度摄像机拍摄角度为60°，光栅投影器安放在两台高精度摄像机的正中间，所述高精度摄像机、光栅投影器均通过USB数据连接线与计算机连接。
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