非接觸測量規(guī)范的建立方法研究

肖武華，李 明，柳 靜，詹高偉，韋慶玥

（上海大學 機電工程與自動化學院CIMS ＆機器人中心，上海 200072）

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)效率也越來越高，測量技術(shù)也要求高效、準確和無損傷，傳統(tǒng)的游標卡尺、千分尺等接觸式量具量儀效率低下、穩(wěn)定性不高，而且由于量具直接接觸工件表面，不可避免地會對工件或者量具造成損傷，因此非接觸測量技術(shù)應運而生。經(jīng)過長時間的發(fā)展，非接觸測量技術(shù)的種類越來越多，主要以光電、電磁、超聲波技術(shù)為基礎，出現(xiàn)了核磁共振法、射線掃描法、電渦流測量法、結(jié)構(gòu)光法、激光三角法、激光測距法、干涉測量法、立體視覺法、超聲波測距法等各種各樣的光學法和非光學法的非接觸測量技術(shù)［1］。

1 非接觸式測量

非接觸式測量是指在不接觸被測物體的前提下進行精準測量，它是利用非接觸掃描快速地得到整個零件的點云，然后通過相應軟件對得到的點云數(shù)據(jù)進行分析。目前光學三維掃描儀按照其原理分為“激光式”和“影像式”兩類。激光式測量的基本原理是由激光器發(fā)出的光經(jīng)光學系統(tǒng)形成一個很細的平行光束，照到被測工件上面，再由工件表面反射回來，反射回來的光按照一定的關(guān)系成像于光電檢測器件的不同位置，從而探測出被測表面的位置［2］。非接觸式測量的優(yōu)點是不必進行測頭補償，測量速度較快，不需要與被測物體表面接觸，受環(huán)境影響小；缺點是測量精度相對接觸式測量低。

目前激光式測量設備有三坐標激光掃描ScanWorks V4ix和ROMER關(guān)節(jié)臂激光掃描，如圖1、圖2所示；影像式測量設備有TriCam測量機器人和WLS400M白光掃描，如圖3、圖4所示。

圖1 三坐標激光掃描ScanWorks V4ix

圖2 ROMER關(guān)節(jié)臂激光掃描

圖3 TriCam測量機器人

圖4 WLS400M白光掃描

2 非接觸特征的測量

2.1 非接觸式測量流程

非接觸式測量大致包括如下6個步驟：①圖紙解讀；②測量準備；③建立坐標系；④特征測量；⑤點云處理；⑥評價。

在圖紙解讀階段，主要是對工件的尺寸、公差、基準的建立等做一個大致的解讀，然后對工件的擺放位置和坐標系的建立做一個大致的規(guī)劃；接著進行測量準備工作，先看工件是否符合要求，這其中包括要求工件不能是透明的、工件表面顏色不能是黑色等，如果達不到要求，可以對工件噴涂顯影劑；然后開始建立坐標系，三坐標激光掃描ScanWorks V4ix必須先使用硬測針建立坐標系，ROMER關(guān)節(jié)臂激光掃描如果在精度要求不是很高的情況下可以用掃描點云方式建立坐標系，WLS400M白光掃描采用固定坐標定位建立坐標系，TriCam測量用傳感器測量建立坐標系；接下來進行特征測量，三坐標激光掃描應采用曲面掃描且激光頭應該垂直于被測工件表面；再下來對掃描出來的點云進行處理，主要是對點云范圍進行選擇和對點云進行過濾等；最后對測量的結(jié)果進行評價，由于現(xiàn)有的測量設備當中，三坐標測量機的精度較高，可達2μm～5μm，因此本文選取其作為比對標準，將非接觸測量實驗獲取的被測工件的測量數(shù)據(jù)與通過三坐標測量機獲取的相應的測量數(shù)據(jù)進行比較，從而得到它們之間的測量差值。非接觸特征測量流程如圖5所示。

圖5 非接觸特征測量流程圖

2.2 測量不確定度來源分析

非接觸測量涉及到一個龐大而復雜的技術(shù)和應用體系，而且整個工作涉及到的環(huán)節(jié)也很多，所有這些都會對測量結(jié)果的產(chǎn)生帶來影響，對測量結(jié)果的質(zhì)量可以用測量不確定度來定量地說明。

在非接觸測量中，影響測量不確定度的因素有很多，具體內(nèi)容如圖6所示。在這些影響因素中，測量設備的參考元素、測量設備、測量設備性能與參數(shù)設置都可以按GB/T 16857（ISO 10360）系列標準的相關(guān)內(nèi)容進行檢定與修正，測量設備供應商會提供相應的補償方法。在一般的測量工作中，環(huán)境的影響、物理常數(shù)和轉(zhuǎn)換因子、測量評定軟件和計算方法等也有辦法可以得到相應的補償和檢定［3］。下面就以三坐標激光掃描為例，介紹在非接觸測量規(guī)范的建立過程中，如何通過一系列的實驗對掃描過程中的不確定因素進行合理的選擇。由于在三坐標激光掃描過程中，掃描角度和頻率這兩個不確定因素對實驗的結(jié)果影響比較大，通過兩個實驗分別對掃描角度和頻率這兩個不確定因素進行合理的選擇。

2.2.1 角度的選擇

實驗選用的模型必須具備如下兩個特點：①具有圓、槽等基本特征；②不易反光，適用于三坐標激光掃描。最終選擇Leica模型作為三坐標激光掃描的對象，該模型如圖7所示。

實驗條件如下：掃描頻率為30Hz，掃描速度為100%（最大），最佳景深，行距為2，掃描模式。在模型上任意選取具有代表性的特征點進行掃描，三坐標激光掃描測量機的激光頭角度分為A，B兩種角度，其中A為0°～105°，B為－180°～＋180°，每7.5°為一個增量，共有720種角度可選。數(shù)據(jù)龐大，況且逐個驗證意義并不是很大，通過實驗驗證，當A角小于60°或B角小于135°時，得到的實驗結(jié)果誤差很大，所以圍繞垂直于被測工件表面的角度，激光掃描頭分別在隨機選取的（A60B180）、（A67.5B180）、（A75B180）、（A105B180）、（A90B142.5）、（A90B157.5）、（A90B165）、（A90B135）、（A90B180）角度下對特征點進行掃描，然后將掃描的數(shù)據(jù)與三坐標測量機測出的數(shù)據(jù)進行比較并得出它們的測量差值。不同掃描角度下各特征點的測量差值如圖8所示。

圖6 測量中的不確定影響因素

從圖8可以看出，激光掃描頭在垂直于被測工件表面的角度下，實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與重復性好，偏差也較小。

2.2.2 頻率的選擇

選用的實驗模型依然是Leica模型，掃描角度（A90B180），掃描速度100%（最大），最佳景深，行距為2，掃描模式。激光掃描頭分別在供應商推薦使用的15Hz和30Hz兩種頻率下對特征點進行掃描，然后將掃描的數(shù)據(jù)與三坐標測量機測出的數(shù)據(jù)進行比較并得出它們的測量差值，不同頻率下各特征點的測量差值如圖9所示。

從圖9可以看出，激光掃描頭在30Hz這個頻率下掃描的數(shù)據(jù)更接近于三坐標測量值，所以激光掃描頭掃描的最佳頻率是30Hz。

3 總結(jié)

該非接觸測量規(guī)范是建立在大量的實驗基礎之上，在實踐中具有很強的指導性，雖然可能還有一些不足的地方，相信在以后的實踐中會逐漸得到完善。

圖7 Leica模型

圖8 不同角度下的測量差值

圖9 不同頻率下的測量差值

［1］羅勝彬，宋春華，韋興平，等.非接觸測量技術(shù)發(fā)展研究綜述［J］.機床與液壓，2013（12）：1001－3881.

［2］趙幸福.測量不確定度評價方法在大型工件現(xiàn)場加工中的應用［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2011（8）：68－72.

［3］戴立銘，江潼君.激光三角測量傳感器的精密位移測量［J］.儀器儀表學報，1994（11）：400－404.