含能材料部件幾何量測量技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

劉 勇， 高國防， 張曉華， 陳玉國， 彭亞會， 趙 華，張書根

(1. 中國工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽 621999; 2.陜西寶雞150信箱11分箱， 陜西 寶雞 714000)

1 引 言

含能材料部件[1]通常是指以含能材料(火炸藥)為主體，按一定比例添加粘結(jié)劑或鈍感劑等助劑，經(jīng)特定成型工藝(鑄裝或壓裝)制造，具有一定形狀、尺寸且在常溫范圍內(nèi)(10～30 ℃)呈固相穩(wěn)定形態(tài)的可測量部件，通常與大型武器系統(tǒng)裝藥外殼固定在一起(除由于內(nèi)部應(yīng)變有極微量位移外，無相對運動)，一般呈餅、球、柱或其他不規(guī)則形狀塊體。

含能材料部件作為大型武器系統(tǒng)的毀傷能源，其幾何量指標(biāo)不僅關(guān)系到武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用性能及可靠性，而且直接影響著武器系統(tǒng)的安全貯存和有效使用。為實現(xiàn)對含能材料部件幾何量的定量測量和質(zhì)量評估，需對含能材料部件幾何量進(jìn)行定量測量。由于含能材料部件屬于爆炸危險品，在一定的電、火花、撞擊、靜電等刺激下易發(fā)生爆炸，且含能材料部件本身存在線性膨脹特性，其測量誤差對環(huán)境溫度場的分布及波動極為敏感，因此，含能材料部件幾何量測量具有安全性要求高、測量環(huán)境條件苛刻、流程長、成本高等特征。針對這些特點，近年來，含能材料部件幾何量測量技術(shù)主要包含有傳統(tǒng)的工卡量具測量技術(shù)、應(yīng)用廣泛的固定式三坐標(biāo)測量技術(shù)、便攜式坐標(biāo)測量技術(shù)以及最新發(fā)展的光學(xué)非接觸三維測量等技術(shù)。

隨著科技的發(fā)展以及武器裝備技術(shù)水平的提升,含能材料部件的形狀復(fù)雜化、小尺寸化需求日益迫切，尤其微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System， MEMS)技術(shù)的發(fā)展，含能材料部件加工制造已從傳統(tǒng)的大尺寸(回轉(zhuǎn)半徑100 mm～1 m)擴(kuò)展至中間尺寸(10～100 mm)[2-5]，為保證制造過程中的安全性，含能材料部件的尺寸測量精度要求也日益提高，這些都推動著含能材料部件幾何量測量技術(shù)的快速發(fā)展。本文從機(jī)械量具測量、固定式三坐標(biāo)機(jī)測量、便攜式坐標(biāo)測量、光學(xué)非接觸三維測量四方面對含能材料部件的幾何量測量技術(shù)應(yīng)用情況展開了綜述，提出未來含能材料部件幾何量測量發(fā)展方向。

2 含能材料部件幾何量測量技術(shù)

2.1 機(jī)械工卡量具測量技術(shù)(Measuring Technology with Mechanical Device )

傳統(tǒng)的含能材料部件幾何量測量技術(shù)，主要采用機(jī)械工卡量具，通過與機(jī)械方法產(chǎn)生一維或二維的標(biāo)準(zhǔn)長度、標(biāo)準(zhǔn)直線或曲線進(jìn)行比較來得到幾何量數(shù)值，包括直接測量和間接測量。直接測量主要使用通用的標(biāo)準(zhǔn)量具，如內(nèi)外徑千分尺、卡尺、塞規(guī)、平尺、塞尺測量、輪廓儀等; 間接測量則主要使用非標(biāo)準(zhǔn)化的專用量具，根據(jù)待測含能材料部件的型面尺寸要素，設(shè)計一套與待測含能材料部件某部分型面相近或吻合的測量橋架與硬質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣柱或樣板組合，通過測量含能材料外型面與標(biāo)準(zhǔn)樣板或樣柱進(jìn)行比對來間接得到該型面尺寸。如劉瑛[6]等設(shè)計的某機(jī)械對比測量系統(tǒng)，對某含能材料部件的外輪廓尺寸進(jìn)行了精確測量，梅軍建[7]等對該系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，其精度可達(dá)到0.02 mm，見示意圖1。

1—校準(zhǔn)裝置， 2—基準(zhǔn)板， 3—基準(zhǔn)座， 4—橋架， 5—百分表

圖1 某外輪廓尺寸測量系統(tǒng)[7]

1—adjust device， 2—datum shutter， 3—datum base，4—measurement frame， 5—percentage watch

Fig.1 The measurement system for outline size of explosive component[7]

傳統(tǒng)機(jī)械工卡量具測量設(shè)備穩(wěn)定性好、設(shè)計簡單、操作容易、成本較低，在早期彈箭武器系統(tǒng)的含能材料部件測量中發(fā)揮了巨大作用。但隨著武器裝備的技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械工卡量具測量明顯存在不足[6]:

一是系統(tǒng)誤差大，傳統(tǒng)量具機(jī)械結(jié)構(gòu)及指示表的綜合誤差一般在0.02 mm以上[6]，隨著產(chǎn)品制造精度提高，難以滿足需求; 二是隨機(jī)誤差大，測量的準(zhǔn)確性與測量人員操作水平的熟練程度及讀數(shù)的準(zhǔn)確程度正相關(guān); 三是工卡量具測量為接觸性測量，而含能材料部件多為脆性材料，測量過程中易對被測件造成損傷; 四是測量效率低，由于機(jī)械工卡量具測量主要靠人工操作，自動化水平較低，一般情況下測量勞動強度大、耗費時間較長。結(jié)合含能材料部件生產(chǎn)特點，機(jī)械工卡量具在許多場合仍有不可替代的質(zhì)量檢驗作用，為盡量減少測量誤差可采取的措施有: 一是采用具有數(shù)顯讀數(shù)功能的千分尺、游標(biāo)卡尺等機(jī)械量具來消除讀數(shù)誤差; 二是針對含能材料部件形狀特點，盡量采用輕質(zhì)合金材料，設(shè)計輕便、可靠性高的專用測量工具; 三是考慮在各類機(jī)械量具上增設(shè)隔熱扶手或把手，盡可能降低操作人員手溫等引起的量具線性膨脹。

2.2 固定式三坐標(biāo)測量技術(shù)(Coordinate Measuring Techniques)

固定式三坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate Measuring Machines，CMM)的出現(xiàn)標(biāo)志著傳統(tǒng)幾何量測量儀器從手動方式正式走向現(xiàn)代化自動、精確測量[8-11]。固定式三坐標(biāo)測量機(jī)見圖2[12]。與前述的傳統(tǒng)幾何量測量技術(shù)不同，三坐標(biāo)測量技術(shù)是基于空間點坐標(biāo)的采集和計算，將測量得到的被測物體幾何參數(shù)與相應(yīng)幾何形狀的數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)而得到工件幾何形狀參數(shù)的方法[12-15]。三坐標(biāo)測量機(jī)既解決了大尺寸范圍內(nèi)(1～3000 mm)復(fù)雜形狀表面輪廓尺寸的測量，如零件的深孔孔徑與孔位、腔體的曲面，葉片與齒輪等的外廓尺寸檢測; 同時提高了三維測量的精度。目前高精度的三坐標(biāo)測量機(jī)，如德國蔡斯 (ZEISS,德國坐標(biāo)機(jī)世界級企業(yè)之一)三坐標(biāo)測量機(jī)單軸精度，每米長度可達(dá)到0.4 μm以內(nèi)，三維空間精度可達(dá)0.7 μm[10]。

圖2 固定式三坐標(biāo)測量機(jī)[12]

Fig.2 Coordinate measuring Machines[12]

由于具有通用性強、測量范圍大、精度高、測量穩(wěn)定性和重復(fù)性好、效率高等特點，三坐標(biāo)測量機(jī)被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、航天、電子等多個領(lǐng)域，近年來更是在含能材料部件的制造、加工方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。美國核武器三大實驗室之一的圣地亞實驗室(SNAL)，20世紀(jì)80年代即開始了將三坐標(biāo)機(jī)測量與含能材料部件生產(chǎn)相結(jié)合的研究，甚至開始了五軸聯(lián)動的坐標(biāo)機(jī)測量研究[16]; 美能源部曾將光學(xué)掃描測頭加裝于三坐標(biāo)機(jī)上，對高溫(1450℃)下的特殊金屬材料鍛造件進(jìn)行在線測量[17]。

姚兵[18]和王萍[19]分別研究了基于CMM的復(fù)雜曲面數(shù)據(jù)測量，通過對各種復(fù)雜曲面的測量定位、測量區(qū)域劃分、測量路徑規(guī)劃以及測量點數(shù)分布進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，有效減少了冗余數(shù)據(jù)的測量，并大幅提高了三坐標(biāo)測量機(jī)對復(fù)雜曲面高精度測量的效率。含能材料部件測量方面，李鋒[20]等綜合圖像處理技術(shù)和Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)，利用三坐標(biāo)測量機(jī)，實現(xiàn)了多種型號炮彈全部結(jié)構(gòu)特征量的自動測量和藥筒燒蝕面積測量。高國防[21]等將三坐標(biāo)測量機(jī)運用于注裝含能材料部件的垂直度機(jī)加控制，很好地修正了數(shù)控加工中心對傾斜量的加工精度。

劉瑛[6]曾采用某型號固定式三坐標(biāo)測量機(jī)檢測含能材料部件，與傳統(tǒng)工卡量具測量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其測量精度大幅提高、測量時間大幅縮短，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 某型號三坐標(biāo)測量機(jī)與工卡量具含能材料部件測量數(shù)據(jù)對比[6]

Table 1 Comparison of CMM and mechanical device for the measurement of energetic materials component[6]

workpieceplacemeasuringtime/minmechanicaldeviceCMMmeasuringprecision(error)/μmmechanicaldeviceCMMthelumenofsomeirregularenergeticmaterialcomponentnegativecamberandborediameter602520～252．5～4．0someglobularenergeticmaterialcomponentoutlinesize602820～252．5～4．0somecolumnarenergeticmaterialcomponentcirculardegree，taper，cylinderheight753020～252．5～4．0

固定式三坐標(biāo)測量機(jī)雖然具有高精度、高效、自動化等諸多優(yōu)點，但也存在測量成本高(單機(jī)成本百萬元以上)、測量環(huán)境要求苛刻、精度計量檢定復(fù)雜、故障維修困難等不足[8]。隨著科技的發(fā)展，含能材料部件逐漸小尺寸、微型化，為適應(yīng)含能材料部件的特征測量，固定式坐標(biāo)測量機(jī)可重點從以下幾個方向發(fā)展: 一是大力開發(fā)具有高精度、較大量程以及能伸入小孔、可對微型零件進(jìn)行測量的各種測頭，且不同類型的測頭既可同時使用又可切換使用; 二是采用具有良好導(dǎo)熱性的新型材料作為坐標(biāo)測量機(jī)機(jī)體，將溫度變化所產(chǎn)生的熱變形減至最低; 三是通過成熟的逆向工程技術(shù)將三坐標(biāo)測量機(jī)與數(shù)控機(jī)床和加工中心配套組成含能材料部件生產(chǎn)線或柔性制造系統(tǒng)，從而促進(jìn)含能材料部件自動化生產(chǎn)線的發(fā)展; 四是通過關(guān)鍵部組件的國產(chǎn)化，來大幅降低三坐標(biāo)測量機(jī)的維修成本和購買成本。

2.3 便攜式坐標(biāo)測量技術(shù)(Portable Coordinate Measuring Techniques)

固定式三坐標(biāo)測量機(jī)測量結(jié)構(gòu)基于正交坐標(biāo)系，需要有花崗巖制成的底座、工作臺組成堅固的機(jī)身，各坐標(biāo)軸上加裝有金屬立柱和導(dǎo)軌，重量達(dá)數(shù)噸，不適用于大型工件在維修及裝配現(xiàn)場的快速測量。受需求的牽引，體積小、精度適中、價格低廉、安裝簡單、易于操作、現(xiàn)場測量工件方便的便攜式坐標(biāo)測量系統(tǒng)應(yīng)運而生[22-23]。根據(jù)不同的測量原理及搭載測頭，便攜式坐標(biāo)測量系統(tǒng)可分為關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)(圖3)和光筆測量儀(圖4)兩類。

2.3.1關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)(Portable Coordinate Measuring Arm ，PCMA)

關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)是指根據(jù)仿生學(xué)的原理，通過模擬人的關(guān)節(jié)將連桿臂之間的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為三維空間位置的掃描，并通過精確測量各轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)角值(空間極坐標(biāo)值)，轉(zhuǎn)換為工程上通用的三維笛卡兒坐標(biāo)值，以得到被測物體的空間幾何尺寸的非正交坐標(biāo)系測量系統(tǒng)。關(guān)節(jié)臂測量機(jī)具有多自由度(最多有7自由度)測量臂，可以繞各關(guān)節(jié)點靈活轉(zhuǎn)動，并裝有編碼器、測溫元件(對臂溫度誤差補償)等，基座可以方便地安裝在測量現(xiàn)場，其最后一節(jié)臂的末端裝有觸發(fā)測頭，操作人員手握測量臂，可以方便地探測工件上各測點[24]。目前國內(nèi)外主流的關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量系統(tǒng)主要產(chǎn)品有?？怂箍蛋捉痍P(guān)節(jié)臂、FARO關(guān)節(jié)臂等，其測量范圍可達(dá)到0.1 mm～4.5 m，空間測量精度可達(dá)0.015～0.023 mm。與傳統(tǒng)的正交固定式三坐標(biāo)測量機(jī)相比，關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)可以將臂折疊起來放入專用箱中，且主要部件的重量僅有10 kg左右，運動靈活、活動部分質(zhì)量小，可以探測工件或機(jī)器上的光學(xué)測量盲點，無需考慮測量路徑的優(yōu)化問題[15]。但由于關(guān)節(jié)臂測量機(jī)中各關(guān)節(jié)臂自由度大、溫度補償困難，導(dǎo)致測量誤差較大，精度低于固定式三坐標(biāo)測量機(jī)，對于復(fù)雜曲面工件同樣存在測量死角。國內(nèi)有不少學(xué)者針對關(guān)節(jié)臂測量機(jī)的誤差修正進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于較高精度零件的檢測維修中[25-27]。王春影[28]團(tuán)隊和劉萬里[29]團(tuán)隊創(chuàng)造性地將固定式三坐標(biāo)測量機(jī)用于關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)的校準(zhǔn)，很好地消除了系統(tǒng)誤差。高國防等[30]在復(fù)雜曲面的工件測量中應(yīng)用關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行了測量，精度達(dá)到0.02 mm。筆者[21]曾采用某型號關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量機(jī)(空間測量精度0.018～0.03 mm，測量范圍0～1 m)與固定式三坐標(biāo)測量機(jī)，基于相同測點數(shù)，對比檢測含能材料部件，見表2。

圖3 關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量機(jī)(接觸式測頭)[22]

Fig.3 Portable coordinate measuring arm(with touching probe)[22]

圖4 光筆測量系統(tǒng)[34]

Fig.4 Measurement system of coordinates with light pen[34]

表2某型關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量機(jī)與某型固定式坐標(biāo)機(jī)含能材料部件測量對比[21]

Table 2 Comparison of CMM and PCMA for the measurement of energetic materials component[21]

workpieceplacemeasuringtime/minmechanicaldeviceCMMmeasuringprecision(error)/μmmechanicaldeviceCMMthelumenofsomeirregularenergeticmaterialcomponentnegativecamberandborediameter1525184．0someglobularenergeticmaterialcomponentoutlinesize1528184．0

關(guān)節(jié)臂測量機(jī)較固定式測量機(jī)測量[29]時間大幅縮短。因此，在含能材料部件的幾何量測量過程中，尤其是非特殊要求的較高精度在線檢測及成品質(zhì)量檢驗中，測量誤差在0.02～0.04 mm、公差帶在0.2～0.6 mm之間的任意孔、軸配合中，均可廣泛采用該類測量技術(shù)。

2.3.2光筆測量系統(tǒng)(Measurement System of Coordinates with Light Pen)

光筆坐標(biāo)測量技術(shù)是指以光筆為接觸工具，將光筆上發(fā)光點作為目標(biāo)點，利用單攝像機(jī)(單目)或雙攝像機(jī)(雙目)，以光學(xué)測頭上的光學(xué)特征點作為成像目標(biāo)，獲取被測點的測量信息，并通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及算法，得到被測點的三維坐標(biāo)，進(jìn)而獲得被測物體整體幾何特征量[31]。該技術(shù)可直接從被測物體表面獲取測量信息而無法實現(xiàn)高光表面及被遮擋部分等的測量問題[31]，且測量精度需進(jìn)一步提高，如以挪威邁卓諾公司生產(chǎn)的光筆測量儀為代表的單目視覺測量系統(tǒng)(圖4)，可實現(xiàn)30 m大測量范圍內(nèi)的空間長度測量，精度達(dá)25 μm[32]。

黃風(fēng)山等[32-33]建立的光筆式單目及雙目攝像機(jī)三維坐標(biāo)視覺測量系統(tǒng)，X軸(300 mm行程)測量累積誤差為0.18 mm、Y軸測量累積誤差為0.13 mm(100 mm行程)、Z軸測量誤差為0.26 mm(450 mm行程)，為先進(jìn)光筆得力技術(shù)自有知識產(chǎn)權(quán)國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。解則曉[34]等基于近景攝影測量學(xué)中的單像空間后方交會原理，建立了一種新型的光筆式單目視覺測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下X軸、Y軸、Z軸方向的穩(wěn)定性誤差分別為0.042,0.048,0.066 mm，最大測量誤差為0.173 mm，可以滿足大尺寸、中低精度要求的工件現(xiàn)場三維幾何量檢測。

便攜式坐標(biāo)測量技術(shù)雖然具有精度適中、價格低廉、安裝簡單、現(xiàn)場操作方便等優(yōu)點，但同時也存在精度不高(低于固定式三坐標(biāo)機(jī))、對操作者的熟練程度要求高、存在測量死角等缺點。為適應(yīng)含能材料部件未來發(fā)展需求，便攜式坐標(biāo)測量技術(shù)可從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn): 一是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步提高測溫元件、測量臂及光筆的動態(tài)溫度補償能力，在實現(xiàn)較為快速測量的同時保證較高測量精度; 二是采用新型材料制成高靈敏度的觸測測頭，提高觸測精度; 三是發(fā)展更為便捷、涵蓋擬合建模等多種功能的測量軟件，使便攜式坐標(biāo)測量技術(shù)能納入智能化生產(chǎn)線。

3光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)在含能材料部件應(yīng)用前景

隨著大型工件外形和質(zhì)量測量要求的提高，實現(xiàn)大型工件外型面高效率、非接觸、全尺寸、柔軟、無損檢測的需求日益強烈。光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)主要是指利用光攝影及立體視覺原理，以固定式三坐標(biāo)測量機(jī)或關(guān)節(jié)臂等作為測量平臺，CCD(電荷耦合元件，Charge-coupled Device)攝像機(jī)為核心系統(tǒng)，通過拍攝或掃描處理點云獲得工件精確三維尺寸的測量技術(shù)[33]。在光學(xué)非接觸測量過程中，還可結(jié)合逆向工程技術(shù)對被測物形狀進(jìn)行分析，實現(xiàn)其關(guān)鍵點和型面的控制，還可以通過數(shù)字化測量設(shè)備獲取被測工件或模型的云狀數(shù)據(jù)，再進(jìn)行曲面重構(gòu)得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，為大型工件全尺寸快速檢測提供有效途徑[35-41]。由于光學(xué)非接觸測量技術(shù)普遍采用高分辨率攝像機(jī)(或加裝背景光源)，同時利用高運算能力計算機(jī)對點云進(jìn)行數(shù)值計算，普遍造價高，而且測量精度略低于關(guān)節(jié)臂測量機(jī)。光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)按照測量原理和手段的不同，主要可分為結(jié)構(gòu)光視覺測量(分單目、雙目)、光學(xué)坐標(biāo)測量兩類。

3.1 結(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)(Measuring Technology Based on Structured Light)

結(jié)構(gòu)光視覺測量是指使用數(shù)字投影儀將預(yù)先編程的數(shù)字光柵投射到被測工件表面，由于光柵隨物體表面高度變化而發(fā)生變形，使用CCD攝像機(jī)等立體視覺系統(tǒng)獲得其物體的二維圖像，然后利用相關(guān)的結(jié)構(gòu)光算法和圖像匹配求取每一點的展開相位，獲得該點的三維坐標(biāo)，進(jìn)而實現(xiàn)物體的三維整體測量[36]。結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)見圖5。目前，基于結(jié)構(gòu)光視覺原理的光學(xué)非接觸測量系統(tǒng)已發(fā)展成為精度較高、非接觸測量、大量程的便攜式幾何量測量系統(tǒng)，如美國GSI公司的V-STARS系統(tǒng)、日本3DMedia公司的3DM-FOTOMETRICS系統(tǒng)等測量精度誤差甚至達(dá)到0.10 mm/4 m[36]，瑞士Leica公司推出的T-pro移動式坐標(biāo)測量機(jī)，將激光跟蹤測距和攝像機(jī)視覺測量技術(shù)相結(jié)合，大大提高了系統(tǒng)的測量精度和靈活性，在17m的測量范圍內(nèi)測量精度可達(dá)到0.06 mm[38]。

圖5 結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)[42]

Fig.5 Vision measurement system based on structured light[42]

國內(nèi)劉桂華[42]研究小組通過采用結(jié)構(gòu)光立體視覺測量及多頻相移技術(shù)，可對大型鍛件在15 m遠(yuǎn)處進(jìn)行非接觸在線測量(1000 ℃)，精度可達(dá)到1～3 mm。羅劍[43]等基于提出的二維投影機(jī)模型，通過使用多平面法及Levenberg-Marquardt算法標(biāo)定攝像機(jī)和投影機(jī)幾何參數(shù)，使三維攝影照相設(shè)備的測量精度達(dá)到0.05 mm(250 mm×200 mm×200 mm的測量范圍)。高國防[44]等應(yīng)用雙目攝影系統(tǒng)(見圖6)并結(jié)合逆向工程方法，對某火炮裝藥炮彈的變形量進(jìn)行了較為精確的測量，并對模擬半球外形輪廓、體積進(jìn)行測量，結(jié)果表明其精度達(dá)到0.06 mm。

圖6 雙目結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)[37]

Fig.6 Vision measurement system based on structured two-light[37]

在含能材料部件幾何量非接觸測量方面，李鋒[20]結(jié)合Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)，利用CCD攝像機(jī)的復(fù)合式三坐標(biāo)測量機(jī)，實現(xiàn)了多種型號炮彈的全部結(jié)構(gòu)特征量的自動測量和藥筒燒蝕面積測量。

3.2 光學(xué)三坐標(biāo)測量技術(shù)(Optical Coordinate Measurement Technology)

光學(xué)三坐標(biāo)測量技術(shù)利用固定式三坐標(biāo)測量機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)精確移動定位，再由視覺系統(tǒng)(物鏡、CCD相機(jī)等)獲取被測物體圖像的模擬信號，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綀D像采集卡中并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，測量軟件對圖像進(jìn)行影像對位、數(shù)值顯示，并實現(xiàn)幾何特征量識別與檢測、空間幾何運算、尺寸標(biāo)注，CAD圖形輸出等[45]。根據(jù)探測光源或測頭的不同，主要有復(fù)合光學(xué)掃描三坐標(biāo)測量技術(shù)(可加裝激光掃描頭，圖7)和白光掃描測量技術(shù)(圖8)兩大類[46]。國內(nèi)外研究人員[46-47]針對光學(xué)三維掃描測量技術(shù)進(jìn)行了大量的理論及應(yīng)用研究。美國圣地亞國家實驗室于20世紀(jì)90年代就曾研究，將光學(xué)掃描測頭加裝于蔡司三坐標(biāo)機(jī)上對高溫(1450 ℃)下的特殊金屬材料鍛造測量進(jìn)行在線測量[16]，精度達(dá)到了0.1 mm。

美國OGP公司ZIP復(fù)合光學(xué)三坐標(biāo)(圖7)既有傳統(tǒng)的光學(xué)測頭(可選激光測頭)又有接觸式測頭，在提高了空間測量精度(0.002mm左右)的同時，進(jìn)一步增強了測量功能，可通過編程實現(xiàn)批量零件的自動測量，特別適合小尺寸零部件的測量[47]。?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司白光測量系統(tǒng)[45](圖8)，采用閃光照像的方式，通過3個鏡頭在不同的位置和方向獲取同一物體的兩幅以上的數(shù)字圖像，經(jīng)特征對齊拼合、匹配處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計算后，在軟件中形成拍攝物體的三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到待測點精確的三維坐標(biāo)，同時數(shù)據(jù)以高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)模板庫(Standard Template Library，STL)格式點云輸出，可測量工件表面平整度、幾何尺寸、輪廓等。該系統(tǒng)具有測量時間短(0.001 s)，采點密度大，精度較高(30 μm，重復(fù)性100 μm)、設(shè)備體積小(可安裝在關(guān)節(jié)臂上)等優(yōu)點。

圖7 復(fù)合式光學(xué)三坐標(biāo)測量系統(tǒng)[47]

Fig.7 Optical coordinate measurement system of multisensor[47]

圖8 白光掃描坐標(biāo)測量系統(tǒng)[46]

Fig.8 Coordinate measurement system with white-light[46]

對于含能材料部件來說，相關(guān)實驗證明普通光(可見光、紅外光、紫外光)可引起火工品中起爆藥(AgN3、Pb(N3)2)不同程度的熱分解，光強足夠大時甚至引起熱爆炸[48]; 而感度較高的猛炸藥太安、黑索今、奧克托今可在激光短時(微秒級)強刺激下引爆，但引爆能量較高(9～25 J·cm-2)[49-51]，遠(yuǎn)大于一般CCD攝像頭中光能量(400～700 nm，1.62～3.11 eV，低于0.1 J·cm-2)[51]。鑒于此，兼顧設(shè)備成本及測量精度要求，可以考慮，將光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)應(yīng)用于以鈍感猛炸藥為主體裝藥、低精度要求(0.1～0.6 mm)、寬尺寸范圍內(nèi)的含能材料部件幾何量測量中。

光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)具有測量速度快、非接觸、大量程等優(yōu)點，但是也存在測量設(shè)備昂貴、測量精度不高(低于關(guān)節(jié)臂及固定式三坐標(biāo)機(jī))等不足。結(jié)合含能材料部件特點，未來光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)應(yīng)重點從以下幾個方向發(fā)展: 一是進(jìn)一步提高光學(xué)測量頭或CCD攝像頭分辨率; 二是開發(fā)更為精準(zhǔn)和高效的測量軟件，使數(shù)據(jù)點云仿真重構(gòu)能力更強; 三是通過研究攻關(guān)，進(jìn)一步提高CCD、激光掃描測頭等光學(xué)關(guān)鍵元器件的國產(chǎn)化率，降低設(shè)備成本; 四是研究采用光能量密度更低、脈沖時間更短的光源(或光發(fā)生器)，尤其是廣泛開展不同含能材料激光感度安全性試驗，使光學(xué)測量技術(shù)更安全、更可靠。

4 結(jié)論與展望

含能材料部件的幾何量測量，必然要隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，向高精度、高效、快速等方向發(fā)展。三坐標(biāo)技術(shù)、關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測量技術(shù)、光學(xué)非接觸測量技術(shù)的出現(xiàn)，使含能材料部件安全、快速、高精度、便攜、大量程及在線測量成為可能。

(1)在含能材料部件高精度(0.01 mm以下)、中小尺寸(10～100 mm)幾何量測量中，未來應(yīng)該重點發(fā)展基于固定式三坐標(biāo)機(jī)的在線測量技術(shù)，研究如何將坐標(biāo)測量技術(shù)與含能材料部件的生產(chǎn)、加工、制造等工藝結(jié)合起來，進(jìn)一步實現(xiàn)在線測量、柔性制造。

(2)在含能材料部件中精度(0.01～0.1 mm)、較大尺寸(100～800 mm)幾何量測量中，未來應(yīng)該重點發(fā)展基于以關(guān)節(jié)臂測量機(jī)、光筆測量儀為主的便攜式測量技術(shù)，研究如何進(jìn)一步優(yōu)化采點路徑及算法、提高測量精度，進(jìn)一步實現(xiàn)含能材料部件便攜式、較高精度的快速測量。

(3)在以鈍感猛炸藥為主體裝藥的含能材料部件低精度(0.1～0.6 mm)、寬尺寸范圍(10～1000 mm)幾何量測量中，未來應(yīng)該重點發(fā)展光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)，尤其是白光測量系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)，優(yōu)化測量模型、選取優(yōu)質(zhì)探測光源(除激光光源或經(jīng)過大批量激光感度試驗)，進(jìn)一步實現(xiàn)含能材料部件的無損、高效測量。

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