曹雅莉，李宗義

(1.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001； 2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

中國(guó)是一個(gè)制造大國(guó)，制造業(yè)已經(jīng)成為關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代制造業(yè)已發(fā)展成為融合信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、系統(tǒng)控制工程而生成的先進(jìn)制造系統(tǒng)。隨著制造業(yè)的發(fā)展及制造裝備的不斷升級(jí)進(jìn)步，復(fù)雜零件的加工制造變得越來(lái)越容易，但同時(shí)對(duì)復(fù)雜零件的制造精度、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率等方面的要求也越來(lái)越高。

在復(fù)雜曲面零件的整個(gè)工藝制造過(guò)程中，需要用相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)對(duì)其加工精度進(jìn)行檢測(cè)和控制。與平面零件相比較，復(fù)雜曲面零件的設(shè)計(jì)、加工和精度檢測(cè)等過(guò)程更具復(fù)雜性[1]，所以，要求有相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)雜曲面的加工精度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和保證。目前，復(fù)雜曲面零件的檢測(cè)工具主要有以下三類(lèi)：傳統(tǒng)的測(cè)量工具(如游標(biāo)卡尺、千分尺、百分表、量規(guī)等)、現(xiàn)代化的數(shù)字測(cè)量?jī)x器(如光柵式萬(wàn)能工具顯微鏡)和一些先進(jìn)的測(cè)量工具(如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、超聲波檢測(cè)等)。這些測(cè)量工具都存在一定的缺點(diǎn)，例如傳統(tǒng)的測(cè)量工具精度低、測(cè)量速度慢、操作方法復(fù)雜、需要對(duì)工件進(jìn)行裝夾，現(xiàn)代化的數(shù)字測(cè)量?jī)x器操作困難、測(cè)量速度慢、精度有待提高，先進(jìn)的測(cè)量工具效率較低且測(cè)量范圍有限。

1 精密檢測(cè)系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)不能滿足企業(yè)發(fā)展的需要，需要精密的檢測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)來(lái)滿足對(duì)高精密檢測(cè)的要求。隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)逐漸被用到零件檢測(cè)行業(yè)中來(lái)[2]，基于二維三維圖像處理技術(shù)的測(cè)量在很大程度上解決了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的不足[3]。筆者為了解決目前檢測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)存在的不足，將技術(shù)已經(jīng)完善且目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、通訊和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等相結(jié)合，構(gòu)建了一套新的基于圖像處理的精密視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用與精密測(cè)量技術(shù)，從而形成一套新的精密檢測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)[4-5]。基于圖像處理的高精密視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，具有非接觸性、實(shí)時(shí)性、靈活性、可視性、直觀性、精確性等優(yōu)點(diǎn)。

首先利用精密的光學(xué)CMM 3D掃描儀對(duì)零件進(jìn)行掃描，掃描的圖像可以實(shí)時(shí)的顯現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，完成被測(cè)對(duì)象的圖像采集工作；然后利用Geomagic Control軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，進(jìn)行空間幾何運(yùn)算、來(lái)獲得被測(cè)物體的幾何尺寸和表面質(zhì)量參數(shù)；最后將掃描數(shù)據(jù)與原始的設(shè)計(jì)圖形參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，得出測(cè)量結(jié)果。整個(gè)測(cè)量過(guò)程操作簡(jiǎn)單，運(yùn)算迅速，比起傳統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程節(jié)約了大約一半的時(shí)間，而且還能完成一些傳統(tǒng)測(cè)量無(wú)法完成的測(cè)量項(xiàng)目。在測(cè)量過(guò)程中未對(duì)工件進(jìn)行裝夾，避免了工件在測(cè)量時(shí)因夾持變形而產(chǎn)生精度誤差。另外，測(cè)得的結(jié)果不僅可以以精確的數(shù)值的方式來(lái)表示，也可以以非常直觀的圖形對(duì)比分析方式來(lái)顯示。這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單、高效，能把檢測(cè)人員從繁瑣復(fù)雜的測(cè)量、計(jì)算、分析、數(shù)據(jù)整理工作中解放出來(lái)。

2 檢測(cè)過(guò)程及方法

2.1 測(cè)量?jī)x器介紹

MetraSCAN 3D光學(xué)CMM 3D掃描儀采用光學(xué)測(cè)量方式，這種儀器可以用來(lái)檢測(cè)夾具、零件，也可以用來(lái)對(duì)模型進(jìn)行逆向工程操作，測(cè)量工件的最小尺寸可以達(dá)到0.2 m，最大可以達(dá)到6 m。圖1為便攜式光學(xué)CMM3D掃描儀，表1為MetraSCAN 3D光學(xué)CMM 3D掃描儀的參數(shù)，測(cè)量尺寸精度高達(dá)0.03 mm，測(cè)量速率每秒鐘高達(dá)480 000次。

圖1 便攜式光學(xué)CMM3掃描儀

表1 1 MetraSCAN 3D光學(xué)CMM3D掃描儀參數(shù)

2.2 測(cè)量軟件

Geomagic Control三維檢測(cè)軟件，既可以通過(guò)快速直觀的采集零件剖面進(jìn)行測(cè)量，利用偏差位置功能快速識(shí)別和測(cè)量表面偏差，分析偏差群組的大小、形狀和位置；還可以快速識(shí)別和測(cè)量表面偏差，包括凹痕、腐蝕和其它各種磨損，對(duì)易翹曲或易變形的零件及大尺寸零件能進(jìn)行穩(wěn)健的自動(dòng)化檢測(cè)。相比其它光學(xué)儀器測(cè)量系統(tǒng)它具有以下優(yōu)點(diǎn)：①算法優(yōu)化，減少了計(jì)算時(shí)間；②測(cè)量尺寸范圍廣；③即時(shí)檢測(cè)，能直觀地引導(dǎo)用戶獲取指定位置的點(diǎn)，如用來(lái)比較點(diǎn)，模擬CMM點(diǎn)等；④能單獨(dú)、自動(dòng)、或分批執(zhí)行檢測(cè)結(jié)果，創(chuàng)建自動(dòng)化檢測(cè)的一條龍解決方案；⑤智能創(chuàng)建并輸出測(cè)量結(jié)果的PDF報(bào)告。

2.3 檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果

2.3.1三維數(shù)據(jù)采集

激光掃描利用的是激光反射測(cè)距的原理，在測(cè)量金屬零件或者不透光的零件時(shí)，不會(huì)發(fā)生透光現(xiàn)象，而在測(cè)量透明的零件時(shí)會(huì)發(fā)生透光現(xiàn)象，影響測(cè)量的精度；被測(cè)零件孔、槽、大的凹邊會(huì)因?yàn)楣饩€的問(wèn)題無(wú)法進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集，在采集時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，造成數(shù)據(jù)“空白”，所以在測(cè)量零件之前需要對(duì)零件進(jìn)行表面處理，一般常采用噴漆、涂墨、填充的方法。本次測(cè)量的零件是樹(shù)脂材料，具有很強(qiáng)的透光性，需要對(duì)零件進(jìn)行表面處理[6]。

零件表面處理完成以后，將其放置在測(cè)量臺(tái)上，利用光學(xué)CMM 3D掃描儀對(duì)輪轂零件(見(jiàn)圖2)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)量，由于輪轂零件表面曲面較多，有多處凹面且曲面交界較多，因此測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行多角度旋轉(zhuǎn)測(cè)量，并且在Z軸方向進(jìn)行多次分段測(cè)量，力求消除測(cè)量死角，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)、有效、精確。

2.3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免的存在一些問(wèn)題，必須對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行一些必要的處理，常用的點(diǎn)云處理包括多視角對(duì)齊、數(shù)據(jù)光順處理、噪點(diǎn)去除、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等。本次測(cè)量為了驗(yàn)證測(cè)量方法的可行性，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了必要的數(shù)據(jù)光順處理及精簡(jiǎn)處理。圖2是樹(shù)脂輪轂零件模型，圖3為經(jīng)過(guò)處理的輪轂?zāi)Ｐ偷膾呙鑸D。

圖2 樹(shù)脂輪轂零件圖3 零件測(cè)量掃描圖

2.3.3輸出測(cè)量結(jié)果

(1) 質(zhì)量分析

利用Geomagic Control軟件對(duì)測(cè)量得到圖像數(shù)據(jù)與原始設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以直觀的得到工件的表面質(zhì)量分析結(jié)果，如圖4所示，經(jīng)過(guò)測(cè)量，圖中淺白色部分即輪轂的輻板靠近輪軸部分和輪緣部分為尺寸精度較高部分，灰色部分即螺栓孔的沉頭臺(tái)階面部分和輪輞部分為尺寸精度較差部分，顏色越深代表偏差值越大、精度越低。測(cè)量圖像中的顏色越靠近標(biāo)準(zhǔn)色帶的中間部位，則代表該部位的加工精度越高；反之，代表精度越差。黑色部分為本次測(cè)量的噪點(diǎn)部分，未記入測(cè)量結(jié)果。

圖4 表面質(zhì)量分析圖

(2) 截面對(duì)比

為了直觀的觀察測(cè)量工件的變形情況，還可對(duì)所測(cè)量得零件圖像進(jìn)行任意角度、任意位置的剖切，并與原始設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)比，分析得到任何一個(gè)截面的截面對(duì)比圖。在對(duì)比圖中，如果圖線重合度較高，則代表零件加工精度較高，基本無(wú)變形；反之，則代表精度較低，變形較大。本次測(cè)量對(duì)輪轂?zāi)Ｐ脱刂S線方向進(jìn)行了剖切，通過(guò)對(duì)比圖(圖5)可以發(fā)現(xiàn)輪輞部分加工變形較小，精度最高；輪輻上表面的曲面部分變形較為嚴(yán)重，精度較差；在輪輻與輪緣的相交處及螺栓孔的沉頭位置變形情況最為嚴(yán)重，精度普遍較低。

圖5 縱向剖切面與設(shè)計(jì)原圖對(duì)比效果圖

(3) 偏差數(shù)值分析

在測(cè)量時(shí)預(yù)先可以根據(jù)零件的設(shè)計(jì)需求及偏差值要求對(duì)尺寸偏差劃分一定精度等級(jí)后進(jìn)行檢測(cè)。本次測(cè)量時(shí)把測(cè)量偏差值按照精度的要求劃分為7個(gè)等級(jí)，其中0、1、2級(jí)是按照工件的使用要求給出的符合零件精度要求的偏差等級(jí)，3級(jí)是考慮到加工誤差所給出的精度等級(jí)。如果測(cè)量以后的偏差值在0、1、2級(jí)數(shù)值范圍之內(nèi)，則說(shuō)明該測(cè)量部位符合使用要求，為合格部分；反之，如果測(cè)量的偏差值不在0、1、2級(jí)數(shù)值范圍之內(nèi)，則說(shuō)明該測(cè)量部位不符合使用要求，為不合格部分。通過(guò)表1可以看出Geomagic Control軟件系統(tǒng)在自動(dòng)取點(diǎn)時(shí)測(cè)量取點(diǎn)主要集中在0、1、2級(jí)，符合測(cè)量要求，測(cè)量得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差值也主要集中在0、1、2級(jí)，通過(guò)分析表明輪轂零件95%加工部位符合使用要求，5%的加工部位不符合使用要求，根據(jù)本次設(shè)計(jì)需求，判定該零件為合格品。

表1 偏差數(shù)值分布表

3 測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，特意選取模型中精度較差部分即螺栓孔部分作為測(cè)量對(duì)象，進(jìn)行比較。首先利用精度較高的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)該部分的尺寸公差及形位公差進(jìn)行了測(cè)量，再利用Geomagic Control軟件對(duì)該測(cè)量部分進(jìn)行相同項(xiàng)目的分析測(cè)量，測(cè)量結(jié)果及對(duì)比差值如表2所示，測(cè)量結(jié)果分析圖如圖6所示，可以看到兩種測(cè)量方式測(cè)量結(jié)果基本一致，對(duì)比誤差在合理范圍之內(nèi)。

圖6 測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析圖

表2 測(cè)量項(xiàng)目及對(duì)比結(jié)果/mm

4 結(jié) 語(yǔ)

研究了機(jī)器視覺(jué)在檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并與Geomagic Control相結(jié)合，建立了一套完整的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以直觀的觀察零件變形情況，避免了傳統(tǒng)測(cè)量中利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工繪制的麻煩；可用于測(cè)量薄壁易變形零件的精度測(cè)量，避免傳統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中的裝夾誤差影響；還可以用于大型零件的精度檢測(cè)，解決了傳統(tǒng)測(cè)量中大型零件難以測(cè)量的弊端。