論非接觸測量技術應用在機械檢測上的必要性

房振峰,劉昆,檀學瑩

(機科發展科技股份有限公司,北京 100044)

論非接觸測量技術應用在機械檢測上的必要性

房振峰,劉昆,檀學瑩

(機科發展科技股份有限公司,北京 100044)

非接觸測量技術在近年來受到了十分廣泛的應用,本文介紹了部分非接觸測量技術的基本原理,闡述了這幾種非接觸測量技術的優缺點及發展趨勢,并舉例分析了圖像測量技術在機械檢測上的必要性.

非接觸測量;圖像測量技術;機械檢測

幾何結構和尺寸大小是機械零件的基本參數,當零件生產結束后,對零件形狀尺寸和表面的檢測是保證產品質量的重要環節.隨著現代工業的發展,機械零件的結構越來越復雜,尺寸的精密度越來越高,傳統的檢測方式的精確度已無法達到檢測這些零件的需求,于是非接觸測量技術出現.

非接觸測量技術分為光學法和非光學法兩大類,其中光學類主要有結構光法、激光三角法、激光測距法、干涉測量法、圖像分析法;非光學類主要有聲學測量法、磁學測量法、X射線掃描發和電渦流掃描法.下面對這兩大類非接觸測量技術的技術原理和優缺點舉例進行闡述.

1 非接觸測量技術的發展現狀

1.1 光學法

首先要介紹的是結構光法,這是最早期的非接觸測量技術,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生變形,將變形后的光柵圖形用計算機記錄,并通過函數程序將獲得的圖形參數進行逆向處理,從而得到被測物體的立體圖形.這種非接觸測量技術主要被應用于早期的數學建模,也是圖像處理技術的基礎.結構光法的優點顯而易見,函數編寫相對容易、系統搭建成本低、檢測過程快速簡單、操作便捷,它的缺點就是精確度低,只能大概的檢測大型被測對象的結構,對于結構復雜的機械零件,結構光法測量技術難以勝任.

隨著非接觸測量技術的發展,激光在光學非測量技術中得到了廣泛應用.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,經過物體表面的折射后在采集器上形成新的圖像,當被測物體產生位移后,其圖像也會產生相應的位移,然后通過折射圖像的位移計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散性,于是激光又被應用于測距.激光測距法是將激光點由發射源發出,遇到物體后發生反射由原路返回到接收端,通過檢測接收激光的發散程度來計算發射點與被測物體之間的距離.經過各國學者的深入研究,隨后還出現了干涉測量法和圖像分析法.

1.2 非光學法

聲納技術其實就是一種聲學非接觸測量技術,主要應用于測距.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射,經過一定時間后接收到反射波,通過發射波和反射波的時間差來計算發射器與被測物體之間的距離.聲學非接觸測量技術的優勢在于聲納系統早在17世紀80年代就已誕生,得到了100多年的發展,如今技術已經十分成熟,手持精密儀器早已誕生,超聲波由于其頻率高、傳播距離遠的特點被沿用至今,但是聲波受介質影響很大,測量準確度難以保證,所以聲學非接觸測量技術注定有所局限性.另一種為磁學非接觸測量技術,即核磁共振,目前主要應用于醫學領域.

1.3 圖像測量技術

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

2 圖像測量技術在機械檢測中的應用

圖像測量技術結合了圖像處理技術和測量技術,目前該技術雖然能大幅度降級人力成本,具有極高的測量速度和測量精度,在短期內可為企業生產帶來一定的經濟效益.但從長期角度來看,該技術的軟件開發困難,一套圖像測量系統只能針對一項測量技術或者只能針對一個產品結構,當產品進行升級改動時,原有的圖像測量系統很難兼容.縱然如此,圖像測量技術在機械檢測中仍是不可替代的.

2.1 尺寸測量

尺寸大小永遠是機械零件的最重要參數,尤其是隨著高精度儀器儀表的發展,很多零件的尺寸需要精確到微米等級,這是任何機械儀表都無法檢測的.對于這種高精度機械零件,我們只能借助圖像處理技術進行檢測.于是,國內外很多研究機構都開始聚焦于圖像測量技術.

2.2 表面測量

除了尺寸大小,表面質量是機械零件檢測的另一個重要標準.零件在生產的過程中難免會有所磨損,這種磨損是不可避免的,即使生產過程再小心,哪怕只是無意間輕微的觸摸都會對零件造成磨損,這會對很多高精密儀器造成誤差.

機械零件在制造的過程中由于溫度的原因其材料表層會產成肉眼無法觀測的裂紋,大部分裂紋極其細小,不會對產品造成任何影響,可以忽略不計,但裂紋達到一定程度則會影響產品質量.這些裂紋借助光學儀器也很難判別其是否影響產品質量,直到非接觸測量技術的出現該問題才得以解決.對于這種測量,圖像測量技術完全可以達到測量要求,將表層圖像放大處理后鑒別裂紋長度、寬度及深度,綜合判斷產品品質.

還有些零件的工作環境要求零件表面具有一定的摩擦力,因此在生產過程中會為這類零件表層刻畫紋理,在圖像測量技術成熟之前,如何檢測這類零件表層摩擦力是否過關一直是個難題.現在將紋理掃描處理后,由后臺函數進行計算后甚至可直接給出表面摩擦系數,可見圖像測量技術在機械檢測中的作用是不可替代的.

3 非接觸測量技術存在的不足

非接觸測量已經逐漸成熟,但仍有很多地方需要改進.首先,非接觸測量系統的成本高昂,尤其是高精度測量系統,采用的大多是高精密傳感器元件,造價高昂,小企業很難負擔.其次是非接觸測量系統局限性高,很多系統對工作環境具有很高要求,如光學非接觸測量系統工作是不能有強光干擾,否則一方面對測量結果有所影響,另一方面可能還會對測量系統本身儀器造成損傷;聲學非接觸測量系統受超聲波的局限性,測量精度低,容易受介質和溫度的影響;磁學非接觸測量系統無法對金屬進行檢測,完全不可以用于機械檢測;而發展相對成熟的圖像測量技術也有其不足,測量形式單一,函數系統復雜難以調整,需要對其優化升級.

4 非接觸測量技術的發展趨勢

高精度、高準確性是任何系統都在不停嘗試的目標,非接觸測量技術也不例外.目前圖像測量的機械檢測已經達到微米級別,下一步將要向納米級別過度.想要提高非接觸測量技術的精確度,除了非接觸測量技術本身,其用到的高精度傳感器元件也需得到相應的發展,以適應非接觸測量技術發展的步伐.

提高非接觸測量技術的集成度,開發更簡潔的函數系統.現在的非接觸測量系統的測量參數都十分單一,而且同一個系統無法進行測量參數的轉換,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系統甚至同時進行,將是下一個重要課題.

5 結語

隨著現代化工業的快速發展,非接觸測量技術的應用將更為廣泛.在機械檢測領域,機械零件的結構將越來越復雜,精度將越來越高,逐漸進入到納米層次,而圖像檢測技術是目前唯一能夠有效對進經行檢測的技術,只有圖像檢測技術得到發展,才能為機械零件精度進入納米級提供質量保證.

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

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1671-0711(2017)11(下)-0073-02