劉 勇， 高國(guó)防， 張曉華， 陳玉國(guó)， 彭亞會(huì)， 趙 華，張書根

(1. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽 621999; 2.陜西寶雞150信箱11分箱， 陜西 寶雞 714000)

1 引 言

含能材料部件[1]通常是指以含能材料(火炸藥)為主體，按一定比例添加粘結(jié)劑或鈍感劑等助劑，經(jīng)特定成型工藝(鑄裝或壓裝)制造，具有一定形狀、尺寸且在常溫范圍內(nèi)(10～30 ℃)呈固相穩(wěn)定形態(tài)的可測(cè)量部件，通常與大型武器系統(tǒng)裝藥外殼固定在一起(除由于內(nèi)部應(yīng)變有極微量位移外，無相對(duì)運(yùn)動(dòng))，一般呈餅、球、柱或其他不規(guī)則形狀塊體。

含能材料部件作為大型武器系統(tǒng)的毀傷能源，其幾何量指標(biāo)不僅關(guān)系到武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用性能及可靠性，而且直接影響著武器系統(tǒng)的安全貯存和有效使用。為實(shí)現(xiàn)對(duì)含能材料部件幾何量的定量測(cè)量和質(zhì)量評(píng)估，需對(duì)含能材料部件幾何量進(jìn)行定量測(cè)量。由于含能材料部件屬于爆炸危險(xiǎn)品，在一定的電、火花、撞擊、靜電等刺激下易發(fā)生爆炸，且含能材料部件本身存在線性膨脹特性，其測(cè)量誤差對(duì)環(huán)境溫度場(chǎng)的分布及波動(dòng)極為敏感，因此，含能材料部件幾何量測(cè)量具有安全性要求高、測(cè)量環(huán)境條件苛刻、流程長(zhǎng)、成本高等特征。針對(duì)這些特點(diǎn)，近年來，含能材料部件幾何量測(cè)量技術(shù)主要包含有傳統(tǒng)的工卡量具測(cè)量技術(shù)、應(yīng)用廣泛的固定式三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)、便攜式坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)以及最新發(fā)展的光學(xué)非接觸三維測(cè)量等技術(shù)。

隨著科技的發(fā)展以及武器裝備技術(shù)水平的提升,含能材料部件的形狀復(fù)雜化、小尺寸化需求日益迫切，尤其微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System， MEMS)技術(shù)的發(fā)展，含能材料部件加工制造已從傳統(tǒng)的大尺寸(回轉(zhuǎn)半徑100 mm～1 m)擴(kuò)展至中間尺寸(10～100 mm)[2-5]，為保證制造過程中的安全性，含能材料部件的尺寸測(cè)量精度要求也日益提高，這些都推動(dòng)著含能材料部件幾何量測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展。本文從機(jī)械量具測(cè)量、固定式三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量、便攜式坐標(biāo)測(cè)量、光學(xué)非接觸三維測(cè)量四方面對(duì)含能材料部件的幾何量測(cè)量技術(shù)應(yīng)用情況展開了綜述，提出未來含能材料部件幾何量測(cè)量發(fā)展方向。

2 含能材料部件幾何量測(cè)量技術(shù)

2.1 機(jī)械工卡量具測(cè)量技術(shù)(Measuring Technology with Mechanical Device )

傳統(tǒng)的含能材料部件幾何量測(cè)量技術(shù)，主要采用機(jī)械工卡量具，通過與機(jī)械方法產(chǎn)生一維或二維的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)直線或曲線進(jìn)行比較來得到幾何量數(shù)值，包括直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量主要使用通用的標(biāo)準(zhǔn)量具，如內(nèi)外徑千分尺、卡尺、塞規(guī)、平尺、塞尺測(cè)量、輪廓儀等; 間接測(cè)量則主要使用非標(biāo)準(zhǔn)化的專用量具，根據(jù)待測(cè)含能材料部件的型面尺寸要素，設(shè)計(jì)一套與待測(cè)含能材料部件某部分型面相近或吻合的測(cè)量橋架與硬質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣柱或樣板組合，通過測(cè)量含能材料外型面與標(biāo)準(zhǔn)樣板或樣柱進(jìn)行比對(duì)來間接得到該型面尺寸。如劉瑛[6]等設(shè)計(jì)的某機(jī)械對(duì)比測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)某含能材料部件的外輪廓尺寸進(jìn)行了精確測(cè)量，梅軍建[7]等對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，其精度可達(dá)到0.02 mm，見示意圖1。

1—校準(zhǔn)裝置， 2—基準(zhǔn)板， 3—基準(zhǔn)座， 4—橋架， 5—百分表

圖1 某外輪廓尺寸測(cè)量系統(tǒng)[7]

1—adjust device， 2—datum shutter， 3—datum base，4—measurement frame， 5—percentage watch

Fig.1 The measurement system for outline size of explosive component[7]

傳統(tǒng)機(jī)械工卡量具測(cè)量設(shè)備穩(wěn)定性好、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作容易、成本較低，在早期彈箭武器系統(tǒng)的含能材料部件測(cè)量中發(fā)揮了巨大作用。但隨著武器裝備的技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械工卡量具測(cè)量明顯存在不足[6]:

一是系統(tǒng)誤差大，傳統(tǒng)量具機(jī)械結(jié)構(gòu)及指示表的綜合誤差一般在0.02 mm以上[6]，隨著產(chǎn)品制造精度提高，難以滿足需求; 二是隨機(jī)誤差大，測(cè)量的準(zhǔn)確性與測(cè)量人員操作水平的熟練程度及讀數(shù)的準(zhǔn)確程度正相關(guān); 三是工卡量具測(cè)量為接觸性測(cè)量，而含能材料部件多為脆性材料，測(cè)量過程中易對(duì)被測(cè)件造成損傷; 四是測(cè)量效率低，由于機(jī)械工卡量具測(cè)量主要靠人工操作，自動(dòng)化水平較低，一般情況下測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。結(jié)合含能材料部件生產(chǎn)特點(diǎn)，機(jī)械工卡量具在許多場(chǎng)合仍有不可替代的質(zhì)量檢驗(yàn)作用，為盡量減少測(cè)量誤差可采取的措施有: 一是采用具有數(shù)顯讀數(shù)功能的千分尺、游標(biāo)卡尺等機(jī)械量具來消除讀數(shù)誤差; 二是針對(duì)含能材料部件形狀特點(diǎn)，盡量采用輕質(zhì)合金材料，設(shè)計(jì)輕便、可靠性高的專用測(cè)量工具; 三是考慮在各類機(jī)械量具上增設(shè)隔熱扶手或把手，盡可能降低操作人員手溫等引起的量具線性膨脹。

2.2 固定式三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)(Coordinate Measuring Techniques)

固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Coordinate Measuring Machines，CMM)的出現(xiàn)標(biāo)志著傳統(tǒng)幾何量測(cè)量?jī)x器從手動(dòng)方式正式走向現(xiàn)代化自動(dòng)、精確測(cè)量[8-11]。固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)見圖2[12]。與前述的傳統(tǒng)幾何量測(cè)量技術(shù)不同，三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)是基于空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集和計(jì)算，將測(cè)量得到的被測(cè)物體幾何參數(shù)與相應(yīng)幾何形狀的數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)而得到工件幾何形狀參數(shù)的方法[12-15]。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)既解決了大尺寸范圍內(nèi)(1～3000 mm)復(fù)雜形狀表面輪廓尺寸的測(cè)量，如零件的深孔孔徑與孔位、腔體的曲面，葉片與齒輪等的外廓尺寸檢測(cè); 同時(shí)提高了三維測(cè)量的精度。目前高精度的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，如德國(guó)蔡斯 (ZEISS,德國(guó)坐標(biāo)機(jī)世界級(jí)企業(yè)之一)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)單軸精度，每米長(zhǎng)度可達(dá)到0.4 μm以內(nèi)，三維空間精度可達(dá)0.7 μm[10]。

圖2 固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[12]

Fig.2 Coordinate measuring Machines[12]

由于具有通用性強(qiáng)、測(cè)量范圍大、精度高、測(cè)量穩(wěn)定性和重復(fù)性好、效率高等特點(diǎn)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、航天、電子等多個(gè)領(lǐng)域，近年來更是在含能材料部件的制造、加工方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。美國(guó)核武器三大實(shí)驗(yàn)室之一的圣地亞實(shí)驗(yàn)室(SNAL)，20世紀(jì)80年代即開始了將三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量與含能材料部件生產(chǎn)相結(jié)合的研究，甚至開始了五軸聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)機(jī)測(cè)量研究[16]; 美能源部曾將光學(xué)掃描測(cè)頭加裝于三坐標(biāo)機(jī)上，對(duì)高溫(1450℃)下的特殊金屬材料鍛造件進(jìn)行在線測(cè)量[17]。

姚兵[18]和王萍[19]分別研究了基于CMM的復(fù)雜曲面數(shù)據(jù)測(cè)量，通過對(duì)各種復(fù)雜曲面的測(cè)量定位、測(cè)量區(qū)域劃分、測(cè)量路徑規(guī)劃以及測(cè)量點(diǎn)數(shù)分布進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，有效減少了冗余數(shù)據(jù)的測(cè)量，并大幅提高了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)復(fù)雜曲面高精度測(cè)量的效率。含能材料部件測(cè)量方面，李鋒[20]等綜合圖像處理技術(shù)和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多種型號(hào)炮彈全部結(jié)構(gòu)特征量的自動(dòng)測(cè)量和藥筒燒蝕面積測(cè)量。高國(guó)防[21]等將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)運(yùn)用于注裝含能材料部件的垂直度機(jī)加控制，很好地修正了數(shù)控加工中心對(duì)傾斜量的加工精度。

劉瑛[6]曾采用某型號(hào)固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)含能材料部件，與傳統(tǒng)工卡量具測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其測(cè)量精度大幅提高、測(cè)量時(shí)間大幅縮短，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 某型號(hào)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與工卡量具含能材料部件測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比[6]

Table 1 Comparison of CMM and mechanical device for the measurement of energetic materials component[6]

workpieceplacemeasuringtime/minmechanicaldeviceCMMmeasuringprecision(error)/μmmechanicaldeviceCMMthelumenofsomeirregularenergeticmaterialcomponentnegativecamberandborediameter602520～252．5～4．0someglobularenergeticmaterialcomponentoutlinesize602820～252．5～4．0somecolumnarenergeticmaterialcomponentcirculardegree，taper，cylinderheight753020～252．5～4．0

固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)雖然具有高精度、高效、自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在測(cè)量成本高(單機(jī)成本百萬元以上)、測(cè)量環(huán)境要求苛刻、精度計(jì)量檢定復(fù)雜、故障維修困難等不足[8]。隨著科技的發(fā)展，含能材料部件逐漸小尺寸、微型化，為適應(yīng)含能材料部件的特征測(cè)量，固定式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可重點(diǎn)從以下幾個(gè)方向發(fā)展: 一是大力開發(fā)具有高精度、較大量程以及能伸入小孔、可對(duì)微型零件進(jìn)行測(cè)量的各種測(cè)頭，且不同類型的測(cè)頭既可同時(shí)使用又可切換使用; 二是采用具有良好導(dǎo)熱性的新型材料作為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)體，將溫度變化所產(chǎn)生的熱變形減至最低; 三是通過成熟的逆向工程技術(shù)將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與數(shù)控機(jī)床和加工中心配套組成含能材料部件生產(chǎn)線或柔性制造系統(tǒng)，從而促進(jìn)含能材料部件自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展; 四是通過關(guān)鍵部組件的國(guó)產(chǎn)化，來大幅降低三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的維修成本和購(gòu)買成本。

2.3 便攜式坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)(Portable Coordinate Measuring Techniques)

固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)構(gòu)基于正交坐標(biāo)系，需要有花崗巖制成的底座、工作臺(tái)組成堅(jiān)固的機(jī)身，各坐標(biāo)軸上加裝有金屬立柱和導(dǎo)軌，重量達(dá)數(shù)噸，不適用于大型工件在維修及裝配現(xiàn)場(chǎng)的快速測(cè)量。受需求的牽引，體積小、精度適中、價(jià)格低廉、安裝簡(jiǎn)單、易于操作、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工件方便的便攜式坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[22-23]。根據(jù)不同的測(cè)量原理及搭載測(cè)頭，便攜式坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)可分為關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(圖3)和光筆測(cè)量?jī)x(圖4)兩類。

2.3.1關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Portable Coordinate Measuring Arm ，PCMA)

關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是指根據(jù)仿生學(xué)的原理，通過模擬人的關(guān)節(jié)將連桿臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為三維空間位置的掃描，并通過精確測(cè)量各轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)角值(空間極坐標(biāo)值)，轉(zhuǎn)換為工程上通用的三維笛卡兒坐標(biāo)值，以得到被測(cè)物體的空間幾何尺寸的非正交坐標(biāo)系測(cè)量系統(tǒng)。關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)具有多自由度(最多有7自由度)測(cè)量臂，可以繞各關(guān)節(jié)點(diǎn)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，并裝有編碼器、測(cè)溫元件(對(duì)臂溫度誤差補(bǔ)償)等，基座可以方便地安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，其最后一節(jié)臂的末端裝有觸發(fā)測(cè)頭，操作人員手握測(cè)量臂，可以方便地探測(cè)工件上各測(cè)點(diǎn)[24]。目前國(guó)內(nèi)外主流的關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)主要產(chǎn)品有?？怂箍蛋捉痍P(guān)節(jié)臂、FARO關(guān)節(jié)臂等，其測(cè)量范圍可達(dá)到0.1 mm～4.5 m，空間測(cè)量精度可達(dá)0.015～0.023 mm。與傳統(tǒng)的正交固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比，關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以將臂折疊起來放入專用箱中，且主要部件的重量?jī)H有10 kg左右，運(yùn)動(dòng)靈活、活動(dòng)部分質(zhì)量小，可以探測(cè)工件或機(jī)器上的光學(xué)測(cè)量盲點(diǎn)，無需考慮測(cè)量路徑的優(yōu)化問題[15]。但由于關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)中各關(guān)節(jié)臂自由度大、溫度補(bǔ)償困難，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，精度低于固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，對(duì)于復(fù)雜曲面工件同樣存在測(cè)量死角。國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者針對(duì)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的誤差修正進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于較高精度零件的檢測(cè)維修中[25-27]。王春影[28]團(tuán)隊(duì)和劉萬里[29]團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)用于關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)，很好地消除了系統(tǒng)誤差。高國(guó)防等[30]在復(fù)雜曲面的工件測(cè)量中應(yīng)用關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行了測(cè)量，精度達(dá)到0.02 mm。筆者[21]曾采用某型號(hào)關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(空間測(cè)量精度0.018～0.03 mm，測(cè)量范圍0～1 m)與固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，基于相同測(cè)點(diǎn)數(shù)，對(duì)比檢測(cè)含能材料部件，見表2。

圖3 關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(接觸式測(cè)頭)[22]

Fig.3 Portable coordinate measuring arm(with touching probe)[22]

圖4 光筆測(cè)量系統(tǒng)[34]

Fig.4 Measurement system of coordinates with light pen[34]

表2某型關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與某型固定式坐標(biāo)機(jī)含能材料部件測(cè)量對(duì)比[21]

Table 2 Comparison of CMM and PCMA for the measurement of energetic materials component[21]

workpieceplacemeasuringtime/minmechanicaldeviceCMMmeasuringprecision(error)/μmmechanicaldeviceCMMthelumenofsomeirregularenergeticmaterialcomponentnegativecamberandborediameter1525184．0someglobularenergeticmaterialcomponentoutlinesize1528184．0

關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)較固定式測(cè)量機(jī)測(cè)量[29]時(shí)間大幅縮短。因此，在含能材料部件的幾何量測(cè)量過程中，尤其是非特殊要求的較高精度在線檢測(cè)及成品質(zhì)量檢驗(yàn)中，測(cè)量誤差在0.02～0.04 mm、公差帶在0.2～0.6 mm之間的任意孔、軸配合中，均可廣泛采用該類測(cè)量技術(shù)。

2.3.2光筆測(cè)量系統(tǒng)(Measurement System of Coordinates with Light Pen)

光筆坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)是指以光筆為接觸工具，將光筆上發(fā)光點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)，利用單攝像機(jī)(單目)或雙攝像機(jī)(雙目)，以光學(xué)測(cè)頭上的光學(xué)特征點(diǎn)作為成像目標(biāo)，獲取被測(cè)點(diǎn)的測(cè)量信息，并通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及算法，得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而獲得被測(cè)物體整體幾何特征量[31]。該技術(shù)可直接從被測(cè)物體表面獲取測(cè)量信息而無法實(shí)現(xiàn)高光表面及被遮擋部分等的測(cè)量問題[31]，且測(cè)量精度需進(jìn)一步提高，如以挪威邁卓諾公司生產(chǎn)的光筆測(cè)量?jī)x為代表的單目視覺測(cè)量系統(tǒng)(圖4)，可實(shí)現(xiàn)30 m大測(cè)量范圍內(nèi)的空間長(zhǎng)度測(cè)量，精度達(dá)25 μm[32]。

黃風(fēng)山等[32-33]建立的光筆式單目及雙目攝像機(jī)三維坐標(biāo)視覺測(cè)量系統(tǒng)，X軸(300 mm行程)測(cè)量累積誤差為0.18 mm、Y軸測(cè)量累積誤差為0.13 mm(100 mm行程)、Z軸測(cè)量誤差為0.26 mm(450 mm行程)，為先進(jìn)光筆得力技術(shù)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。解則曉[34]等基于近景攝影測(cè)量學(xué)中的單像空間后方交會(huì)原理，建立了一種新型的光筆式單目視覺測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下X軸、Y軸、Z軸方向的穩(wěn)定性誤差分別為0.042,0.048,0.066 mm，最大測(cè)量誤差為0.173 mm，可以滿足大尺寸、中低精度要求的工件現(xiàn)場(chǎng)三維幾何量檢測(cè)。

便攜式坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)雖然具有精度適中、價(jià)格低廉、安裝簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在精度不高(低于固定式三坐標(biāo)機(jī))、對(duì)操作者的熟練程度要求高、存在測(cè)量死角等缺點(diǎn)。為適應(yīng)含能材料部件未來發(fā)展需求，便攜式坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)可從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn): 一是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高測(cè)溫元件、測(cè)量臂及光筆的動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償能力，在實(shí)現(xiàn)較為快速測(cè)量的同時(shí)保證較高測(cè)量精度; 二是采用新型材料制成高靈敏度的觸測(cè)測(cè)頭，提高觸測(cè)精度; 三是發(fā)展更為便捷、涵蓋擬合建模等多種功能的測(cè)量軟件，使便攜式坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)能納入智能化生產(chǎn)線。

3光學(xué)非接觸三維測(cè)量技術(shù)在含能材料部件應(yīng)用前景

隨著大型工件外形和質(zhì)量測(cè)量要求的提高，實(shí)現(xiàn)大型工件外型面高效率、非接觸、全尺寸、柔軟、無損檢測(cè)的需求日益強(qiáng)烈。光學(xué)非接觸三維測(cè)量技術(shù)主要是指利用光攝影及立體視覺原理，以固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或關(guān)節(jié)臂等作為測(cè)量平臺(tái)，CCD(電荷耦合元件，Charge-coupled Device)攝像機(jī)為核心系統(tǒng)，通過拍攝或掃描處理點(diǎn)云獲得工件精確三維尺寸的測(cè)量技術(shù)[33]。在光學(xué)非接觸測(cè)量過程中，還可結(jié)合逆向工程技術(shù)對(duì)被測(cè)物形狀進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)其關(guān)鍵點(diǎn)和型面的控制，還可以通過數(shù)字化測(cè)量設(shè)備獲取被測(cè)工件或模型的云狀數(shù)據(jù)，再進(jìn)行曲面重構(gòu)得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，為大型工件全尺寸快速檢測(cè)提供有效途徑[35-41]。由于光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)普遍采用高分辨率攝像機(jī)(或加裝背景光源)，同時(shí)利用高運(yùn)算能力計(jì)算機(jī)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，普遍造價(jià)高，而且測(cè)量精度略低于關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)。光學(xué)非接觸三維測(cè)量技術(shù)按照測(cè)量原理和手段的不同，主要可分為結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量(分單目、雙目)、光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量?jī)深悺?/p>

3.1 結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量技術(shù)(Measuring Technology Based on Structured Light)

結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量是指使用數(shù)字投影儀將預(yù)先編程的數(shù)字光柵投射到被測(cè)工件表面，由于光柵隨物體表面高度變化而發(fā)生變形，使用CCD攝像機(jī)等立體視覺系統(tǒng)獲得其物體的二維圖像，然后利用相關(guān)的結(jié)構(gòu)光算法和圖像匹配求取每一點(diǎn)的展開相位，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物體的三維整體測(cè)量[36]。結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)見圖5。目前，基于結(jié)構(gòu)光視覺原理的光學(xué)非接觸測(cè)量系統(tǒng)已發(fā)展成為精度較高、非接觸測(cè)量、大量程的便攜式幾何量測(cè)量系統(tǒng)，如美國(guó)GSI公司的V-STARS系統(tǒng)、日本3DMedia公司的3DM-FOTOMETRICS系統(tǒng)等測(cè)量精度誤差甚至達(dá)到0.10 mm/4 m[36]，瑞士Leica公司推出的T-pro移動(dòng)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，將激光跟蹤測(cè)距和攝像機(jī)視覺測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，大大提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度和靈活性，在17m的測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)到0.06 mm[38]。

圖5 結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)[42]

Fig.5 Vision measurement system based on structured light[42]

國(guó)內(nèi)劉桂華[42]研究小組通過采用結(jié)構(gòu)光立體視覺測(cè)量及多頻相移技術(shù)，可對(duì)大型鍛件在15 m遠(yuǎn)處進(jìn)行非接觸在線測(cè)量(1000 ℃)，精度可達(dá)到1～3 mm。羅劍[43]等基于提出的二維投影機(jī)模型，通過使用多平面法及Levenberg-Marquardt算法標(biāo)定攝像機(jī)和投影機(jī)幾何參數(shù)，使三維攝影照相設(shè)備的測(cè)量精度達(dá)到0.05 mm(250 mm×200 mm×200 mm的測(cè)量范圍)。高國(guó)防[44]等應(yīng)用雙目攝影系統(tǒng)(見圖6)并結(jié)合逆向工程方法，對(duì)某火炮裝藥炮彈的變形量進(jìn)行了較為精確的測(cè)量，并對(duì)模擬半球外形輪廓、體積進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明其精度達(dá)到0.06 mm。

圖6 雙目結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)[37]

Fig.6 Vision measurement system based on structured two-light[37]

在含能材料部件幾何量非接觸測(cè)量方面，李鋒[20]結(jié)合Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，利用CCD攝像機(jī)的復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多種型號(hào)炮彈的全部結(jié)構(gòu)特征量的自動(dòng)測(cè)量和藥筒燒蝕面積測(cè)量。

3.2 光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)(Optical Coordinate Measurement Technology)

光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)利用固定式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)精確移動(dòng)定位，再由視覺系統(tǒng)(物鏡、CCD相機(jī)等)獲取被測(cè)物體圖像的模擬信號(hào)，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綀D像采集卡中并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，測(cè)量軟件對(duì)圖像進(jìn)行影像對(duì)位、數(shù)值顯示，并實(shí)現(xiàn)幾何特征量識(shí)別與檢測(cè)、空間幾何運(yùn)算、尺寸標(biāo)注，CAD圖形輸出等[45]。根據(jù)探測(cè)光源或測(cè)頭的不同，主要有復(fù)合光學(xué)掃描三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)(可加裝激光掃描頭，圖7)和白光掃描測(cè)量技術(shù)(圖8)兩大類[46]。國(guó)內(nèi)外研究人員[46-47]針對(duì)光學(xué)三維掃描測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大量的理論及應(yīng)用研究。美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)90年代就曾研究，將光學(xué)掃描測(cè)頭加裝于蔡司三坐標(biāo)機(jī)上對(duì)高溫(1450 ℃)下的特殊金屬材料鍛造測(cè)量進(jìn)行在線測(cè)量[16]，精度達(dá)到了0.1 mm。

美國(guó)OGP公司ZIP復(fù)合光學(xué)三坐標(biāo)(圖7)既有傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)頭(可選激光測(cè)頭)又有接觸式測(cè)頭，在提高了空間測(cè)量精度(0.002mm左右)的同時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)了測(cè)量功能，可通過編程實(shí)現(xiàn)批量零件的自動(dòng)測(cè)量，特別適合小尺寸零部件的測(cè)量[47]。?？怂箍禍y(cè)量技術(shù)(青島)有限公司白光測(cè)量系統(tǒng)[45](圖8)，采用閃光照像的方式，通過3個(gè)鏡頭在不同的位置和方向獲取同一物體的兩幅以上的數(shù)字圖像，經(jīng)特征對(duì)齊拼合、匹配處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后，在軟件中形成拍攝物體的三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到待測(cè)點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)，同時(shí)數(shù)據(jù)以高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)(Standard Template Library，STL)格式點(diǎn)云輸出，可測(cè)量工件表面平整度、幾何尺寸、輪廓等。該系統(tǒng)具有測(cè)量時(shí)間短(0.001 s)，采點(diǎn)密度大，精度較高(30 μm，重復(fù)性100 μm)、設(shè)備體積小(可安裝在關(guān)節(jié)臂上)等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 復(fù)合式光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)[47]

Fig.7 Optical coordinate measurement system of multisensor[47]

圖8 白光掃描坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)[46]

Fig.8 Coordinate measurement system with white-light[46]

對(duì)于含能材料部件來說，相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明普通光(可見光、紅外光、紫外光)可引起火工品中起爆藥(AgN3、Pb(N3)2)不同程度的熱分解，光強(qiáng)足夠大時(shí)甚至引起熱爆炸[48]; 而感度較高的猛炸藥太安、黑索今、奧克托今可在激光短時(shí)(微秒級(jí))強(qiáng)刺激下引爆，但引爆能量較高(9～25 J·cm-2)[49-51]，遠(yuǎn)大于一般CCD攝像頭中光能量(400～700 nm，1.62～3.11 eV，低于0.1 J·cm-2)[51]。鑒于此，兼顧設(shè)備成本及測(cè)量精度要求，可以考慮，將光學(xué)非接觸三維測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于以鈍感猛炸藥為主體裝藥、低精度要求(0.1～0.6 mm)、寬尺寸范圍內(nèi)的含能材料部件幾何量測(cè)量中。

光學(xué)非接觸三維測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量速度快、非接觸、大量程等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在測(cè)量設(shè)備昂貴、測(cè)量精度不高(低于關(guān)節(jié)臂及固定式三坐標(biāo)機(jī))等不足。結(jié)合含能材料部件特點(diǎn)，未來光學(xué)非接觸三維測(cè)量技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)從以下幾個(gè)方向發(fā)展: 一是進(jìn)一步提高光學(xué)測(cè)量頭或CCD攝像頭分辨率; 二是開發(fā)更為精準(zhǔn)和高效的測(cè)量軟件，使數(shù)據(jù)點(diǎn)云仿真重構(gòu)能力更強(qiáng); 三是通過研究攻關(guān)，進(jìn)一步提高CCD、激光掃描測(cè)頭等光學(xué)關(guān)鍵元器件的國(guó)產(chǎn)化率，降低設(shè)備成本; 四是研究采用光能量密度更低、脈沖時(shí)間更短的光源(或光發(fā)生器)，尤其是廣泛開展不同含能材料激光感度安全性試驗(yàn)，使光學(xué)測(cè)量技術(shù)更安全、更可靠。

4 結(jié)論與展望

含能材料部件的幾何量測(cè)量，必然要隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，向高精度、高效、快速等方向發(fā)展。三坐標(biāo)技術(shù)、關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)、光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，使含能材料部件安全、快速、高精度、便攜、大量程及在線測(cè)量成為可能。

(1)在含能材料部件高精度(0.01 mm以下)、中小尺寸(10～100 mm)幾何量測(cè)量中，未來應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展基于固定式三坐標(biāo)機(jī)的在線測(cè)量技術(shù)，研究如何將坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)與含能材料部件的生產(chǎn)、加工、制造等工藝結(jié)合起來，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量、柔性制造。

(2)在含能材料部件中精度(0.01～0.1 mm)、較大尺寸(100～800 mm)幾何量測(cè)量中，未來應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展基于以關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)、光筆測(cè)量?jī)x為主的便攜式測(cè)量技術(shù)，研究如何進(jìn)一步優(yōu)化采點(diǎn)路徑及算法、提高測(cè)量精度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)含能材料部件便攜式、較高精度的快速測(cè)量。

(3)在以鈍感猛炸藥為主體裝藥的含能材料部件低精度(0.1～0.6 mm)、寬尺寸范圍(10～1000 mm)幾何量測(cè)量中，未來應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展光學(xué)非接觸三維測(cè)量技術(shù)，尤其是白光測(cè)量系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)，優(yōu)化測(cè)量模型、選取優(yōu)質(zhì)探測(cè)光源(除激光光源或經(jīng)過大批量激光感度試驗(yàn))，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)含能材料部件的無損、高效測(cè)量。

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