復雜零件精密尺寸測量方法的研究進展

王榮峰，曹 迪，林 娜

（1.廣東省肇慶市質量計量監督檢測所，廣東肇慶 526070；2.廣東省汽車配件產業計量測試中心，廣東肇慶 526070）

0 引言

隨著“智能制造”時代和工業4.0的快速推進，高精度和高效率已成為機械制造工業領域重要的追求目標。對機械設備及零部件尺寸的高精度、高效率測量是提高產品質量和生產效率的重要保證。在傳統的制造業中，常使用的尺寸測量方法有三坐標測量儀法，卡尺、直尺、塞尺等直接測量法，該類傳統的測量方法效率和精度低、測量工具功能單一、局限性大，無法滿足現代工業對復雜零件快速精準測量的要求。近年來國內外出現了多種測量效率高、精度高、測量功能齊全的現代化尺寸測量技術，該類新技術提高了復雜零件測量的精度和效率，是今后測量技術發展的重要方向[1－2]。

常見的零件尺寸測量方法分為接觸式和非接觸式，其分類如圖1所示。接觸式的測量設備主要包含有螺旋測微儀、三坐標測量儀、卡尺、塞尺等；非接觸式的測量方法主要有結構光投影測量技術、機器視覺測量技術、藍光測量技術、激光三角法測量技術和工業CT測量技術。

圖1 常見幾何尺寸測量方法分類Fig.1 Classification of common geometric measurement methods

1 結構光三維測量技術

如圖2 所示，結構光三維測量技術是通過光源投射出具有特定形狀圖案的結構光到被測量零件的表面，再通過電荷耦合器件圖像傳感器（CCD）捕獲零件表面所反射畸變的結構光圖案，經過數據處理即可重構出零件的三維形貌，實現對零件尺寸測量。結構光的特定形狀圖案主要有點陣光斑、光帶或者光柵等，其中結構光柵主要應用在零件的三維形貌重構中。結構光三維測量技術具有測量精度高、測量速度快等優點，在工業制造、逆向工程等領域具有廣泛應用[3]。

圖2 結構光三維測量原理Fig.2 Schematic diagram of structured light three－dimensional measurement

朱爽等[4]針對目前三維輪廓測量方法存在的測量精度低的問題提出了一種線結構光三維輪廓相位測量方法。該方法根據線結構光三維輪廓測量原理，計算出零件表面每點的相位差，再采用傅里葉變換方法獲取零件輪廓相位值，再構建出尺寸模型，實現了對零件三維尺寸的精密測量，該種測量方法可在4 s 內對零件尺寸高精度測量。伏燕軍[5]指出大尺寸零件很難一次性獲得其三維形貌，極易引起較大的條紋畸變而產生誤差。針對該問題作者提出了一種兼容性強、操作簡易的結構光柵周期矯正四步相移法的理論模型。該理論模型采用CCD 相機鏡頭校正模型，抵消了由鏡頭畸變引起的誤差。此外還通過在大尺寸零件表面粘貼標志點，獲取其三維坐標并由L－M 算法在全局坐標下實現三維圖像的拼接。并針對拼接處的重疊區域采用加權算法對其進行融合，經過驗證其測量誤差低于0.2 mm。同樣針對大型工件，陳思豪[6]通過引入線結構光平面，建立了視覺傳感器數學模型和多項式模型，提出了一種基于單目線性結構光三維掃描技術。該系統通過運動云臺實現對大型工件的全方位三維掃描重構，克服了雙目視覺三維掃描技術的操作復雜、速度較慢的缺點，且該系統尺寸測量平均誤差小于0.1 mm。結構光和近距離攝影結合的三維掃描測量技術通常需要在被測試零件貼上已編碼的標記貼，該種測量方式操作，XIAO YL[7]研究了一種基于逆向攝影的3D結構化光測量技術，該技術具有反向信息傳輸和狀態傳遞的優勢，從而避免了三維掃描測量過程中貼標記貼的繁瑣步驟，顯著提升了三維掃描的速率。

2 基于機器視覺的尺寸測量技術

機器視覺是通過視覺傳感器使機器具有類似人類視覺的功能，能夠智能地識別零件的形狀、尺寸、狀態等。機器視覺尺寸測量系統主要分為視覺識別系統和尺寸測量系統，其中視覺識別系統主要包含圖像采集器、圖像分析系統；尺寸測量系統主要由光源、測量軟件等組成。機器視覺尺寸測量技術能夠實現對零件的快速精準測量，已在工業生產中廣泛應用。

機器視覺尺寸測量精度受圖像處理算法影響較大，先進的邊緣識別算法可以提高測量精度。萬子平[8]提出了一種基于機器視覺的零件尺寸測量系統，該系統采用改進的Canny算法識別圖像邊緣，提高了數據的提取效率，實現了對零件輪廓尺寸的高精度快速測量。高茂源等[9]利用機器視覺系統對零件進行初步測量，然后采用HALCON 軟件對采集到的數據進行處理，再經過擬合運算得到零件的具體尺寸，其尺寸精度符合要求，測量效率顯著提高。陳為等[10]基于機器視覺原理，建立了CCD 相機成像模型，使用MATLAB 標定算法和HALCON 軟件對發生畸變的圖像進行誤差修正，獲得了高精度的圖像數據及測量數據，經過驗證該方法標定誤差小于0.3 mm，滿足使用需求。

齒輪是機械設備中重要的傳動零件，齒輪的尺寸精度直接影響動力傳輸效率和使用壽命，對其尺寸的高精度測量具有重要意義。傳統的齒輪檢測方法需要多種工具互相配合測量才能完成，且精度和效率較差。候恩光[11]基于機器視覺測量技術，采用多段圓弧擬合的處理方法提高了測量效率和精度。該方法首先利用CCD 相機獲取齒輪的圓弧、倒角、凹槽等部位參數，再對數據進行多段短圓弧擬合。最后采用理論計算、機器視覺測量和人工測量3種方法分別對齒輪的模數、公法線、齒距具體數據對比，發現采用機器視覺測量的數據精度滿足要求，效率顯著提升。劉晨[12]設計了對圓形齒輪的機器視覺高精度測量系統，該圓形齒輪測量過程主要為圖像采集預處理、特征提取、Hough 圓擬合以及角度測量。經過尺寸誤差分析，該測量系統誤差小，效率顯著提高。軸承是機械設備中重要的零件，傳統的軸承測量工具一般為機械式或者光學式，該類工具測量效率低、受人為操作影響大。韓亮[13]采用Sobel邊緣檢測算法，實現了對軸承內外徑數據快速精準的計算。該測量方法利用CCD相機和圖像處理器對零件圖像進行采集、降噪、二值化處理，經過處理后的圖像僅存在黑白2種形式，處理速度顯著提高。最后用最小二乘法擬合出軸承圓形尺寸的相關參數，采用該種方法測量的軸承內外徑尺寸與標準值相比方差約為0.000 1，具有較高的精度和穩定性。

3 藍光掃描測量技術

藍光測量技術具有掃描速度快、精度高、環境要求低等優點，已在汽車制造領域廣泛應用[14]。藍光測量技術分為全自動化藍光測量和人工輔助藍光測量。人工輔助藍光測量主要是通過人工手持藍光測量頭裝置逐步進行掃描，該方法受人為影響因素較大，精度較低。全自動化藍光測量設備通過機械裝置能夠實現對機械零件的快速掃描測量，測量精度高、適合連續批量測量。自動化測量設備主要由多個藍光測量鏡頭和投影鏡頭、機器臂、云臺等構成。其測量原理是利用特定模式的結構光投射到被測零件上，在零件表面上形成空間點云，多個藍光測量鏡頭能夠在極短的時間內捕捉投影鏡頭在所投射在被測工件表面上的二維畸變的點陣圖像信息，經過三維重構技術處理后即可獲得零件的尺寸信息。

孫凌霄等[15]對機械沖壓件沖壓現場的藍光測量系統進行了研究，研究表明藍光測量過程中存在耗時長、特征捕獲難、點云數據量龐大等問題。針對捕獲不到零件特征的問題，通過改變插入特征類型，使用反光貼增強零件不同部位的光反差，從而使傳感器快速地捕捉到邊界特征。針對數據點云過厚的問題，在零件表面全方位掃描之前，先計算出已掃描到的點云數據，再通過查漏補缺的方式進行補拍。經過對上述問題的優化處理，顯著提升了零件的尺寸測量效率。楊海龍[16]介紹了一種自動藍光測量系統在汽車模具制造過程中應用實例，該自動藍光測量系統搭載多種運動機構，能夠在較大的范圍內進行移動檢測，且能夠采集被測零件的高密度點云數據，還原出零件表面形狀細節，該藍光測量系統針對零孔、邊界線的測量，采用點云和照片相結合的獨特算法，顯著提高了測量效率和精度。

4 激光三角法測量技術

激光三角法測量技術可以快速、精準地獲取零件外形尺寸，廣泛應用于機械制造、汽車工業等領域。激光測量的硬件主要有激光傳感器、接收器、數據處理器，其測量原理是利用了光學成像的空間三角原理。激光器發射出的激光投射到零件輪廓表面時，傳感器能夠捕獲零件表面反射的激光，根據已知距離，處理系統計算出激光的反射角等參數即可得到零件三維坐標值。

燕必希[17]采用激光三角法和二維機器視覺測量技術結合的方法，實現了對多個高度零件的二維尺寸測量。該團隊首先使用激光三角法對不同平面進行測量，通過兩步結合實現了對處于不同高度平面尺寸的快速測量，測量結果與三坐標儀測試數據相比最大誤差小于0.08 mm。鑄鋼車輪及其他回轉體零件的傳統人工測量方法效率低，誤差較大。陳翰等[18]采用一種基于多個線激光傳感器二維輪廓旋轉掃描標定的方法，克服了常規激光傳感器無法實現旋轉掃描的缺點，實現了對鑄鋼車輪等回轉體零件的高效率、高精度測量。該方法可在20 s 內對鑄鋼車輪的尺寸進行測量，最大偏差低于0.08 mm，5 次測量的標準差在0.065 mm 以內。針對零件上小圓孔輪廓尺寸的測量難度較大的問題，劉源等[19]基于線激光三角法測量技術對標準件上圓孔尺寸進行了測量及誤差分析，首先把待測標準件放置在線激光三角測距傳感器的測試平臺上，僅設置圓孔周圍為目標區域，然后對圓孔三維點云數據進行采集處理，最后采用最小二乘和最小距離擬合法，實現了對小圓孔尺寸的高效精準測量。通過誤差計算分析，所測得小孔直徑的誤差僅為2 μm。倪亮等[20]介紹了激光測量儀在大尺寸構件測量中的應用，經過對扇形段空間坐標的測量，計算出不確定度在0.05 mm/m，在滿足測量精度要求同時，測量效率顯著提高，可實現對大型零件的尺寸進行高精度、高效率的測量。

5 工業計算機斷層掃描（CT）測量技術

工業CT能夠在不破壞零件完整性的情況下實現對其內外部尺寸的測量及缺陷定位，具有檢測精度高、不受被測零件結構的限制等優點，在無損檢測領域具有不可代替的地位。復雜零件多數含有封閉內腔及半封閉內腔，傳統的測量工具及方法無法實現對內腔結構的無損測量。工業CT發射出的X射線能夠輕易穿透零件，在不破壞零件完整性的前提下能夠對不同材料、不同密度以及不同形狀構造的零件進行精密測量。工業CT測量技術相對于其他檢測測量技術具有較大的優勢，被認為是未來最具有發展前景的尺寸測量技術之一。

工業CT測量技術在航空航天設備制造領域具有廣泛的應用，例如航空發動機葉片一般為空心結構，工業CT測量技術能夠直觀、精確測量出空心葉片內部尺寸參數。周瑩[21]采用了工業CT截面測量技術對航空發動機空心葉片壁厚進行了尺寸測量研究，首先采用工業CT 對渦輪葉片進行線性掃描，得到上千張斷層圖像，再利用三維可視化軟件根據斷層圖像進行三維結構重建，實現了對其渦輪葉片內部結構尺寸的測量，該種測量方法在獲取內部尺寸參數的同時，還可以得出葉片內部尺寸的變化情況。吳慶輝等[22]研究了超聲波檢測和工業CT兩種測量方法對空心渦輪葉片內部壁厚尺寸測量的精準度，并將渦輪葉片剖開直接進行測量的結果與上述兩種方法測量結果進行對比，對比結果表明工業CT測量方法的精度優于超聲波檢測法，且工業CT檢測法更便于存儲溯源。

圖3 工業CT檢測技術原理及三維重構Fig.3 Industrial CT inspection technology principle diagram and three－dimensional reconstruction diagram

謝家龍等[23]針對目前工業CT對零件內腔體積及內表面積測量過程中存在的噪聲抑制效果差、測量精度低等問題進行了改進。基于工業CT的魯棒統計尺度區域擬合模型的三維幾何參數測量技術，利用魯棒統計尺度區域擬合算法提取工業CT切片目標輪廓的坐標點，再利用拉格朗日線性插值坐標得到平滑的邊緣曲線，然后計算出內腔的體積及表面積，所得測量結果精度高于現有技術。橢球面鏡是聚焦X 射線的重要零件，但目前橢球面鏡的聚焦精度仍不能達到理想狀態，其聚焦精度取決于它的尺寸精度。Shimizu S 等[24]開發了一種通過工業CT高精度測量橢圓形形狀的方法，該種方法通過斷層掃描重構出橢球面鏡的三維形貌，再經過先進的算法擬合出其形狀參數，研究表明擬合出的輪廓參數與橢球面鏡的實際參數誤差在5 μm以內，遠低于現有技術平均誤差。

6 非接觸式測量技術對比分析

經過對上述非接觸式測量技術的總結分析，得出每種測量技術的優缺點及測量精度差別，對比結果如表1所示。

表1 測量方法優缺點及測量精度對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of measurement methods and measurement accuracy

7 結束語

加強對零件尺寸的精密測量和把控，提高設備精度和性能是實現從工業大國轉變為工業強國的重要舉措。對于復雜結構的零件來說，采用非接觸的測量技術能夠重構出零件的三維形貌，顯著提高尺寸測量精度和測量效率，相對于傳統測量技術具有較大的提升。本文對制造業中非接觸式尺寸測量技術進行了歸納和總結，指出了結構光、機器視覺等6種先進測量技術的原理、研究現狀及各種測量技術的特點。最后對幾種測量技術的優缺點和測量精度進行了分析對比，有助了解國內外測量技術的發展現狀及各自特點，從而促進了測量技術的快速發展。