幾何量檢測中非接觸式測量技術的應用研究

摘要：隨著我國機械零件精密度的逐步提高，對機械制造中的幾何量檢測工作提出了更高要求。通過對非接觸式測量技術的運用，不僅可以提高測量精度，還能減少安全隱患的發生?；诖耍疚闹攸c分析激光測距法、視覺測量法、結構光法、光學干涉法、工業CT法等非接觸式測量技術的應用，并對其技術進行分析與展望。旨在充分發揮非接觸式測量技術的優點，不斷提高其技術水準，助力幾何量檢測工作的順利開展。

關鍵詞：幾何量檢測，非接觸式測量技術，視覺測量法，光學干涉法

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.18.031

0引言

幾何量檢測作為高精度機械加工中的重要環節，對測量技術的使用至關重要。傳統測量技術為接觸式測量，不僅測量速度慢，還易導致被測物出現損傷。此外，因部分零件的尺寸問題，增加測量難度?；诖?，測量人員應運用非接觸式測量技術進行幾何量檢測，不僅可以提高測量工作的效率，還能實現無接觸檢測，避免對被測物造成損壞。非接觸式測量技術可以適用于各種零件尺寸，有效提高測量精度，進一步提高幾何量檢測質量。

1幾何量檢測中非接觸式測量技術的應用

1.1激光測距法

激光測距法作為幾何量檢測中的重要手段，主要通過激光脈沖進行距離測量。激光測距系統主要包括激光發射設備、接收設備、控制系統等核心組成部分。激光測距法的測量精度較高，且具有較強的抗干擾能力，可應用在大型部件測量、復雜零件型面測量以及不規則部件測量工作中。此外，激光測距法還能進行大量程測距，應用范圍極其廣泛。因增材制造零件具有結構復雜、表面質量差的特點，可通過激光測距法進行幾何量檢測，能夠測量零件的外部尺寸和內部幾何參數，得到零件輪廓偏差，應用效果極佳。對航空發動機葉片而言，因其葉片較薄，且具有較大的空間扭轉量，對檢測工作帶來巨大困難。測量人員可通過激光測距法測量其型面尺寸，有效解決測頭半徑補償誤差問題，還能避免對葉片表面造成損傷。

1.2視覺測量法

視覺測量法以視差原理為基礎，通過某一點在兩副圖像中對應點的位置差來計算距離，從而得到此點的空間三維坐標，如圖1所示。

視覺測量法可運用一到多個攝像系統進行拍攝，生成二維圖像，從而獲取距離信息，并形成被測物體的三維圖像。與傳統測量技術對比，視覺測量法不僅具有較高的測量效率，還具備高分辨率，應用范圍較廣?，F階段，二維、三維視覺測量技術受到業界關注。二維視覺測量系統主要包括光源、相機以及鏡頭等部件，拍攝被測物體，可實現被測物到圖像的信號轉換。同時，通過圖像處理技術可得到被測物體的幾何量參數，并與零件設計圖進行對比和判斷。三維視覺測量技術需要以雙目立體標定與校正工作為前提，利用相似三角形的性質獲取相關信息，進而獲取兩攝像機公共視域內空間物體特征點的三維坐標。不僅可以獲得測量距離，還能掌握被測物體的尺寸。三維視覺測量技術的測量效率與精度較高，主要應用在工業三維幾何量檢測、逆向工程等領域。此外，j維視覺測量技術還能進行產品檢測，例如，可利用三維視覺測量技術檢測凸輪外部輪廓，檢測零件是否存在缺陷，測量零件尺寸等，有效減少人工檢測帶來的誤差，為工業生產助力。

1.3結構光法

結構光法以三角法為基礎，運用單、雙目相機工具，將其與光柵投影單元進行結合，通過掃描被測物體進行測量。測量人員可采用普通白光或單色光作為光源，對正弦光柵條紋進行照射，將光柵投影到被測物體表面，利用相機進行拍攝，采集變形條紋，并根據變形條紋的灰度值變化情況計算被測物體的空間坐標。單日結構光測量系統包括一個CCD相機、投影儀與圖像采集卡等組成部分，而雙目結構測量系統含有兩個CCD相機，相機的設置角度不同，從不同角度拍攝光照后的被測物體，從而計算出該物體的具體空間信息。雙目結構測量技術應用范圍較廣'既可以測量尺寸為幾毫米的零件，又能測量幾十米的大尺寸部件，在航空航天、汽車生產制造等領域具有廣泛應用。

1.4光學干涉法

光學干涉法以光的干涉為原理，利用分光鏡將光源發出的光分開，形成兩束光。其中一束光照射到被測物體表面，此光被稱為測量光。另一束光通過參考鏡形成反射光，與被測物體表面反射的光交匯，形成干涉條紋，并利用干涉條紋相位信息獲取被測物體信息。光學干涉法可分為激光干涉測量技術與白光干涉測量技術，其中，激光干涉測量技術中的光源為窄帶激光，通過驅動參考鏡進行干涉圖相位的改變。此技術需要以相位解算法為基礎，因此，光學干涉法只能對連續、接近平面、光滑的物體表面加以測量。白光干涉測量技術是利用白光的于涉現象形成干涉條紋，通過光程差與光強之間的函數關系，可得到被測物體表面的相關數據。白光干涉測量技術可以對臺階高度進行測量，還能測量被測物體表面紋理，檢測平面度與曲率，檢測磨痕深度與零件表面的粗糙程度，分辨率高達RMS 0.05 nm。

1.5工業CT法

工業CT結構主要包括射線源、機械載物臺、探測器等組成部分，射線源發出X射線并穿過機械載物臺的被測物體，通過探測器接收穿過被測物體的X射線。通過探測器可以進行射線強度的記錄，并將獲取的數據信息傳輸到計算機，經過數據的處理，可以得到被測物體斷層截面的掃描圖像，為被測物體的評估工作奠定基礎。工業CT的結構原理如圖2所示。

工業CT法測量精度高，可以進行渦輪葉片的測量，通過數據重構獲取葉片壁厚尺寸。工業CT法測量工作無需拆卸，可在不損壞被測物體的基礎上，呈現其內部構造關系，獲取尺寸信息，測量效果良好。

2非接觸式測量技術的分析與展望

通過對上述五種非接觸式測量技術的介紹發現，激光測距法與結構光法均可應用于曲面類型部件的幾何量檢測工作中。二者的測量精度較高，皆可達到0.02 nm。結構光法的測量效率高于激光測距法，但限于光滑表面的部件測量。光學干涉法的測量精度較高，但僅限于測量表面變化微小的零件，無法測量曲面零件。視覺測量法測量效率高，但無法在亮度低的環境下測量。工業CT法測量精度高達0.01 nm，可以測量任何形狀零件的內部結構。但涉及大量的數據采集工作，工作效率較低。

針對非接觸式測量技術存在的不足進行展望：其一，在提高測量精度的基礎上，避免環境亮度對測量工作的影響。其二，加強對非接觸式測量技術的集成，實現一機多用，擴大非接觸式測量技術的應用面。

3結語

綜上所述，激光測距法、視覺測量法、結構光法、光學干涉法、工業CT法等非接觸式測量技術的應用極為廣泛，可以在航空航天、零件加工、輪船生產等領域的幾何量檢測中發揮巨大作用。非接觸式測量技術具有測量精度高、檢測效率快等優點，但仍存在諸多不足，相關部門人員應進行技術創新，助力幾何量檢測行業發展。

作者簡介

孫文斐，碩士，高級工程師，研究方向為幾何量計量、醫學計量。

（責任編輯：劉憲銀）