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浅谈工业制造业中几何量测量技术及应用

发布时间:2021-06-24作者:admin来源:未知点击:

长度计量又称几何量计量,在计量学范畴中占有举足轻重的地位。几何量计量不仅仅是概念意义上研究长度测量、统一测量单位、有效保证测量值精确的技术,更是绝大部分物理量进行定量评定的信息体现形式。
 
当前,全球正出现以信息网络、智能制造、新能源和新材料为代表的新一轮技术革命。海量的数据要通过软件及控制系统才能指导生产,帮助传统制造逐步走向智能制造。而在制造过程中,几何量数据的获取主要依靠的就是各类传感器以及几何量测量技术。根据智能制造的指导原则“动态感知、实时分析、自主决策、精准执行”的要求,几何量数据不但需要提取,而且更要在实现自动化甚至智能化的基础上提取,以便于对数据进行分析及利用,这也就对智能制造中几何量测量技术的选择提出了更高的要求。
 
1 微纳米测量技术
微纳米测量技术是一种实用的纳米精度坐标和形貌综合测量技术,主要应用载体为微纳米测量机,又称纳米三坐标。微纳米测量机的测头传感器由一个专门的、带宽为数千赫兹的高速电子控制系统驱动,通过闭环控制向待测件运动,直至达到理想的信号值,这时位置信息以坐标数据信息存储下来。测头传感器继续运动,在任意位置都可以实现1nm增量的闭环控制。同时,在X、Y和Z三轴方向都可以实现厘米甚至更大的运动行程。其测头传感器是一个小的MEMS器件,用来监测测针和待测件之间的距离S。当这个距离S小于10nm时,测头传感器检测到测针和待测件之间的范德华力。在此测量过程中,测针跟待测件没有接触,因此对待测件表面没有任何损伤。
 
当前,纳米测量技术已广泛应用于超精密机械加工、MEMS器件、半导体微电子加工、光学、分子生物学和精密工程。该技术目前主要向两个方向发展:
 
(1)在传统的测量方法基础上,应用先进的测量仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测量技术,提出改进的措施或新的测试方法。
 
(2)发展建立在新概念基础上的测量技术,利用微观物理、量子物理中最新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。
 
但纳米测量中也存在一些问题限制了它的发展。建立相应的纳米测量环境一直是实现纳米测量亟待解决的问题之一,而且在不同的测量方法中需要的纳米测量环境也是不同的。同时,对纳米材料和纳米器件的研究和发展来说,表征和检测起着至关重要的作用。由于人们对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解得还不很充分,使其在设计和制造中存在许多的盲目性,现有的测量表征技术尚存在一些问题亟待解决。
 
2 影像测量技术
影像测量技术是以传统投影测量技术为基础,结合了不断发展的CCD高像素感光摄像技术、计算机软件技术发展而成的一种非接触测量技术,主要应用载体为影像测量仪,又被称作二次元影像仪。
 
影像测量技术是以CCD数位影像为基础,基于计算机图像测量技术和空间几何运算的强大软件能力进行工作。影像测量仪计算机在安装上专用控制与图形测量软件后,便有了具有软件灵魂的测量大脑。作为整个设备的主体,可以迅速读取光栅尺的位移坐标值,通过控制软件模块运算瞬间得出所要的结果,同时还可以在软件界面上产生图形,供工作人员进行图像比对,从而能够直观地分辨测量结果的偏差。
 
影像测量技术的原理是根据产品的实际形状去扫描绘制出产品的轮廓和表面的几何形状,从而直接标注出待测件相关尺寸或是通过软件的辅助绘图功能完善产品形状后标注尺寸。尽管待测件的视频影像是经过高倍率放大后的影像,但是通过软件算法处理后标注出来的几何尺寸为待测件的真实尺寸。
 
影像测量仪器具有精度高、人为误差小、功能强大以及高速测量等特点。这种仪器综合了电子显微镜高放大倍率、高清晰影像和制图软件尺寸标注功能,加之控制软件逐渐完善的智能轮廓和表面形状的识别技术,使该仪器拥有较高的精度和较小的人为误差,因此影像测量仪的测量精度可达到微米级别。
 
3 机器视觉技术
机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置,分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,得到被摄目标的形态信息,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
 
机器视觉技术的特点是提高生产的柔性和自动化程度。机器视觉来替代人工视觉主要适用于一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合;而在零部件大批量生产过程中,通过人工视觉来检验产品不但效率低且精度不高,而用机器视觉检测方式可以极大提高生产效率、准确性以及自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成,是实现智能制造的基础技术。
 
当前,机器视觉主要依据CCD照相机将被检测的目标转换成图像信号进而通过各种运算来抽取目标的特征,例如面积、数量、位置、长度等,再根据预设的评定准则和其他条件输出判定结果,包括但不限于尺寸、角度、个数、合格/不合格、有/无等,从而实现自动识别的功能。其主要应用在半导体及电子行业,另外在制药、包装、汽车制造、纺织、烟草、交通、物流等,用机器视觉技术取代人工,可以提高生产效率和产品质量。
 
4 在线测量技术
在线测量技术原理主要是基于数控机床的平台基础上,利用测头与待测件的触碰来确定接触点的位置坐标。在线测量系统主要由触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成,是数控机床在线检测系统的关键部分,直接决定在线检测的几何精度。由于利用了机床数控系统的功能,又使得数控系统能及时得到检测系统反馈的信息,从而能及时修正系统误差和随机误差,以改变机床的运动参数,更好地保证加工质量,促进加工测量一体化发展的测量技术。
 
在制造业,企业多在成品检验和工序环节通过三坐标测量机进行质量控制,即所谓的离线检测。而在数控机床上使用测头进行在线测量,既可方便工件的装夹找正,又可减少工件的周转以及因超差返修造成的多次装夹。同时也增加中间环节的质量控制手段,减少了某些特殊工装的设计和制造,可以大大缩短辅助时间,提高生产效率,提高产品的一次合格率,这样既降低了生产成本,又加快了零部件的加工效率。主要应用于涉及数控机床、加工中心、专机等数控加工行业。
 
5 关节臂测量技术
关节臂测量技术主要应用载体为关节臂测量机,又称便携式三坐标。该仪器是指在测量机的关节和臂身处分别设置由角度传感器、温度传感器、应变传感器以及单片机组成的智能传感器单元,各传感器单元由总线进行连接,并通过通讯接口与计算机进行通信。单片机完成各个传感器数据的采集并将数据上传到计算机,计算机程序由虚拟仪器开发平台完成,实现与单片机间的通信和数据处理,并通过动态链接库将坐标数据传送到测量软件进行处理。
 
便携式三坐标相对于三坐标测量机来说具有轻便易携带、功能齐全、测量范围宽广等特点。该仪器广泛应用于汽车整车及零部件、模具、航空航天、造船、汽轮机、重机以及其他机械加工行业。
 
6 三维扫描技术
三维扫描技术主要通过非接触方式采集待测件表面的点云,采集的点云可用来拟合成物体的表面形状。通常采集的点云越密集,创建三维模型越精确。先进的三维扫描技术还能够获取待测件表面颜色,可进一步在重建的表面上粘贴材质贴图等元素。另外还有一种数据获取方式是通过工业摄影测量的方式,即通过相机摄影获取待测件的光学信息,经过测量平差计算处理得到待测件的空间坐标,再通过计算机数字图像处理、影像匹配、三角测量及平差计算等一系列处理后得到待测件精确的三维模型。
 
三维扫描技术有相当广泛的用途,主要包括工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等行业都可应用。三维扫描技术有很多种,各种不同的重建技术都有其优缺点,也就决定了其应用领域。目前并无统一的重建技术,仪器与方法取决于物体的表面特性。例如光学技术不易处理高亮、镜面或半透明的表面,而激光技术不适用于脆弱或易变质的表面等等。
 
7 坐标测量技术
坐标测量技术,即任何形状都是由三维空间点组成的,所有的几何量测量都可以归结为三维空间点的测量,因此精确地进行空间点坐标的采集,是评定任何几何形状的基础。具体测量时是将待测件放入测量机允许的测量空间范围内,精确地测出待测件表面的点在空间三个坐标位置的数值,将这些点的坐标数值经过计算机处理,拟合形成测量元素,如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等,经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。
 
坐标测量技术主要应用载体为三坐标测量机(CMM),是一种具有可做3个方向移动的探测器,可在3个相互垂直的导轨上移动,此探测器以接触或非接触等方式锁存信号,3个轴的位移测量系统经数据处理器计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项几何量误差的仪器,又称为三坐标测量仪、三次元等。该仪器测量功能包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等几何量测量。主要用于机械、汽车、航空、军工、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量,还可用于电子、五金、塑胶等行业中,可以对工件的尺寸、形状和位置公差进行精密检测,从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。
 
8 激光跟踪测量技术
激光跟踪测量系统的原理:在目标点上安置一个发射器,跟踪头发出的激光射到发射器上,又返回到跟踪头,当目标移动时,跟踪头调整光束方向来对准目标。同时,返回光束为检测系统所接收,用来测算目标的空间位置。简单地说,激光跟踪测量系统的所要解决的问题是静态或动态地跟踪在空间中运动的点,同时确定目标点的空间坐标。激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头(跟踪仪)、控制器、计算机、反射器(靶镜)及测量附件等组成。
 
激光跟踪测量系统主要应用载体是激光跟踪仪,激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术,对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。该仪器具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点,适合于大尺寸工件配装测量。
 
激光跟踪仪在汽车、航空航天和通用制造领域工装设置、检测和机床控制与校准中应用普遍。但由于激光跟踪仪是利用激光测距,需要说明的是,角度编码器随着距离的加大带来的位置误差也很大,所以跟踪仪本身存在一定的角度误差;另外激光本身受大气温度、压力、湿度及气流流动的影响,所以大气参数的补偿对此仪器的正常使用十分关键。
 
9 结束语
综上所述,根据不同几何量测量技术及其主要载体工作原理及应用范围,笔者为便于广大检测工程师及相关工程技术人员对不同仪器选择及应用,梳理其对比明细表如表1及图1所示。主要通过其测量精度及工作范围进行选择。并附有应用行业更是便于根据自身工作需求进行参考使用。而依据该表所绘制的标尺图可使几何量测量仪器应用范围一目了然,便于读者参考借鉴使用。
 
图1 看几种常用几何量测量技术关系图
 
表1 基于现行工艺方案改进的试验数据表     下载原表

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