復(fù)雜零件精密尺寸測量方法的研究進(jìn)展

王榮峰，曹 迪，林 娜

（1.廣東省肇慶市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東肇慶 526070；2.廣東省汽車配件產(chǎn)業(yè)計量測試中心，廣東肇慶 526070）

0 引言

隨著“智能制造”時代和工業(yè)4.0的快速推進(jìn)，高精度和高效率已成為機械制造工業(yè)領(lǐng)域重要的追求目標(biāo)。對機械設(shè)備及零部件尺寸的高精度、高效率測量是提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要保證。在傳統(tǒng)的制造業(yè)中，常使用的尺寸測量方法有三坐標(biāo)測量儀法，卡尺、直尺、塞尺等直接測量法，該類傳統(tǒng)的測量方法效率和精度低、測量工具功能單一、局限性大，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)對復(fù)雜零件快速精準(zhǔn)測量的要求。近年來國內(nèi)外出現(xiàn)了多種測量效率高、精度高、測量功能齊全的現(xiàn)代化尺寸測量技術(shù)，該類新技術(shù)提高了復(fù)雜零件測量的精度和效率，是今后測量技術(shù)發(fā)展的重要方向[1－2]。

常見的零件尺寸測量方法分為接觸式和非接觸式，其分類如圖1所示。接觸式的測量設(shè)備主要包含有螺旋測微儀、三坐標(biāo)測量儀、卡尺、塞尺等；非接觸式的測量方法主要有結(jié)構(gòu)光投影測量技術(shù)、機器視覺測量技術(shù)、藍(lán)光測量技術(shù)、激光三角法測量技術(shù)和工業(yè)CT測量技術(shù)。

圖1 常見幾何尺寸測量方法分類Fig.1 Classification of common geometric measurement methods

1 結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)

如圖2 所示，結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)是通過光源投射出具有特定形狀圖案的結(jié)構(gòu)光到被測量零件的表面，再通過電荷耦合器件圖像傳感器（CCD）捕獲零件表面所反射畸變的結(jié)構(gòu)光圖案，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理即可重構(gòu)出零件的三維形貌，實現(xiàn)對零件尺寸測量。結(jié)構(gòu)光的特定形狀圖案主要有點陣光斑、光帶或者光柵等，其中結(jié)構(gòu)光柵主要應(yīng)用在零件的三維形貌重構(gòu)中。結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)具有測量精度高、測量速度快等優(yōu)點，在工業(yè)制造、逆向工程等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[3]。

圖2 結(jié)構(gòu)光三維測量原理Fig.2 Schematic diagram of structured light three－dimensional measurement

朱爽等[4]針對目前三維輪廓測量方法存在的測量精度低的問題提出了一種線結(jié)構(gòu)光三維輪廓相位測量方法。該方法根據(jù)線結(jié)構(gòu)光三維輪廓測量原理，計算出零件表面每點的相位差，再采用傅里葉變換方法獲取零件輪廓相位值，再構(gòu)建出尺寸模型，實現(xiàn)了對零件三維尺寸的精密測量，該種測量方法可在4 s 內(nèi)對零件尺寸高精度測量。伏燕軍[5]指出大尺寸零件很難一次性獲得其三維形貌，極易引起較大的條紋畸變而產(chǎn)生誤差。針對該問題作者提出了一種兼容性強、操作簡易的結(jié)構(gòu)光柵周期矯正四步相移法的理論模型。該理論模型采用CCD 相機鏡頭校正模型，抵消了由鏡頭畸變引起的誤差。此外還通過在大尺寸零件表面粘貼標(biāo)志點，獲取其三維坐標(biāo)并由L－M 算法在全局坐標(biāo)下實現(xiàn)三維圖像的拼接。并針對拼接處的重疊區(qū)域采用加權(quán)算法對其進(jìn)行融合，經(jīng)過驗證其測量誤差低于0.2 mm。同樣針對大型工件，陳思豪[6]通過引入線結(jié)構(gòu)光平面，建立了視覺傳感器數(shù)學(xué)模型和多項式模型，提出了一種基于單目線性結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)。該系統(tǒng)通過運動云臺實現(xiàn)對大型工件的全方位三維掃描重構(gòu)，克服了雙目視覺三維掃描技術(shù)的操作復(fù)雜、速度較慢的缺點，且該系統(tǒng)尺寸測量平均誤差小于0.1 mm。結(jié)構(gòu)光和近距離攝影結(jié)合的三維掃描測量技術(shù)通常需要在被測試零件貼上已編碼的標(biāo)記貼，該種測量方式操作，XIAO YL[7]研究了一種基于逆向攝影的3D結(jié)構(gòu)化光測量技術(shù)，該技術(shù)具有反向信息傳輸和狀態(tài)傳遞的優(yōu)勢，從而避免了三維掃描測量過程中貼標(biāo)記貼的繁瑣步驟，顯著提升了三維掃描的速率。

2 基于機器視覺的尺寸測量技術(shù)

機器視覺是通過視覺傳感器使機器具有類似人類視覺的功能，能夠智能地識別零件的形狀、尺寸、狀態(tài)等。機器視覺尺寸測量系統(tǒng)主要分為視覺識別系統(tǒng)和尺寸測量系統(tǒng)，其中視覺識別系統(tǒng)主要包含圖像采集器、圖像分析系統(tǒng)；尺寸測量系統(tǒng)主要由光源、測量軟件等組成。機器視覺尺寸測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對零件的快速精準(zhǔn)測量，已在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

機器視覺尺寸測量精度受圖像處理算法影響較大，先進(jìn)的邊緣識別算法可以提高測量精度。萬子平[8]提出了一種基于機器視覺的零件尺寸測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用改進(jìn)的Canny算法識別圖像邊緣，提高了數(shù)據(jù)的提取效率，實現(xiàn)了對零件輪廓尺寸的高精度快速測量。高茂源等[9]利用機器視覺系統(tǒng)對零件進(jìn)行初步測量，然后采用HALCON 軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再經(jīng)過擬合運算得到零件的具體尺寸，其尺寸精度符合要求，測量效率顯著提高。陳為等[10]基于機器視覺原理，建立了CCD 相機成像模型，使用MATLAB 標(biāo)定算法和HALCON 軟件對發(fā)生畸變的圖像進(jìn)行誤差修正，獲得了高精度的圖像數(shù)據(jù)及測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過驗證該方法標(biāo)定誤差小于0.3 mm，滿足使用需求。

齒輪是機械設(shè)備中重要的傳動零件，齒輪的尺寸精度直接影響動力傳輸效率和使用壽命，對其尺寸的高精度測量具有重要意義。傳統(tǒng)的齒輪檢測方法需要多種工具互相配合測量才能完成，且精度和效率較差。候恩光[11]基于機器視覺測量技術(shù)，采用多段圓弧擬合的處理方法提高了測量效率和精度。該方法首先利用CCD 相機獲取齒輪的圓弧、倒角、凹槽等部位參數(shù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行多段短圓弧擬合。最后采用理論計算、機器視覺測量和人工測量3種方法分別對齒輪的模數(shù)、公法線、齒距具體數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)采用機器視覺測量的數(shù)據(jù)精度滿足要求，效率顯著提升。劉晨[12]設(shè)計了對圓形齒輪的機器視覺高精度測量系統(tǒng)，該圓形齒輪測量過程主要為圖像采集預(yù)處理、特征提取、Hough 圓擬合以及角度測量。經(jīng)過尺寸誤差分析，該測量系統(tǒng)誤差小，效率顯著提高。軸承是機械設(shè)備中重要的零件，傳統(tǒng)的軸承測量工具一般為機械式或者光學(xué)式，該類工具測量效率低、受人為操作影響大。韓亮[13]采用Sobel邊緣檢測算法，實現(xiàn)了對軸承內(nèi)外徑數(shù)據(jù)快速精準(zhǔn)的計算。該測量方法利用CCD相機和圖像處理器對零件圖像進(jìn)行采集、降噪、二值化處理，經(jīng)過處理后的圖像僅存在黑白2種形式，處理速度顯著提高。最后用最小二乘法擬合出軸承圓形尺寸的相關(guān)參數(shù)，采用該種方法測量的軸承內(nèi)外徑尺寸與標(biāo)準(zhǔn)值相比方差約為0.000 1，具有較高的精度和穩(wěn)定性。

3 藍(lán)光掃描測量技術(shù)

藍(lán)光測量技術(shù)具有掃描速度快、精度高、環(huán)境要求低等優(yōu)點，已在汽車制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[14]。藍(lán)光測量技術(shù)分為全自動化藍(lán)光測量和人工輔助藍(lán)光測量。人工輔助藍(lán)光測量主要是通過人工手持藍(lán)光測量頭裝置逐步進(jìn)行掃描，該方法受人為影響因素較大，精度較低。全自動化藍(lán)光測量設(shè)備通過機械裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對機械零件的快速掃描測量，測量精度高、適合連續(xù)批量測量。自動化測量設(shè)備主要由多個藍(lán)光測量鏡頭和投影鏡頭、機器臂、云臺等構(gòu)成。其測量原理是利用特定模式的結(jié)構(gòu)光投射到被測零件上，在零件表面上形成空間點云，多個藍(lán)光測量鏡頭能夠在極短的時間內(nèi)捕捉投影鏡頭在所投射在被測工件表面上的二維畸變的點陣圖像信息，經(jīng)過三維重構(gòu)技術(shù)處理后即可獲得零件的尺寸信息。

孫凌霄等[15]對機械沖壓件沖壓現(xiàn)場的藍(lán)光測量系統(tǒng)進(jìn)行了研究，研究表明藍(lán)光測量過程中存在耗時長、特征捕獲難、點云數(shù)據(jù)量龐大等問題。針對捕獲不到零件特征的問題，通過改變插入特征類型，使用反光貼增強零件不同部位的光反差，從而使傳感器快速地捕捉到邊界特征。針對數(shù)據(jù)點云過厚的問題，在零件表面全方位掃描之前，先計算出已掃描到的點云數(shù)據(jù)，再通過查漏補缺的方式進(jìn)行補拍。經(jīng)過對上述問題的優(yōu)化處理，顯著提升了零件的尺寸測量效率。楊海龍[16]介紹了一種自動藍(lán)光測量系統(tǒng)在汽車模具制造過程中應(yīng)用實例，該自動藍(lán)光測量系統(tǒng)搭載多種運動機構(gòu)，能夠在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行移動檢測，且能夠采集被測零件的高密度點云數(shù)據(jù)，還原出零件表面形狀細(xì)節(jié)，該藍(lán)光測量系統(tǒng)針對零孔、邊界線的測量，采用點云和照片相結(jié)合的獨特算法，顯著提高了測量效率和精度。

4 激光三角法測量技術(shù)

激光三角法測量技術(shù)可以快速、精準(zhǔn)地獲取零件外形尺寸，廣泛應(yīng)用于機械制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。激光測量的硬件主要有激光傳感器、接收器、數(shù)據(jù)處理器，其測量原理是利用了光學(xué)成像的空間三角原理。激光器發(fā)射出的激光投射到零件輪廓表面時，傳感器能夠捕獲零件表面反射的激光，根據(jù)已知距離，處理系統(tǒng)計算出激光的反射角等參數(shù)即可得到零件三維坐標(biāo)值。

燕必希[17]采用激光三角法和二維機器視覺測量技術(shù)結(jié)合的方法，實現(xiàn)了對多個高度零件的二維尺寸測量。該團(tuán)隊首先使用激光三角法對不同平面進(jìn)行測量，通過兩步結(jié)合實現(xiàn)了對處于不同高度平面尺寸的快速測量，測量結(jié)果與三坐標(biāo)儀測試數(shù)據(jù)相比最大誤差小于0.08 mm。鑄鋼車輪及其他回轉(zhuǎn)體零件的傳統(tǒng)人工測量方法效率低，誤差較大。陳翰等[18]采用一種基于多個線激光傳感器二維輪廓旋轉(zhuǎn)掃描標(biāo)定的方法，克服了常規(guī)激光傳感器無法實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描的缺點，實現(xiàn)了對鑄鋼車輪等回轉(zhuǎn)體零件的高效率、高精度測量。該方法可在20 s 內(nèi)對鑄鋼車輪的尺寸進(jìn)行測量，最大偏差低于0.08 mm，5 次測量的標(biāo)準(zhǔn)差在0.065 mm 以內(nèi)。針對零件上小圓孔輪廓尺寸的測量難度較大的問題，劉源等[19]基于線激光三角法測量技術(shù)對標(biāo)準(zhǔn)件上圓孔尺寸進(jìn)行了測量及誤差分析，首先把待測標(biāo)準(zhǔn)件放置在線激光三角測距傳感器的測試平臺上，僅設(shè)置圓孔周圍為目標(biāo)區(qū)域，然后對圓孔三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，最后采用最小二乘和最小距離擬合法，實現(xiàn)了對小圓孔尺寸的高效精準(zhǔn)測量。通過誤差計算分析，所測得小孔直徑的誤差僅為2 μm。倪亮等[20]介紹了激光測量儀在大尺寸構(gòu)件測量中的應(yīng)用，經(jīng)過對扇形段空間坐標(biāo)的測量，計算出不確定度在0.05 mm/m，在滿足測量精度要求同時，測量效率顯著提高，可實現(xiàn)對大型零件的尺寸進(jìn)行高精度、高效率的測量。

5 工業(yè)計算機斷層掃描（CT）測量技術(shù)

工業(yè)CT能夠在不破壞零件完整性的情況下實現(xiàn)對其內(nèi)外部尺寸的測量及缺陷定位，具有檢測精度高、不受被測零件結(jié)構(gòu)的限制等優(yōu)點，在無損檢測領(lǐng)域具有不可代替的地位。復(fù)雜零件多數(shù)含有封閉內(nèi)腔及半封閉內(nèi)腔，傳統(tǒng)的測量工具及方法無法實現(xiàn)對內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的無損測量。工業(yè)CT發(fā)射出的X射線能夠輕易穿透零件，在不破壞零件完整性的前提下能夠?qū)Σ煌牧?、不同密度以及不同形狀?gòu)造的零件進(jìn)行精密測量。工業(yè)CT測量技術(shù)相對于其他檢測測量技術(shù)具有較大的優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來最具有發(fā)展前景的尺寸測量技術(shù)之一。

工業(yè)CT測量技術(shù)在航空航天設(shè)備制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如航空發(fā)動機葉片一般為空心結(jié)構(gòu)，工業(yè)CT測量技術(shù)能夠直觀、精確測量出空心葉片內(nèi)部尺寸參數(shù)。周瑩[21]采用了工業(yè)CT截面測量技術(shù)對航空發(fā)動機空心葉片壁厚進(jìn)行了尺寸測量研究，首先采用工業(yè)CT 對渦輪葉片進(jìn)行線性掃描，得到上千張斷層圖像，再利用三維可視化軟件根據(jù)斷層圖像進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重建，實現(xiàn)了對其渦輪葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的測量，該種測量方法在獲取內(nèi)部尺寸參數(shù)的同時，還可以得出葉片內(nèi)部尺寸的變化情況。吳慶輝等[22]研究了超聲波檢測和工業(yè)CT兩種測量方法對空心渦輪葉片內(nèi)部壁厚尺寸測量的精準(zhǔn)度，并將渦輪葉片剖開直接進(jìn)行測量的結(jié)果與上述兩種方法測量結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果表明工業(yè)CT測量方法的精度優(yōu)于超聲波檢測法，且工業(yè)CT檢測法更便于存儲溯源。

圖3 工業(yè)CT檢測技術(shù)原理及三維重構(gòu)Fig.3 Industrial CT inspection technology principle diagram and three－dimensional reconstruction diagram

謝家龍等[23]針對目前工業(yè)CT對零件內(nèi)腔體積及內(nèi)表面積測量過程中存在的噪聲抑制效果差、測量精度低等問題進(jìn)行了改進(jìn)。基于工業(yè)CT的魯棒統(tǒng)計尺度區(qū)域擬合模型的三維幾何參數(shù)測量技術(shù)，利用魯棒統(tǒng)計尺度區(qū)域擬合算法提取工業(yè)CT切片目標(biāo)輪廓的坐標(biāo)點，再利用拉格朗日線性插值坐標(biāo)得到平滑的邊緣曲線，然后計算出內(nèi)腔的體積及表面積，所得測量結(jié)果精度高于現(xiàn)有技術(shù)。橢球面鏡是聚焦X 射線的重要零件，但目前橢球面鏡的聚焦精度仍不能達(dá)到理想狀態(tài)，其聚焦精度取決于它的尺寸精度。Shimizu S 等[24]開發(fā)了一種通過工業(yè)CT高精度測量橢圓形形狀的方法，該種方法通過斷層掃描重構(gòu)出橢球面鏡的三維形貌，再經(jīng)過先進(jìn)的算法擬合出其形狀參數(shù)，研究表明擬合出的輪廓參數(shù)與橢球面鏡的實際參數(shù)誤差在5 μm以內(nèi)，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)平均誤差。

6 非接觸式測量技術(shù)對比分析

經(jīng)過對上述非接觸式測量技術(shù)的總結(jié)分析，得出每種測量技術(shù)的優(yōu)缺點及測量精度差別，對比結(jié)果如表1所示。

表1 測量方法優(yōu)缺點及測量精度對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of measurement methods and measurement accuracy

7 結(jié)束語

加強對零件尺寸的精密測量和把控，提高設(shè)備精度和性能是實現(xiàn)從工業(yè)大國轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)強國的重要舉措。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件來說，采用非接觸的測量技術(shù)能夠重構(gòu)出零件的三維形貌，顯著提高尺寸測量精度和測量效率，相對于傳統(tǒng)測量技術(shù)具有較大的提升。本文對制造業(yè)中非接觸式尺寸測量技術(shù)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，指出了結(jié)構(gòu)光、機器視覺等6種先進(jìn)測量技術(shù)的原理、研究現(xiàn)狀及各種測量技術(shù)的特點。最后對幾種測量技術(shù)的優(yōu)缺點和測量精度進(jìn)行了分析對比，有助了解國內(nèi)外測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及各自特點，從而促進(jìn)了測量技術(shù)的快速發(fā)展。