非接觸式檢測技術在橡膠件質量控制中的應用研究

劉晉斌， 莊道軍

（1.福建林業(yè)職業(yè)技術學院， 福建 南平 353000； 2.華閩南配集團股份有限公司， 福建 南平 353000）

0 引言

橡膠件被廣泛應用于航空航天、儀器儀表、軍工、車輛等各個重要的領域， 因此控制它的質量精度變的重中之重。根據(jù)橡膠件形狀尺寸的不同，采用不同方法進行研究。 用一般的量具檢測需要多個步驟，時間長，X、Y、Z 坐標值偏差大，若檢測值用于后續(xù)的模具制造，誤差大，廢品率高。 同樣三坐標檢測技術是基于點、線、面擬合的系統(tǒng)，大多是對于代數(shù)二次曲面分析，特別是大多數(shù)據(jù)量散亂點擬合的自由面，智能化程度低，系統(tǒng)沒有自動分割面的功能， 測量時頂針多次接觸橡膠表面產(chǎn)生變形， 影響CAD 模型的質量精度，且測量工藝繁瑣成本高，極易出現(xiàn)局部漏點現(xiàn)象。

橡膠件配合精度高，曲面大，多處有深孔凹槽等復雜特征。 雖然用專業(yè)相關檢測儀器能對部分特征進行檢測，但不夠系統(tǒng)和完善， 無法針對檢測難點全面地表達零件的細節(jié)特征，難以形成廣泛共識，傳統(tǒng)的測量理論或試驗難以全面研究變形的機理。 本文提出應用非接觸式檢測技術通過激光掃描對橡膠件進行檢測，以三維CAD 系統(tǒng)和數(shù)學算法為基礎，根據(jù)采集點云素材及曲面形狀，探索提高檢測精度零件質量， 為并行設計及后續(xù)的精密模具制造提供了良好的保障。

1 基于零件特征的非接觸式檢測方案

在現(xiàn)代化信息技術快速發(fā)展的推動下， 非接觸式檢測得到廣泛應用，此檢測方式是結合光學技術、自動化技術等為一體。其核心原理為光電一體化技術，在不需要與零件接觸的情況下，能夠對復雜曲面進行檢測掃描成型，減少了人為操作步驟對零件檢測的誤差。 采用非接觸式掃描檢測， 只需將掃描感應設備安裝在需要檢測的位置上，連接設備即可完成對零件復雜曲面的數(shù)據(jù)采集。將掃描得到的點云在檢測軟件中進行對比， 可得到需要的檢測數(shù)據(jù)。

檢測橡膠零件的特征難點：①表面易變形，檢測時容易出現(xiàn)誤差，完整度不易保證；②曲面復雜，易出現(xiàn)點面重影現(xiàn)象；③針對深、長孔內(nèi)表面特征無法測量；④人工多次定位檢測，流程復雜，易產(chǎn)生外部因素帶來的誤差。針對特征難點，制訂有效的檢測方案（見圖1）。 采用激光掃描采集數(shù)據(jù)，對物件表面材料展開研究，在表面不產(chǎn)生光反射現(xiàn)象時， 通過位移調(diào)整法將光反射回彈量折射在反沖方向獲得補償型面，該方法在不接觸測量表面時，能有效獲取零件的表面特征，易于實現(xiàn)零件的完整檢測。利用激光針孔探頭儀器，伸入檢測零件內(nèi)部，將物件成型點的內(nèi)力反射，進行回彈，得到補償型面。 點云數(shù)據(jù)在高效智能計算機的分析運算下， 以數(shù)據(jù)點的方式還原呈現(xiàn)檢測模型，不僅能夠與原模型進行對比，而且還能簡化檢測流程[1]。

圖1 非接觸式掃描檢測方案

2 橡膠件模型特征的分析與重構

2.1 曲面輪廓數(shù)據(jù)點獲取與排序

對物件曲面輪廓進行光學發(fā)射特性和表面機理方面的分析， 認為不同材料的物件對表面曲線的精度是有影響的，可采用顯像劑噴涂覆蓋表層。以車輛中扭轉力矩裝置的橡膠件為例，它在裝置中起到變換力矩的作用，配合精度高。 用非接觸式激光掃描檢測儀器（見圖2）采集橡膠件的點云素材， 激光掃描過程是一種光發(fā)射與光反饋的一個過程，通過固定零件旋轉標定板，對橡膠件的形狀進行點云數(shù)據(jù)采集，點云經(jīng)過簡單的處理，刪除多余點并設置單位，進行全局注冊，將具有相似幾何特征性質的曲面歸同一塊[2]。然后，調(diào)整邊界上領域特征的數(shù)目，由相交橫截面確定組成特征， 分塊面確定橫截面與特征組成面的構成，提取實體特征的二維輪廓曲線，封裝曲面輪廓重建，得到橫截面相交輪廓數(shù)據(jù)，并對其進行排序，得到零件的三維造型數(shù)據(jù)。與檢測軟件相結合，快速測量任意尺寸。針對復雜型面的外表存在很多凹凸的結構，用網(wǎng)格醫(yī)生進行修復錯誤網(wǎng)格，快速獲取其表面的數(shù)據(jù)，滿足建模曲面的連續(xù)性和高精度。

圖2 非接觸式激光掃描檢測儀器

綜上得到有序關聯(lián)的點云數(shù)據(jù)， 通過點云數(shù)據(jù)判斷坐標值，進行曲面輪廓數(shù)據(jù)點排序，對生成的特征點按照等比方式進行排列（見圖3）。 輪廓線與特征點相交得到的數(shù)據(jù)形成新的曲面，采用位置排序方式[3]。 步驟如下：

圖3 處理點云示意圖

（1）用輪廓線切割特征點的起點，得到的交點作為分析后的第一個有效數(shù)據(jù)。

（2）以第一數(shù)據(jù)作為參考，除第一數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)點，通過過程選取的點云找到該數(shù)據(jù)最近的第二點云。

（3） 以第二點云為參考， 找到與該點位置最近的點云，除去前兩點云外的點云作為第三點，然后依次排序，對于除前n 點之外的點云數(shù)據(jù)， 距離第n 個點最近的數(shù)據(jù)點為第n+i 個點。 為了實現(xiàn)較高的精度， 采用NURBS樣條曲線計算。

（4）通過排列數(shù)據(jù)進行位置排序，收尋關聯(lián)點云中的點，因為點云是相互連接的，特征點與多邊形網(wǎng)格在選定位置的交集中獲得曲面輪廓， 所以位置排序不會造成干涉重疊現(xiàn)象。

2.2 幾何約束重構數(shù)學模型

對截面輪廓分段線型的判斷， 判斷分段數(shù)據(jù)點云確定線型標準。為了初步確定分割截面線型的種類，使用幾個參數(shù)確定額外的分割點，并確認線型。采用分塊算法方式進行直線等比數(shù)列排序，以系數(shù)A、B，設置直線擬合方程Y=AYn+BXn， 每個點到首末數(shù)據(jù)點連線間距離P={A（X0，Y0），B（X1，Y1），…，N（Xn，Yn）}確定線型，擬合出直線。用最小二乘算法進行圓弧線設計， 設置擬合的圓弧方程為（Xn-A）2/2+（Yn-B）2/2=R，令函數(shù)的目標值為圓弧坐標，擬合出圓弧曲線。 對于復雜不規(guī)則部分曲線， 則采用NURBS 樣條曲線進行擬合（見圖4），NURBS 樣條曲線在各段曲線之間應體現(xiàn)出相關的約束關系 （計算公式如下），曲線方程可為單獨擬合后，通過實際情況約束截面特征的過程，生成不規(guī)則的復雜曲線[4]。式中：Vi—坐標點值； K—分類系數(shù)；Wi—系數(shù)；Ri，k（u）—指數(shù)函數(shù)；Ni，k（u）—可變函數(shù)；

圖4 橡膠件多邊形網(wǎng)格模型

生成分段特征曲面，對其進行片面擬合，采用法矢量的分塊算法對模型進行數(shù)據(jù)領域分塊[5]，把領域劃分出對應的序列。 在劃分時，從擬合曲面實際情況出發(fā)，對分段曲線設置約束。 常見的直線兩點間距約束方程為2 （p0-p0'）+2（p1-p1'）-n=0、兩線夾角束方程為l0l0'±l1l1'±n=0、圓弧間約束方程為c0（p02+p12）+c1p0+c2p1+c3=0。其中（p0， p1），（l0， l1），（c0，c1，c2，c3）分別為計算公式的有效變量值。為生成滿足有效的輪廓線，優(yōu)化數(shù)學模型方程式，計算得到約束分段曲線參數(shù)，從而實現(xiàn)各段曲線的精確連接。生成的輪廓線，構建出復雜曲面的相應特征，并進行布爾運算，裁剪多余的面，縫合后得到規(guī)劃的重構數(shù)學模型。模型精度通過軟件用色譜圖檢測判斷（見圖5）。

圖5 用色譜圖對比橡膠件的精度

2.3 數(shù)據(jù)分析

用逆向思路還原重構橡膠件的數(shù)學模型，并導進檢測軟件Geomagic Control X 中比對分析，內(nèi)容包括分塊幾何、特征屬性、受力測試、數(shù)據(jù)報告等，快速測量任意所需尺寸[6]。 對零件模型進行銳化，最后得到橡膠件的檢測報告。檢測報告能清晰看出最小細節(jié)特征與領域劃分的關系， 結合對比檢測軟件， 選取橡膠件力矩轉變的關鍵特征點 （見圖6）進行檢測，數(shù)據(jù)結果進行3D 比較（見表1），通過表中能夠看出檢測5 處特征點的公差均在±0.01mm 內(nèi)， 檢測結果精準且檢測效率高， 保證了橡膠件原型與模型的尺寸。將重構模型設置為IGS 或PRT 等格式存儲，根據(jù)需要進行優(yōu)化設計，為高精度的檢測技術提供支持[7]。

表1 橡膠件特征點3D 比較的性能參數(shù)（單位：mm）

圖6 橡膠件特征點

用剖視圖（見圖7）表示截面輪廓特征，通過特征點進行2D 測量比較。 測量截面圖的輪廓點，檢測位置與參考位置進行對比，檢測4 處輪廓特征點精度均控制在±0.01mm公差范圍內(nèi)，可以得出數(shù)學模型的截面輪廓符合要求（見表2）。

圖7 橡膠件截面輪廓

檢測橡膠件所需要的形位公差，設定基準平面，在測量對比軟件中建立需要檢測的形位特征， 這便可精確測量出相關形狀位置的精度，從圖8 可以看出，測量圓度和直線度的誤差在±0.05mm 滿足檢測質量要求。

圖8 橡膠件的部分形位特征參數(shù)

3 不同方式質量檢測對比

為判斷檢驗方法的優(yōu)劣， 將實際測量值與理論值相比，本次試驗采用經(jīng)驗法、導電探針法和三坐標法作為比較方法，得出相應比較的測量誤差值，將檢測零件特征點偏差的結果記入下表進行分析。由表3 可知，采用經(jīng)驗檢測法考驗人員的檢測能力和熟練度，但容易受到不確定因素干擾，精度易跑偏誤差大，效率低。 采用導電探針檢測法，探針分析物件導體控制交變電壓， 交變率越大峰值電壓越高，易造成誤差，測量出零件的尺寸偏差為-0.13～+0.09mm。采用三坐標檢測法，一旦檢測形狀復雜的深孔，探針式測頭無法接觸深孔內(nèi)壁，或者工件是軟而薄的材料，會造成較大的檢測值偏移， 測量出零件的偏差為-0.11 ～+0.08mm。采用非接觸式掃描檢測法通過光學轉換，減小外界因素干擾，計算機一體化設計、AI 智能算法，測量出零件的偏差尺寸為-0.005～+0.008mm。經(jīng)試驗得出此方法檢測出的零件細節(jié)特征尺寸準確[8]。

表3 4 種檢測方法的測量偏差比較結果（單位：mm）

由圖9 可知，使用經(jīng)驗檢測法需要人工對零件進行多次測量定位，存在外界不穩(wěn)定因素，效率低，在不必要的操作流程中消耗大量的工作時間。 使用導電探針法的檢測耗時平均值為4～5min；用三坐標檢測零件，要求檢測人員對設備操作熟練，易失誤，耗時平均值為3～4min；而使用非接觸式掃描法檢測數(shù)學模型數(shù)據(jù)， 檢測耗時平均值為1～2min。 此方法能有效提升橡膠件檢測精度及檢測效率。

圖9 不同檢測方法的耗時對比結果

4 結束語

本文對非接觸式檢測技術在橡膠件質量控制中的應用展開研究。 通過激光采集數(shù)字點云構建曲面特征快速重構仿真數(shù)學模型， 并導進Geomagic Control X 中檢測，對試驗檢測數(shù)據(jù)值進行分析。用不同方式檢測質量對比，總結出非接觸式檢測技術在控制橡膠件質量檢測中的優(yōu)勢：

（1）用激光掃描橡膠件，解決了用外力接觸表面產(chǎn)生的彈性變形，影響檢測質量的難題。

（2）針對深孔內(nèi)型腔復雜曲面，采用針孔探頭儀器對零件內(nèi)部的情況進行掃描。 并重構1∶1 模型，對后續(xù)檢測提供幫助。

（3）一次定位掃描，快速獲得點云素材，為模型提供多項精確檢測數(shù)據(jù)。

（4）三維掃描檢測構建復雜特征曲面精度達±0.01mm，經(jīng)計算機一體化設計，能準確獲得零件的三維數(shù)據(jù)。