幾何量檢測中非接觸式測量技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：隨著我國機械零件精密度的逐步提高，對機械制造中的幾何量檢測工作提出了更高要求。通過對非接觸式測量技術(shù)的運用，不僅可以提高測量精度，還能減少安全隱患的發(fā)生。基于此，本文重點分析激光測距法、視覺測量法、結(jié)構(gòu)光法、光學干涉法、工業(yè)CT法等非接觸式測量技術(shù)的應(yīng)用，并對其技術(shù)進行分析與展望。旨在充分發(fā)揮非接觸式測量技術(shù)的優(yōu)點，不斷提高其技術(shù)水準，助力幾何量檢測工作的順利開展。

關(guān)鍵詞：幾何量檢測，非接觸式測量技術(shù)，視覺測量法，光學干涉法

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.18.031

0引言

幾何量檢測作為高精度機械加工中的重要環(huán)節(jié)，對測量技術(shù)的使用至關(guān)重要。傳統(tǒng)測量技術(shù)為接觸式測量，不僅測量速度慢，還易導致被測物出現(xiàn)損傷。此外，因部分零件的尺寸問題，增加測量難度?；诖?，測量人員應(yīng)運用非接觸式測量技術(shù)進行幾何量檢測，不僅可以提高測量工作的效率，還能實現(xiàn)無接觸檢測，避免對被測物造成損壞。非接觸式測量技術(shù)可以適用于各種零件尺寸，有效提高測量精度，進一步提高幾何量檢測質(zhì)量。

1幾何量檢測中非接觸式測量技術(shù)的應(yīng)用

1.1激光測距法

激光測距法作為幾何量檢測中的重要手段，主要通過激光脈沖進行距離測量。激光測距系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備、控制系統(tǒng)等核心組成部分。激光測距法的測量精度較高，且具有較強的抗干擾能力，可應(yīng)用在大型部件測量、復雜零件型面測量以及不規(guī)則部件測量工作中。此外，激光測距法還能進行大量程測距，應(yīng)用范圍極其廣泛。因增材制造零件具有結(jié)構(gòu)復雜、表面質(zhì)量差的特點，可通過激光測距法進行幾何量檢測，能夠測量零件的外部尺寸和內(nèi)部幾何參數(shù)，得到零件輪廓偏差，應(yīng)用效果極佳。對航空發(fā)動機葉片而言，因其葉片較薄，且具有較大的空間扭轉(zhuǎn)量，對檢測工作帶來巨大困難。測量人員可通過激光測距法測量其型面尺寸，有效解決測頭半徑補償誤差問題，還能避免對葉片表面造成損傷。

1.2視覺測量法

視覺測量法以視差原理為基礎(chǔ)，通過某一點在兩副圖像中對應(yīng)點的位置差來計算距離，從而得到此點的空間三維坐標，如圖1所示。

視覺測量法可運用一到多個攝像系統(tǒng)進行拍攝，生成二維圖像，從而獲取距離信息，并形成被測物體的三維圖像。與傳統(tǒng)測量技術(shù)對比，視覺測量法不僅具有較高的測量效率，還具備高分辨率，應(yīng)用范圍較廣?，F(xiàn)階段，二維、三維視覺測量技術(shù)受到業(yè)界關(guān)注。二維視覺測量系統(tǒng)主要包括光源、相機以及鏡頭等部件，拍攝被測物體，可實現(xiàn)被測物到圖像的信號轉(zhuǎn)換。同時，通過圖像處理技術(shù)可得到被測物體的幾何量參數(shù)，并與零件設(shè)計圖進行對比和判斷。三維視覺測量技術(shù)需要以雙目立體標定與校正工作為前提，利用相似三角形的性質(zhì)獲取相關(guān)信息，進而獲取兩攝像機公共視域內(nèi)空間物體特征點的三維坐標。不僅可以獲得測量距離，還能掌握被測物體的尺寸。三維視覺測量技術(shù)的測量效率與精度較高，主要應(yīng)用在工業(yè)三維幾何量檢測、逆向工程等領(lǐng)域。此外，j維視覺測量技術(shù)還能進行產(chǎn)品檢測，例如，可利用三維視覺測量技術(shù)檢測凸輪外部輪廓，檢測零件是否存在缺陷，測量零件尺寸等，有效減少人工檢測帶來的誤差，為工業(yè)生產(chǎn)助力。

1.3結(jié)構(gòu)光法

結(jié)構(gòu)光法以三角法為基礎(chǔ)，運用單、雙目相機工具，將其與光柵投影單元進行結(jié)合，通過掃描被測物體進行測量。測量人員可采用普通白光或單色光作為光源，對正弦光柵條紋進行照射，將光柵投影到被測物體表面，利用相機進行拍攝，采集變形條紋，并根據(jù)變形條紋的灰度值變化情況計算被測物體的空間坐標。單日結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)包括一個CCD相機、投影儀與圖像采集卡等組成部分，而雙目結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)含有兩個CCD相機，相機的設(shè)置角度不同，從不同角度拍攝光照后的被測物體，從而計算出該物體的具體空間信息。雙目結(jié)構(gòu)測量技術(shù)應(yīng)用范圍較廣'既可以測量尺寸為幾毫米的零件，又能測量幾十米的大尺寸部件，在航空航天、汽車生產(chǎn)制造等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

1.4光學干涉法

光學干涉法以光的干涉為原理，利用分光鏡將光源發(fā)出的光分開，形成兩束光。其中一束光照射到被測物體表面，此光被稱為測量光。另一束光通過參考鏡形成反射光，與被測物體表面反射的光交匯，形成干涉條紋，并利用干涉條紋相位信息獲取被測物體信息。光學干涉法可分為激光干涉測量技術(shù)與白光干涉測量技術(shù)，其中，激光干涉測量技術(shù)中的光源為窄帶激光，通過驅(qū)動參考鏡進行干涉圖相位的改變。此技術(shù)需要以相位解算法為基礎(chǔ)，因此，光學干涉法只能對連續(xù)、接近平面、光滑的物體表面加以測量。白光干涉測量技術(shù)是利用白光的于涉現(xiàn)象形成干涉條紋，通過光程差與光強之間的函數(shù)關(guān)系，可得到被測物體表面的相關(guān)數(shù)據(jù)。白光干涉測量技術(shù)可以對臺階高度進行測量，還能測量被測物體表面紋理，檢測平面度與曲率，檢測磨痕深度與零件表面的粗糙程度，分辨率高達RMS 0.05 nm。

1.5工業(yè)CT法

工業(yè)CT結(jié)構(gòu)主要包括射線源、機械載物臺、探測器等組成部分，射線源發(fā)出X射線并穿過機械載物臺的被測物體，通過探測器接收穿過被測物體的X射線。通過探測器可以進行射線強度的記錄，并將獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)接嬎銠C，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理，可以得到被測物體斷層截面的掃描圖像，為被測物體的評估工作奠定基礎(chǔ)。工業(yè)CT的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

工業(yè)CT法測量精度高，可以進行渦輪葉片的測量，通過數(shù)據(jù)重構(gòu)獲取葉片壁厚尺寸。工業(yè)CT法測量工作無需拆卸，可在不損壞被測物體的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)其內(nèi)部構(gòu)造關(guān)系，獲取尺寸信息，測量效果良好。

2非接觸式測量技術(shù)的分析與展望

通過對上述五種非接觸式測量技術(shù)的介紹發(fā)現(xiàn)，激光測距法與結(jié)構(gòu)光法均可應(yīng)用于曲面類型部件的幾何量檢測工作中。二者的測量精度較高，皆可達到0.02 nm。結(jié)構(gòu)光法的測量效率高于激光測距法，但限于光滑表面的部件測量。光學干涉法的測量精度較高，但僅限于測量表面變化微小的零件，無法測量曲面零件。視覺測量法測量效率高，但無法在亮度低的環(huán)境下測量。工業(yè)CT法測量精度高達0.01 nm，可以測量任何形狀零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但涉及大量的數(shù)據(jù)采集工作，工作效率較低。

針對非接觸式測量技術(shù)存在的不足進行展望：其一，在提高測量精度的基礎(chǔ)上，避免環(huán)境亮度對測量工作的影響。其二，加強對非接觸式測量技術(shù)的集成，實現(xiàn)一機多用，擴大非接觸式測量技術(shù)的應(yīng)用面。

3結(jié)語

綜上所述，激光測距法、視覺測量法、結(jié)構(gòu)光法、光學干涉法、工業(yè)CT法等非接觸式測量技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，可以在航空航天、零件加工、輪船生產(chǎn)等領(lǐng)域的幾何量檢測中發(fā)揮巨大作用。非接觸式測量技術(shù)具有測量精度高、檢測效率快等優(yōu)點，但仍存在諸多不足，相關(guān)部門人員應(yīng)進行技術(shù)創(chuàng)新，助力幾何量檢測行業(yè)發(fā)展。

作者簡介

孫文斐，碩士，高級工程師，研究方向為幾何量計量、醫(yī)學計量。

（責任編輯：劉憲銀）