摘要：隨著我國(guó)機(jī)械零件精密度的逐步提高，對(duì)機(jī)械制造中的幾何量檢測(cè)工作提出了更高要求。通過(guò)對(duì)非接觸式測(cè)量技術(shù)的運(yùn)用，不僅可以提高測(cè)量精度，還能減少安全隱患的發(fā)生?；诖耍疚闹攸c(diǎn)分析激光測(cè)距法、視覺(jué)測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光法、光學(xué)干涉法、工業(yè)CT法等非接觸式測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，并對(duì)其技術(shù)進(jìn)行分析與展望。旨在充分發(fā)揮非接觸式測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不斷提高其技術(shù)水準(zhǔn)，助力幾何量檢測(cè)工作的順利開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：幾何量檢測(cè)，非接觸式測(cè)量技術(shù)，視覺(jué)測(cè)量法，光學(xué)干涉法

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

0引言

幾何量檢測(cè)作為高精度機(jī)械加工中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)測(cè)量技術(shù)的使用至關(guān)重要。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)為接觸式測(cè)量，不僅測(cè)量速度慢，還易導(dǎo)致被測(cè)物出現(xiàn)損傷。此外，因部分零件的尺寸問(wèn)題，增加測(cè)量難度?；诖耍瑴y(cè)量人員應(yīng)運(yùn)用非接觸式測(cè)量技術(shù)進(jìn)行幾何量檢測(cè)，不僅可以提高測(cè)量工作的效率，還能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸檢測(cè)，避免對(duì)被測(cè)物造成損壞。非接觸式測(cè)量技術(shù)可以適用于各種零件尺寸，有效提高測(cè)量精度，進(jìn)一步提高幾何量檢測(cè)質(zhì)量。

1幾何量檢測(cè)中非接觸式測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

1.1激光測(cè)距法

激光測(cè)距法作為幾何量檢測(cè)中的重要手段，主要通過(guò)激光脈沖進(jìn)行距離測(cè)量。激光測(cè)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(cè)距法的測(cè)量精度較高，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可應(yīng)用在大型部件測(cè)量、復(fù)雜零件型面測(cè)量以及不規(guī)則部件測(cè)量工作中。此外，激光測(cè)距法還能進(jìn)行大量程測(cè)距，應(yīng)用范圍極其廣泛。因增材制造零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面質(zhì)量差的特點(diǎn)，可通過(guò)激光測(cè)距法進(jìn)行幾何量檢測(cè)，能夠測(cè)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(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片而言，因其葉片較薄，且具有較大的空間扭轉(zhuǎn)量，對(duì)檢測(cè)工作帶來(lái)巨大困難。測(cè)量人員可通過(guò)激光測(cè)距法測(cè)量其型面尺寸，有效解決測(cè)頭半徑補(bǔ)償誤差問(wèn)題，還能避免對(duì)葉片表面造成損傷。

1.2視覺(jué)測(cè)量法

視覺(jué)測(cè)量法以視差原理為基礎(chǔ)，通過(guò)某一點(diǎn)在兩副圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置差來(lái)計(jì)算距離，從而得到此點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，如圖1所示。

視覺(jué)測(cè)量法可運(yùn)用一到多個(gè)攝像系統(tǒng)進(jìn)行拍攝，生成二維圖像，從而獲取距離信息，并形成被測(cè)物體的三維圖像。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)對(duì)比，視覺(jué)測(cè)量法不僅具有較高的測(cè)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(jué)測(cè)量技術(shù)受到業(yè)界關(guān)注。二維視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)主要包括光源、相機(jī)以及鏡頭等部件，拍攝被測(cè)物體，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)物到圖像的信號(hào)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，通過(guò)圖像處理技術(shù)可得到被測(cè)物體的幾何量參數(shù)，并與零件設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)比和判斷。三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)需要以雙目立體標(biāo)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(jìn)而獲取兩攝像機(jī)公共視域內(nèi)空間物體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。不僅可以獲得測(cè)量距離，還能掌握被測(cè)物體的尺寸。三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的測(cè)量效率與精度較高，主要應(yīng)用在工業(yè)三維幾何量檢測(cè)、逆向工程等領(lǐng)域。此外，j維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)還能進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)，例如，可利用三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)檢測(cè)凸輪外部輪廓，檢測(cè)零件是否存在缺陷，測(cè)量零件尺寸等，有效減少人工檢測(cè)帶來(lái)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(yùn)用單、雙目相機(jī)工具，將其與光柵投影單元進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)掃描被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量人員可采用普通白光或單色光作為光源，對(duì)正弦光柵條紋進(jìn)行照射，將光柵投影到被測(cè)物體表面，利用相機(jī)進(jìn)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(jì)算被測(cè)物體的空間坐標(biāo)。單日結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)CCD相機(jī)、投影儀與圖像采集卡等組成部分，而雙目結(jié)構(gòu)測(cè)量系統(tǒng)含有兩個(gè)CCD相機(jī)，相機(jī)的設(shè)置角度不同，從不同角度拍攝光照后的被測(cè)物體，從而計(jì)算出該物體的具體空間信息。雙目結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用范圍較廣'既可以測(cè)量尺寸為幾毫米的零件，又能測(cè)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(xué)干涉法

光學(xué)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(kāi)，形成兩束光。其中一束光照射到被測(cè)物體表面，此光被稱為測(cè)量光。另一束光通過(guò)參考鏡形成反射光，與被測(cè)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(cè)物體信息。光學(xué)干涉法可分為激光干涉測(cè)量技術(shù)與白光干涉測(cè)量技術(shù)，其中，激光干涉測(cè)量技術(shù)中的光源為窄帶激光，通過(guò)驅(qū)動(dòng)參考鏡進(jìn)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(xué)干涉法只能對(duì)連續(xù)、接近平面、光滑的物體表面加以測(cè)量。白光干涉測(cè)量技術(shù)是利用白光的于涉現(xiàn)象形成干涉條紋，通過(guò)光程差與光強(qiáng)之間的函數(shù)關(guān)系，可得到被測(cè)物體表面的相關(guān)數(shù)據(jù)。白光干涉測(cè)量技術(shù)可以對(duì)臺(tái)階高度進(jìn)行測(cè)量，還能測(cè)量被測(cè)物體表面紋理，檢測(cè)平面度與曲率，檢測(cè)磨痕深度與零件表面的粗糙程度，分辨率高達(dá)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(jī)械載物臺(tái)、探測(cè)器等組成部分，射線源發(fā)出X射線并穿過(guò)機(jī)械載物臺(tái)的被測(cè)物體，通過(guò)探測(cè)器接收穿過(guò)被測(cè)物體的X射線。通過(guò)探測(cè)器可以進(jìn)行射線強(qiáng)度的記錄，并將獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理，可以得到被測(cè)物體斷層截面的掃描圖像，為被測(cè)物體的評(píng)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(cè)量精度高，可以進(jìn)行渦輪葉片的測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)重構(gòu)獲取葉片壁厚尺寸。工業(yè)CT法測(cè)量工作無(wú)需拆卸，可在不損壞被測(cè)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(cè)量效果良好。

2非接觸式測(cè)量技術(shù)的分析與展望

通過(guò)對(duì)上述五種非接觸式測(cè)量技術(shù)的介紹發(fā)現(xiàn)，激光測(cè)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(cè)工作中。二者的測(cè)量精度較高，皆可達(dá)到0.02 nm。結(jié)構(gòu)光法的測(cè)量效率高于激光測(cè)距法，但限于光滑表面的部件測(cè)量。光學(xué)干涉法的測(cè)量精度較高，但僅限于測(cè)量表面變化微小的零件，無(wú)法測(cè)量曲面零件。視覺(jué)測(cè)量法測(cè)量效率高，但無(wú)法在亮度低的環(huán)境下測(cè)量。工業(yè)CT法測(cè)量精度高達(dá)0.01 nm，可以測(cè)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(duì)非接觸式測(cè)量技術(shù)存在的不足進(jìn)行展望：其一，在提高測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，避免環(huán)境亮度對(duì)測(cè)量工作的影響。其二，加強(qiáng)對(duì)非接觸式測(cè)量技術(shù)的集成，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，擴(kuò)大非接觸式測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用面。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，激光測(cè)距法、視覺(jué)測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光法、光學(xué)干涉法、工業(yè)CT法等非接觸式測(cè)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(cè)中發(fā)揮巨大作用。非接觸式測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度高、檢測(cè)效率快等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在諸多不足，相關(guān)部門人員應(yīng)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，助力幾何量檢測(cè)行業(yè)發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介

孫文斐，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閹缀瘟坑?jì)量、醫(yī)學(xué)計(jì)量。

（責(zé)任編輯：劉憲銀）