自動(dòng)影像測(cè)量技術(shù)在橡膠件制造中的應(yīng)用

■ 汪琪 王翠紅 余翔/國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠

0 引言

隨著航空裝備的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，橡膠件結(jié)構(gòu)形狀越來(lái)越復(fù)雜、尺寸精度越來(lái)越高，對(duì)橡膠件尺寸測(cè)量的要求也越來(lái)越高，原有的游標(biāo)卡尺、塞規(guī)等傳統(tǒng)量具測(cè)量功能較單一，測(cè)量精度、測(cè)量效率均難以滿(mǎn)足要求，而精度較高的接觸式測(cè)量一般均不適用于橡膠類(lèi)的彈性體，且測(cè)量效率較低。對(duì)于品種多、批量少的高精度軍機(jī)橡膠件制造，迫切需要一種測(cè)量功能較全面，測(cè)量精度較高且方便使用、能夠快速測(cè)量的方法。

FLASH СNС200非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x利用自動(dòng)影像測(cè)量技術(shù)，通過(guò)MeasureMind 3D軟件，可實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的各類(lèi)幾何尺寸和形位公差的測(cè)量。

1 自動(dòng)影像測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)述

自動(dòng)影像測(cè)量技術(shù)是一種主動(dòng)式、非接觸的三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，在逆向工程、質(zhì)量檢測(cè)、數(shù)字化建模等領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。它采用了基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)邊緣提取、自動(dòng)匹配、自動(dòng)對(duì)焦、測(cè)量合成、影像合成等人工智能技術(shù)，具有СNС走位自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)學(xué)習(xí)批量測(cè)量、影像地圖目標(biāo)指引、全視場(chǎng)鷹眼放大等功能。同時(shí)，基于機(jī)器視覺(jué)與微米精確控制下的自動(dòng)對(duì)焦過(guò)程，可以滿(mǎn)足清晰造影下輔助測(cè)高需要。它還有支持空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的優(yōu)異軟件性能，可在工件隨意放置的情況下進(jìn)行批量測(cè)量，并可使用夾具進(jìn)行大批量掃描測(cè)量和SPС結(jié)果分類(lèi)。

2 橡膠件測(cè)量需求分析

橡膠件屬?gòu)椥圆牧?，受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性變形。為確保橡膠件滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量時(shí)需使其在相應(yīng)尺寸方向上不受外力及自身重力影響。

橡膠件測(cè)量主要分為對(duì)幾何尺寸、截面形狀和表面質(zhì)量方面的測(cè)量。

1) 幾何尺寸一般為線(xiàn)性尺寸、孔徑、軸徑尺寸、圓弧、圓角、孔距等。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的O形圈一般只需要測(cè)量?jī)?nèi)徑和截面直徑，內(nèi)徑測(cè)量需確保O形圈保持圓形，截面直徑測(cè)量則需防止其受到夾持力而變形；結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橡膠件需測(cè)量各種不同的尺寸，且不同的形狀結(jié)構(gòu)其測(cè)量需求也不同，有些部位還需剖開(kāi)測(cè)量。

2) 截面形狀檢查主要包括沿分模面密封件截面的錯(cuò)位（見(jiàn)圖1）、密封圈截面的不圓度（見(jiàn)圖2）、溢膠飛邊的寬度和高度（見(jiàn)圖3）、表面雜質(zhì)寬度（見(jiàn)圖4）和表面凹陷的寬度和深度（見(jiàn)圖5）等。錯(cuò)位的圓心距、不圓度的垂直方向直徑差的測(cè)量準(zhǔn)確性較難保證，飛邊、雜質(zhì)和凹陷的尺寸較小且不易測(cè)量。

3) 表面質(zhì)量主要涉及雜質(zhì)尺寸、凹凸尺寸、毛刺尺寸、缺口尺寸、劃/擦傷深度尺寸等，一般為符合性判定的需求。

圖1 錯(cuò)位

圖2 不圓度

圖3 溢膠飛邊寬度和高度

圖4 表面雜質(zhì)寬度

圖5 表面凹陷的寬度和深度

不同工作條件和功能的橡膠件其各部位尺寸公差差別較大，活動(dòng)密封的橡膠件需要較高的精度，固定密封的橡膠件次之，其他橡膠件一般精度即可?？偟膩?lái)說(shuō)，測(cè)量精度一般不超過(guò)0.01mm，個(gè)別零件需達(dá)到0.005mm。

3 傳統(tǒng)測(cè)量方法與自動(dòng)影像測(cè)量技術(shù)的比對(duì)

3.1 幾何尺寸

傳統(tǒng)測(cè)量方法一般使用游標(biāo)卡尺測(cè)量橡膠件的線(xiàn)性尺寸、軸徑、孔距等，用塞規(guī)測(cè)量橡膠件的孔徑尺寸，其他尺寸一般均無(wú)法在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，需送計(jì)量單位進(jìn)行測(cè)量。由于橡膠件為彈性體，受力后會(huì)產(chǎn)生變形，不適宜采用接觸式測(cè)量方法。目前，用游標(biāo)卡尺或塞規(guī)進(jìn)行的測(cè)量均采用通、止的方式得出符合性的定性測(cè)量結(jié)果而無(wú)法測(cè)出具體尺寸，例如，用游標(biāo)卡尺測(cè)量膠圈截面直徑Φ1.9±0.08mm，只能先將游標(biāo)卡尺調(diào)至1.82mm，膠圈應(yīng)不能通過(guò)，再調(diào)至1.98mm，膠圈須順利通過(guò)，方可判定合格。

使用自動(dòng)影像測(cè)量技術(shù)后，上述幾何尺寸均可通過(guò)非接觸式的光學(xué)投影方式自動(dòng)采集測(cè)量點(diǎn)，經(jīng)軟件處理后可得出精確的實(shí)測(cè)值，尤其是對(duì)于易變形部位的尺寸和需通過(guò)多個(gè)尺寸計(jì)算獲得測(cè)量結(jié)果的尺寸等，可通過(guò)建立測(cè)量程序進(jìn)行自動(dòng)快速的重復(fù)測(cè)量。例如，測(cè)量孔距時(shí)，可以自動(dòng)采集兩個(gè)孔圓周上的多個(gè)點(diǎn)，獲得兩個(gè)孔的圓心，自動(dòng)計(jì)算圓心距離。

3.2 截面形狀

對(duì)于圓截面膠圈截面的不圓度，傳統(tǒng)測(cè)量方法一般用游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直方向直徑的方式進(jìn)行，其他截面形狀一般均是借助放大鏡目測(cè)或與標(biāo)準(zhǔn)樣件比對(duì)的方式進(jìn)行符合性判定。這兩種方式均難以獲得較高精度的測(cè)量結(jié)果，且受膠料硬度、尺寸規(guī)格和測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)等因素影響較大。

使用自動(dòng)影像測(cè)量技術(shù)后，可通過(guò)直接獲取截面投影的數(shù)據(jù)測(cè)量相應(yīng)的截面形狀。其中，不圓度可在測(cè)量截面直徑時(shí)自動(dòng)獲取最大直徑和最小直徑進(jìn)行計(jì)算；錯(cuò)位可通過(guò)獲得兩個(gè)半圓的圓心后自動(dòng)計(jì)算圓心距離；飛邊、雜質(zhì)和凹陷尺寸等則是通過(guò)直接取點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

3.3 表面質(zhì)量

橡膠件表面質(zhì)量涉及雜質(zhì)、凹凸、毛刺、缺口、劃/擦傷深度等尺寸，傳統(tǒng)測(cè)量方法一般只能借助放大鏡目測(cè)方式進(jìn)行符合性判定。完全依賴(lài)于檢查人員的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法獲得具體的測(cè)量數(shù)據(jù)。自動(dòng)影像測(cè)量技術(shù)雖然也難以徹底解決上述問(wèn)題，且精確測(cè)量時(shí)需破壞零件，但可為檢查人員提供一些參考數(shù)據(jù)，提高判定的準(zhǔn)確性。

3.4 測(cè)量準(zhǔn)確度

適用于橡膠件尺寸測(cè)量的量具主要為游標(biāo)卡尺，在不考慮因膠圈變形引入的測(cè)量誤差情況下，測(cè)量準(zhǔn)確度約0.02mm；在軟性膠圈內(nèi)徑測(cè)量時(shí)還用到了極限尺寸塞規(guī)，由于極限塞規(guī)可以利用其完整的外形減少膠圈在直徑方向的形變，因此測(cè)量準(zhǔn)確度高于卡尺。但兩者都不能給出實(shí)測(cè)值，同時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度也受毛邊、錯(cuò)位等截面形狀因素影響。

自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x自身測(cè)量準(zhǔn)確度高，同時(shí)可以利用密集測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)擬合最佳直徑，或者采取掃描易變形橡膠圈輪廓線(xiàn)計(jì)算周長(zhǎng)后反求內(nèi)外徑，有效降低了膠圈徑向變形對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的影響，同時(shí)可以通過(guò)軟件濾除遺留的毛邊，增加測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3.5 測(cè)量效率

自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x在批量測(cè)量時(shí)可在平均小于1秒的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)多點(diǎn)尺寸測(cè)量，是人工測(cè)量完全無(wú)法達(dá)到的。而且，借助于計(jì)算機(jī)軟件，可貯存大量的橡膠件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和測(cè)量程序，能夠重復(fù)調(diào)用、批量測(cè)量。

4 FLASH CNC200非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x的應(yīng)用

FLASH СNС200非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x是美國(guó)OGP公司的產(chǎn)品，測(cè)量技術(shù)成熟度較高，測(cè)量準(zhǔn)確度較高，E2=(2.0+6L/1000)μm，E1（z）=(3.5+6L/1000)μm，功能較全面，操作安全便捷，具有自動(dòng)記憶編程功能，可實(shí)現(xiàn)矩陣或定位批量檢測(cè)，還具有自動(dòng)評(píng)定尺寸是否合格等功能，測(cè)量效率高、經(jīng)濟(jì)適用，非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

4.1 幾何尺寸測(cè)量

1） 多點(diǎn)擬合的內(nèi)徑尺寸測(cè)量

多點(diǎn)擬合的內(nèi)徑尺寸測(cè)量主要用于膠料硬度較高或帶有龍骨的皮碗、膠圈，以及形狀保持能力較強(qiáng)的小尺寸膠圈等，該類(lèi)膠件的彈性形變對(duì)直徑影響小，通過(guò)多點(diǎn)擬合可得到準(zhǔn)確的內(nèi)徑尺寸。在軟件截面的膠圈內(nèi)徑投影處用半自動(dòng)工具選取三點(diǎn)或手動(dòng)選取多點(diǎn)（見(jiàn)圖6），再用構(gòu)建工具構(gòu)造出圓的形狀，軟件任務(wù)欄就直接顯示出該產(chǎn)品的直徑、最大直徑、最小直徑、半徑等數(shù)據(jù)。

2） 輪廓掃描的內(nèi)徑尺寸測(cè)量

輪廓掃描的內(nèi)徑尺寸測(cè)量主要用于直徑大、膠料軟等彈性形變自恢復(fù)能力差的膠圈尺寸測(cè)量。形變自恢復(fù)能力好的膠圈，在測(cè)量載具（一般為平板透明玻璃）上放置一段時(shí)間后，可恢復(fù)其理想形狀，可以減少形變對(duì)尺寸測(cè)量結(jié)果的影響，而大直徑或軟材質(zhì)的膠件無(wú)法自行恢復(fù)接近其理想形狀，必須采用輪廓掃描法測(cè)量。對(duì)于膠圈內(nèi)徑尺寸的測(cè)量，主要通過(guò)掃描內(nèi)輪廓線(xiàn)長(zhǎng)度，計(jì)算得到最佳的內(nèi)徑測(cè)量值（見(jiàn)圖7）。

圖6 多點(diǎn)擬合的內(nèi)徑尺寸測(cè)量

圖7 輪廓掃描的內(nèi)徑尺寸測(cè)量

3） 幾何尺寸的批量檢測(cè)

圖8 批量檢測(cè)

圖9 截面不圓度的自動(dòng)測(cè)量

圖10 截面錯(cuò)位量的自動(dòng)測(cè)量

批量檢測(cè)是自動(dòng)測(cè)量?jī)x器的主要特點(diǎn)，在解決大數(shù)量抽檢和關(guān)鍵重要件全數(shù)檢測(cè)的高效測(cè)量方面具有突出優(yōu)勢(shì)。圖8所示為36件膠圈內(nèi)徑的程序化批量檢測(cè)，可同步輸出批量檢測(cè)的測(cè)量結(jié)果及被測(cè)件的合格情況。

4.2 截面形狀測(cè)量

1） 截面不圓度的自動(dòng)測(cè)量

截面不圓度可在測(cè)量截面直徑時(shí)通過(guò)自動(dòng)獲取最大直徑和最小直徑計(jì)算得到。在軟件界面中用構(gòu)建圓或掃描的方法取圓截面的輪廓，在軟件任務(wù)欄中選中最大直徑和最小直徑，用工具箱中的計(jì)算器載入計(jì)算公式，自動(dòng)計(jì)算不圓度（見(jiàn)圖9）。

2） 截面錯(cuò)位量的自動(dòng)測(cè)量

截面錯(cuò)位量可通過(guò)獲得兩個(gè)半圓的圓心后自動(dòng)計(jì)算圓心距離。在軟件界面中用構(gòu)建圓弧的方法畫(huà)出一個(gè)半圓，確定圓心，在X軸各取一個(gè)正負(fù)值構(gòu)建一條直線(xiàn)。得到這條直線(xiàn)與該半圓的兩個(gè)交點(diǎn)，然后用同樣的方法取另一個(gè)半圓的兩個(gè)點(diǎn)，通過(guò)兩個(gè)半圓各自點(diǎn)相互距離獲得錯(cuò)位量（見(jiàn)圖10）。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，F(xiàn)LASH СNС200非接觸式光學(xué)測(cè)量?jī)x適應(yīng)軍機(jī)橡膠件制造對(duì)尺寸檢測(cè)更高速、更便捷、更精準(zhǔn)的測(cè)量需要。同時(shí)，非接觸式測(cè)量不會(huì)導(dǎo)致橡膠件本身的尺寸變形，減少了人為誤差，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度，使操作人員從繁瑣的精確目視對(duì)位、頻繁選點(diǎn)等單調(diào)操作和重復(fù)勞動(dòng)中解脫出來(lái)，提高了橡膠件的測(cè)量效率。不僅能夠解決傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量效率方面的問(wèn)題，還能測(cè)量一部分無(wú)法由傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量的尺寸參數(shù)，使橡膠件測(cè)量告別手動(dòng)低效率時(shí)代，走向數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化的高效率時(shí)代，較大地提升了軍機(jī)橡膠件制造質(zhì)量控制能力和水平。

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