非接觸測(cè)量規(guī)范的建立方法研究

肖武華，李 明，柳 靜，詹高偉，韋慶玥

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院CIMS ＆機(jī)器人中心，上海 200072）

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)效率也越來(lái)越高，測(cè)量技術(shù)也要求高效、準(zhǔn)確和無(wú)損傷，傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺、千分尺等接觸式量具量?jī)x效率低下、穩(wěn)定性不高，而且由于量具直接接觸工件表面，不可避免地會(huì)對(duì)工件或者量具造成損傷，因此非接觸測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，非接觸測(cè)量技術(shù)的種類越來(lái)越多，主要以光電、電磁、超聲波技術(shù)為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了核磁共振法、射線掃描法、電渦流測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光法、激光三角法、激光測(cè)距法、干涉測(cè)量法、立體視覺法、超聲波測(cè)距法等各種各樣的光學(xué)法和非光學(xué)法的非接觸測(cè)量技術(shù)［1］。

1 非接觸式測(cè)量

非接觸式測(cè)量是指在不接觸被測(cè)物體的前提下進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，它是利用非接觸掃描快速地得到整個(gè)零件的點(diǎn)云，然后通過(guò)相應(yīng)軟件對(duì)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目前光學(xué)三維掃描儀按照其原理分為“激光式”和“影像式”兩類。激光式測(cè)量的基本原理是由激光器發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一個(gè)很細(xì)的平行光束，照到被測(cè)工件上面，再由工件表面反射回來(lái)，反射回來(lái)的光按照一定的關(guān)系成像于光電檢測(cè)器件的不同位置，從而探測(cè)出被測(cè)表面的位置［2］。非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是不必進(jìn)行測(cè)頭補(bǔ)償，測(cè)量速度較快，不需要與被測(cè)物體表面接觸，受環(huán)境影響??；缺點(diǎn)是測(cè)量精度相對(duì)接觸式測(cè)量低。

目前激光式測(cè)量設(shè)備有三坐標(biāo)激光掃描ScanWorks V4ix和ROMER關(guān)節(jié)臂激光掃描，如圖1、圖2所示；影像式測(cè)量設(shè)備有TriCam測(cè)量機(jī)器人和WLS400M白光掃描，如圖3、圖4所示。

圖1 三坐標(biāo)激光掃描ScanWorks V4ix

圖2 ROMER關(guān)節(jié)臂激光掃描

圖3 TriCam測(cè)量機(jī)器人

圖4 WLS400M白光掃描

2 非接觸特征的測(cè)量

2.1 非接觸式測(cè)量流程

非接觸式測(cè)量大致包括如下6個(gè)步驟：①圖紙解讀；②測(cè)量準(zhǔn)備；③建立坐標(biāo)系；④特征測(cè)量；⑤點(diǎn)云處理；⑥評(píng)價(jià)。

在圖紙解讀階段，主要是對(duì)工件的尺寸、公差、基準(zhǔn)的建立等做一個(gè)大致的解讀，然后對(duì)工件的擺放位置和坐標(biāo)系的建立做一個(gè)大致的規(guī)劃；接著進(jìn)行測(cè)量準(zhǔn)備工作，先看工件是否符合要求，這其中包括要求工件不能是透明的、工件表面顏色不能是黑色等，如果達(dá)不到要求，可以對(duì)工件噴涂顯影劑；然后開始建立坐標(biāo)系，三坐標(biāo)激光掃描ScanWorks V4ix必須先使用硬測(cè)針建立坐標(biāo)系，ROMER關(guān)節(jié)臂激光掃描如果在精度要求不是很高的情況下可以用掃描點(diǎn)云方式建立坐標(biāo)系，WLS400M白光掃描采用固定坐標(biāo)定位建立坐標(biāo)系，TriCam測(cè)量用傳感器測(cè)量建立坐標(biāo)系；接下來(lái)進(jìn)行特征測(cè)量，三坐標(biāo)激光掃描應(yīng)采用曲面掃描且激光頭應(yīng)該垂直于被測(cè)工件表面；再下來(lái)對(duì)掃描出來(lái)的點(diǎn)云進(jìn)行處理，主要是對(duì)點(diǎn)云范圍進(jìn)行選擇和對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行過(guò)濾等；最后對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備當(dāng)中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度較高，可達(dá)2μm～5μm，因此本文選取其作為比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，將非接觸測(cè)量實(shí)驗(yàn)獲取的被測(cè)工件的測(cè)量數(shù)據(jù)與通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲取的相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而得到它們之間的測(cè)量差值。非接觸特征測(cè)量流程如圖5所示。

圖5 非接觸特征測(cè)量流程圖

2.2 測(cè)量不確定度來(lái)源分析

非接觸測(cè)量涉及到一個(gè)龐大而復(fù)雜的技術(shù)和應(yīng)用體系，而且整個(gè)工作涉及到的環(huán)節(jié)也很多，所有這些都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的產(chǎn)生帶來(lái)影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量可以用測(cè)量不確定度來(lái)定量地說(shuō)明。

在非接觸測(cè)量中，影響測(cè)量不確定度的因素有很多，具體內(nèi)容如圖6所示。在這些影響因素中，測(cè)量設(shè)備的參考元素、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量設(shè)備性能與參數(shù)設(shè)置都可以按GB/T 16857（ISO 10360）系列標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行檢定與修正，測(cè)量設(shè)備供應(yīng)商會(huì)提供相應(yīng)的補(bǔ)償方法。在一般的測(cè)量工作中，環(huán)境的影響、物理常數(shù)和轉(zhuǎn)換因子、測(cè)量評(píng)定軟件和計(jì)算方法等也有辦法可以得到相應(yīng)的補(bǔ)償和檢定［3］。下面就以三坐標(biāo)激光掃描為例，介紹在非接觸測(cè)量規(guī)范的建立過(guò)程中，如何通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)對(duì)掃描過(guò)程中的不確定因素進(jìn)行合理的選擇。由于在三坐標(biāo)激光掃描過(guò)程中，掃描角度和頻率這兩個(gè)不確定因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響比較大，通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)掃描角度和頻率這兩個(gè)不確定因素進(jìn)行合理的選擇。

2.2.1 角度的選擇

實(shí)驗(yàn)選用的模型必須具備如下兩個(gè)特點(diǎn)：①具有圓、槽等基本特征；②不易反光，適用于三坐標(biāo)激光掃描。最終選擇Leica模型作為三坐標(biāo)激光掃描的對(duì)象，該模型如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)條件如下：掃描頻率為30Hz，掃描速度為100%（最大），最佳景深，行距為2，掃描模式。在模型上任意選取具有代表性的特征點(diǎn)進(jìn)行掃描，三坐標(biāo)激光掃描測(cè)量機(jī)的激光頭角度分為A，B兩種角度，其中A為0°～105°，B為－180°～＋180°，每7.5°為一個(gè)增量，共有720種角度可選。數(shù)據(jù)龐大，況且逐個(gè)驗(yàn)證意義并不是很大，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)A角小于60°或B角小于135°時(shí)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差很大，所以圍繞垂直于被測(cè)工件表面的角度，激光掃描頭分別在隨機(jī)選取的（A60B180）、（A67.5B180）、（A75B180）、（A105B180）、（A90B142.5）、（A90B157.5）、（A90B165）、（A90B135）、（A90B180）角度下對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行掃描，然后將掃描的數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并得出它們的測(cè)量差值。不同掃描角度下各特征點(diǎn)的測(cè)量差值如圖8所示。

圖6 測(cè)量中的不確定影響因素

從圖8可以看出，激光掃描頭在垂直于被測(cè)工件表面的角度下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與重復(fù)性好，偏差也較小。

2.2.2 頻率的選擇

選用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵廊皇荓eica模型，掃描角度（A90B180），掃描速度100%（最大），最佳景深，行距為2，掃描模式。激光掃描頭分別在供應(yīng)商推薦使用的15Hz和30Hz兩種頻率下對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行掃描，然后將掃描的數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并得出它們的測(cè)量差值，不同頻率下各特征點(diǎn)的測(cè)量差值如圖9所示。

從圖9可以看出，激光掃描頭在30Hz這個(gè)頻率下掃描的數(shù)據(jù)更接近于三坐標(biāo)測(cè)量值，所以激光掃描頭掃描的最佳頻率是30Hz。

3 總結(jié)

該非接觸測(cè)量規(guī)范是建立在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，在實(shí)踐中具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性，雖然可能還有一些不足的地方，相信在以后的實(shí)踐中會(huì)逐漸得到完善。

圖7 Leica模型

圖8 不同角度下的測(cè)量差值

圖9 不同頻率下的測(cè)量差值

［1］羅勝彬，宋春華，韋興平，等.非接觸測(cè)量技術(shù)發(fā)展研究綜述［J］.機(jī)床與液壓，2013（12）：1001－3881.

［2］趙幸福.測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)方法在大型工件現(xiàn)場(chǎng)加工中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（8）：68－72.

［3］戴立銘，江潼君.激光三角測(cè)量傳感器的精密位移測(cè)量［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，1994（11）：400－404.