房振峰,劉昆,檀學(xué)瑩

(機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司,北京 100044)

論非接觸測量技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械檢測上的必要性

房振峰,劉昆,檀學(xué)瑩

(機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司,北京 100044)

非接觸測量技術(shù)在近年來受到了十分廣泛的應(yīng)用,本文介紹了部分非接觸測量技術(shù)的基本原理,闡述了這幾種非接觸測量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢,并舉例分析了圖像測量技術(shù)在機(jī)械檢測上的必要性.

非接觸測量;圖像測量技術(shù);機(jī)械檢測

幾何結(jié)構(gòu)和尺寸大小是機(jī)械零件的基本參數(shù),當(dāng)零件生產(chǎn)結(jié)束后,對(duì)零件形狀尺寸和表面的檢測是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié).隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,尺寸的精密度越來越高,傳統(tǒng)的檢測方式的精確度已無法達(dá)到檢測這些零件的需求,于是非接觸測量技術(shù)出現(xiàn).

非接觸測量技術(shù)分為光學(xué)法和非光學(xué)法兩大類,其中光學(xué)類主要有結(jié)構(gòu)光法、激光三角法、激光測距法、干涉測量法、圖像分析法;非光學(xué)類主要有聲學(xué)測量法、磁學(xué)測量法、X射線掃描發(fā)和電渦流掃描法.下面對(duì)這兩大類非接觸測量技術(shù)的技術(shù)原理和優(yōu)缺點(diǎn)舉例進(jìn)行闡述.

1 非接觸測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 光學(xué)法

首先要介紹的是結(jié)構(gòu)光法,這是最早期的非接觸測量技術(shù),其原理十分簡單.將光柵投射于被測物體表面,光柵條紋因被測物體表面影響產(chǎn)生變形,將變形后的光柵圖形用計(jì)算機(jī)記錄,并通過函數(shù)程序?qū)@得的圖形參數(shù)進(jìn)行逆向處理,從而得到被測物體的立體圖形.這種非接觸測量技術(shù)主要被應(yīng)用于早期的數(shù)學(xué)建模,也是圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ).結(jié)構(gòu)光法的優(yōu)點(diǎn)顯而易見,函數(shù)編寫相對(duì)容易、系統(tǒng)搭建成本低、檢測過程快速簡單、操作便捷,它的缺點(diǎn)就是精確度低,只能大概的檢測大型被測對(duì)象的結(jié)構(gòu),對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械零件,結(jié)構(gòu)光法測量技術(shù)難以勝任.

隨著非接觸測量技術(shù)的發(fā)展,激光在光學(xué)非測量技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用.首先是利用激光良好的折射性檢測被測物體的位移距離,其原理也很通俗易懂.將激光照射在物體表面,經(jīng)過物體表面的折射后在采集器上形成新的圖像,當(dāng)被測物體產(chǎn)生位移后,其圖像也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移,然后通過折射圖像的位移計(jì)算出被測物體的位移距離.這種測量方法具有很高的靈活性,可以將長距位移縮小,也可以將短距位移放大,測量靈敏度極高.激光除了極好的折射性之外還有很好發(fā)散性,于是激光又被應(yīng)用于測距.激光測距法是將激光點(diǎn)由發(fā)射源發(fā)出,遇到物體后發(fā)生反射由原路返回到接收端,通過檢測接收激光的發(fā)散程度來計(jì)算發(fā)射點(diǎn)與被測物體之間的距離.經(jīng)過各國學(xué)者的深入研究,隨后還出現(xiàn)了干涉測量法和圖像分析法.

1.2 非光學(xué)法

聲納技術(shù)其實(shí)就是一種聲學(xué)非接觸測量技術(shù),主要應(yīng)用于測距.聲納的原理是利用波的反射性,將超聲波沿某一指定方向發(fā)射,經(jīng)過一定時(shí)間后接收到反射波,通過發(fā)射波和反射波的時(shí)間差來計(jì)算發(fā)射器與被測物體之間的距離.聲學(xué)非接觸測量技術(shù)的優(yōu)勢在于聲納系統(tǒng)早在17世紀(jì)80年代就已誕生,得到了100多年的發(fā)展,如今技術(shù)已經(jīng)十分成熟,手持精密儀器早已誕生,超聲波由于其頻率高、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)被沿用至今,但是聲波受介質(zhì)影響很大,測量準(zhǔn)確度難以保證,所以聲學(xué)非接觸測量技術(shù)注定有所局限性.另一種為磁學(xué)非接觸測量技術(shù),即核磁共振,目前主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域.

1.3 圖像測量技術(shù)

上文介紹的幾種測量技術(shù)都是早期的非接觸測量技術(shù),圖像測量技術(shù)是如今發(fā)展十分成熟的非接觸測量技術(shù),目前在機(jī)械檢測中的應(yīng)用十分廣泛.圖像測量技術(shù)是一種基于CCD圖像處理的測量技術(shù),這種非接觸測量技術(shù)是目前機(jī)械檢測中使用最頻繁的測量技術(shù).在使用的過程中,首先由CCD圖像傳感器對(duì)被測零件進(jìn)行掃描,然后將掃描得到的零件圖型進(jìn)行分析、特征提取、分類識(shí)別并進(jìn)行判斷,最終計(jì)算并輸出檢測結(jié)果.整個(gè)過程快捷簡便,具有極高的準(zhǔn)確性.

2 圖像測量技術(shù)在機(jī)械檢測中的應(yīng)用

圖像測量技術(shù)結(jié)合了圖像處理技術(shù)和測量技術(shù),目前該技術(shù)雖然能大幅度降級(jí)人力成本,具有極高的測量速度和測量精度,在短期內(nèi)可為企業(yè)生產(chǎn)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益.但從長期角度來看,該技術(shù)的軟件開發(fā)困難,一套圖像測量系統(tǒng)只能針對(duì)一項(xiàng)測量技術(shù)或者只能針對(duì)一個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu),當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)改動(dòng)時(shí),原有的圖像測量系統(tǒng)很難兼容.縱然如此,圖像測量技術(shù)在機(jī)械檢測中仍是不可替代的.

2.1 尺寸測量

尺寸大小永遠(yuǎn)是機(jī)械零件的最重要參數(shù),尤其是隨著高精度儀器儀表的發(fā)展,很多零件的尺寸需要精確到微米等級(jí),這是任何機(jī)械儀表都無法檢測的.對(duì)于這種高精度機(jī)械零件,我們只能借助圖像處理技術(shù)進(jìn)行檢測.于是,國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都開始聚焦于圖像測量技術(shù).

2.2 表面測量

除了尺寸大小,表面質(zhì)量是機(jī)械零件檢測的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn).零件在生產(chǎn)的過程中難免會(huì)有所磨損,這種磨損是不可避免的,即使生產(chǎn)過程再小心,哪怕只是無意間輕微的觸摸都會(huì)對(duì)零件造成磨損,這會(huì)對(duì)很多高精密儀器造成誤差.

機(jī)械零件在制造的過程中由于溫度的原因其材料表層會(huì)產(chǎn)成肉眼無法觀測的裂紋,大部分裂紋極其細(xì)小,不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成任何影響,可以忽略不計(jì),但裂紋達(dá)到一定程度則會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量.這些裂紋借助光學(xué)儀器也很難判別其是否影響產(chǎn)品質(zhì)量,直到非接觸測量技術(shù)的出現(xiàn)該問題才得以解決.對(duì)于這種測量,圖像測量技術(shù)完全可以達(dá)到測量要求,將表層圖像放大處理后鑒別裂紋長度、寬度及深度,綜合判斷產(chǎn)品品質(zhì).

還有些零件的工作環(huán)境要求零件表面具有一定的摩擦力,因此在生產(chǎn)過程中會(huì)為這類零件表層刻畫紋理,在圖像測量技術(shù)成熟之前,如何檢測這類零件表層摩擦力是否過關(guān)一直是個(gè)難題.現(xiàn)在將紋理掃描處理后,由后臺(tái)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算后甚至可直接給出表面摩擦系數(shù),可見圖像測量技術(shù)在機(jī)械檢測中的作用是不可替代的.

3 非接觸測量技術(shù)存在的不足

非接觸測量已經(jīng)逐漸成熟,但仍有很多地方需要改進(jìn).首先,非接觸測量系統(tǒng)的成本高昂,尤其是高精度測量系統(tǒng),采用的大多是高精密傳感器元件,造價(jià)高昂,小企業(yè)很難負(fù)擔(dān).其次是非接觸測量系統(tǒng)局限性高,很多系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境具有很高要求,如光學(xué)非接觸測量系統(tǒng)工作是不能有強(qiáng)光干擾,否則一方面對(duì)測量結(jié)果有所影響,另一方面可能還會(huì)對(duì)測量系統(tǒng)本身儀器造成損傷;聲學(xué)非接觸測量系統(tǒng)受超聲波的局限性,測量精度低,容易受介質(zhì)和溫度的影響;磁學(xué)非接觸測量系統(tǒng)無法對(duì)金屬進(jìn)行檢測,完全不可以用于機(jī)械檢測;而發(fā)展相對(duì)成熟的圖像測量技術(shù)也有其不足,測量形式單一,函數(shù)系統(tǒng)復(fù)雜難以調(diào)整,需要對(duì)其優(yōu)化升級(jí).

4 非接觸測量技術(shù)的發(fā)展趨勢

高精度、高準(zhǔn)確性是任何系統(tǒng)都在不停嘗試的目標(biāo),非接觸測量技術(shù)也不例外.目前圖像測量的機(jī)械檢測已經(jīng)達(dá)到微米級(jí)別,下一步將要向納米級(jí)別過度.想要提高非接觸測量技術(shù)的精確度,除了非接觸測量技術(shù)本身,其用到的高精度傳感器元件也需得到相應(yīng)的發(fā)展,以適應(yīng)非接觸測量技術(shù)發(fā)展的步伐.

提高非接觸測量技術(shù)的集成度,開發(fā)更簡潔的函數(shù)系統(tǒng).現(xiàn)在的非接觸測量系統(tǒng)的測量參數(shù)都十分單一,而且同一個(gè)系統(tǒng)無法進(jìn)行測量參數(shù)的轉(zhuǎn)換,尺寸測量和表面測量無法共同測量,如何將幾種不同的測量整合到一個(gè)系統(tǒng)甚至同時(shí)進(jìn)行,將是下一個(gè)重要課題.

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展,非接觸測量技術(shù)的應(yīng)用將更為廣泛.在機(jī)械檢測領(lǐng)域,機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)將越來越復(fù)雜,精度將越來越高,逐漸進(jìn)入到納米層次,而圖像檢測技術(shù)是目前唯一能夠有效對(duì)進(jìn)經(jīng)行檢測的技術(shù),只有圖像檢測技術(shù)得到發(fā)展,才能為機(jī)械零件精度進(jìn)入納米級(jí)提供質(zhì)量保證.

圖像檢測技術(shù)除了在機(jī)械檢測中取得的成功,其他非接觸檢測技術(shù)如聲納、核磁共振、X射線等都在其各自領(lǐng)域取得了不小成功.

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[3]任杰.地區(qū)電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)(北京),2016.

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