随着科学技术和工业生产的迅猛发展,许多领域越来越多地提出了对三维工件尺寸和形状参数测量的要求。目前人们虽然已经成功地开发出许多种测量方法及仪器,但是由于它们都存在成本、测量范围、测量精度及测量速度等多方面的限制,还不能满足科技和生产发展的需要。本文针对国内外的发展现状,对现有的三维工件测量方法进行概述,指出它们存在的优缺点,并根据需要对它们的发展趋势进行了预测。
1 接触测量法
1.1 三坐标测量机
三维接触式测量方法是由传统的探针式的接触测量方法发展而来的,目前三坐标测量机是该方法发展的成功典范和主要的使用工具。三坐标测量机是近几十年来发展起来的一种多功能的测量仪器,是一种高精度、综合性很强的几何量测量设备。它以精密机械为基础,综合应用了精密仪器设计、电子技术、计算机技术、软件应用技术和传感技术等高技术成果,能对三维复杂工件的尺寸、形状及其相对位置进行高精度测量。
三坐标测量机一般主要由主体结构、测长系统、坐标显示装置、计算机、测头系统,以及打印机、显示器等终端设备几大部分组成。其相互关系如图1所示。其中测头通过机械结构与测量主体固连,测头信号直接与坐标显示系统相连,测头通过这两部分与测量机其他部分协调配合完成测量任务。
1.2 三坐标测量机的发展现状、优缺点及趋势分析
1.2.1 测头系统的发展
在三坐标测量机中,直接实现对工件测量的部件是测头,它直接影响测量机的测量精度、操作的自动化程度和检测效率,因此各国研制生产坐标机的厂家和科研人员都要花费较多的精力研究高性能的测头。三坐标机测头可视为一种传感器,只是其种类、结构原理、性能较一般测头复杂得多。
随着光电技术的进步,出现了综合光学和接触式测头的优点的光学接触式测头[1,2],它对测量微型工件特别是微型孔径有显著的优点。其主要原理是通过光学成像系统和CCD摄像机来确定探测球体的位置。图2为测头系统原理图,将传光光纤3拉伸、弯曲,作为“测杆”置于光学放大系统的光轴上,在其前端粘有或利用热熔化的方法形成的微型触测球体。微型触测球体被调整到光学系统的物平面上,并由光纤的另一端的冷光源4照明,通过光纤传光照亮“测杆”前端的触测球体。被照明的触测球体通过光学放大系统成像在CCD上,形成亮斑,当系统触测微型工件5时(触测球体相对于CCD移动),亮斑的位置发生变化。光斑中心位置的变化可利用图像处理软件以亚元素的精度计算出来,则工件空间的坐标值可由三维CNC控制运动单元和亮光斑的位置的变化综合给出。系统测量时的触测到位信号由图像处理单元对亮光斑中心位置实时给出,当触测球体没有接触工件时,亮光斑的中心位置相对于CCD是不变的;当测球触测工件时,亮光斑的中心位置发生变化,当它的变化超过一定阈值时,发出触测到位采样信号,并可进行位移补偿。所给阈值的大小根据测量力的大小而定,一般情况下要求测量力小于10μN。
确定亮光斑中心在CCD摄像机基准坐标系中的坐标值是该测头系统的关键。图像处理软件首先对采集图像进行预处理,然后利用边界条件对亮光斑的轮廓进行判别,确定亮光斑轮廓在CCD摄像机基准坐标系坐标值,最后利用最小二乘法根据亮光斑的轮廓计算出亮光斑的中心坐标和直径值。理论上讲,若采用10倍的物镜系统,CCD像素间距为10μm,则光学系统标尺应为1μm /像素。当亮光斑在CCD上所成的像多于100个像素时,可以利用亚像素插分优化算法确定边界,光斑的轮廓确定精度可达1/10个像素,即0.1μm。而通过最小二乘法的综合平均效应,光斑中心位置的横向分辨率可达0.02μm,光斑直径的不确定度可达0.01μm。
该测头系统的显著优点是测量参照基准是CCD摄像机传感器,测头测杆与CCD摄像机传感器没有力的传递,因而测杆的弹性或塑性变形不会带来触测不确定误差。此外,因工件表面吸附水膜引起的测头与工作表面的粘附效应对测量结果也没有影响。所以,利用此方法,测杆可以相当细(最细可达20μm),测头直径可以相当小(最小可达40μm),这也是该系统特别适于测量微型工件的原因。
另外,近年来还开发出了声学接触式传感测头[1],该测头系统由其中一边带有玻璃光纤探测器的音叉组成,并与近场声学传感器相连。其采用了接触工件表面时由于振荡抑制而产生的转换效应,这里就不对其作详细介绍。
1.2.2 三坐标测量机优缺点及发展趋势
三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器,有其显著的优点,包括:①灵活性强,可实现空间坐标点位测量,方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数;②测量精度高且可靠;③计算机的引入,可方便地进行数字运算与程序控制,有很高的智能化程度。然而,三坐标测量机也有其自身的不足。首先是价格昂贵,即使是国产的试验用精度不太高的小型测量机也需几十万元,进口的稍好的就需要几百万甚至上千万元;其次是测量效率较低,由于现在的三坐标测量机还是逐点依次测量,测量速度较慢。三坐标测量机要在科技发展和生产中获得更为广泛的应用,一是要逐渐降低其成本,再就是要向智能化、精密化、快速与数控方向发展。就其测头的研究而言,①要研究开发结构简单、新型、高精度的三维测头,特别是适应于测量微型工件测微测头和适用于高速测量的测头。②发展测头附件,扩大坐标机的功能。③发展非接触测头,提高测量精度,扩大量程和使用范围。
2 非接触测量法
2.1 非接触测量方法概述
用非接触法测量三维工件方法主要是指光学方法。传统的接触测量方法中有测量力的存在,测量时间长,需要对测头的半径的补偿,不能测量软质材料等局限,而光学非接触测量技术比较成功地解决了上述问题,以其高响应、高分辨率而倍受重视。随着各种高性能器件如半导体激光器(LD)、电荷耦合器件(CCD)、COMOS图像传感器、位置敏感器件(PSD)等的出现,光学非接触测量技术得到快速地发展。近年来,各种光学测量技术在其特定的领域都取得了很大发展,本文对其中一些主要的方法进行阐述。
2.1.1 干涉测量法
干涉测量法是利用光的干涉原理对物体进行测量的,它的基本思想是通过改变与被测物体形状光学位相相关的灵敏度矩阵形成干涉条纹。随着激光技术的发展,出现了双光束干涉、多光束干涉、外差干涉、全息等多种方法。传统的干涉测量法的特点是测量精度高,达到nm级,但测量尺寸范围小,对环境要求苛刻。而近期的研究表明双频外差干涉测量在100 m范围内可以获得0.1 mm的分辨率[3],并出现了受机械干扰很小的sherography法和锥光镜全息法。
2.1.2 飞行时间法
飞行时间法的原理是基于测量激光或其他光源脉冲光束的飞行时间进行点位测量。在测量过程中,物体脉冲经反射回到接收传感器,参考脉冲穿过光纤也被传感器接收,这样会产生时间差,就可以把两脉冲时间差转换成距离。飞行时间法典型的分辨率在1 mm左右,采用由二极管激光器发出的亚毫秒脉冲和高分辨率设备,可以获得亚毫米级的分辨率。由文献[4]得知,采用与时间相关的单光子计算方法,在1 m远测量深度重复性优于30μm。综合利用数字重现技术和Littrow[5]装置,其深度分辨率可以达到6.5μm。
2.1.3 激光扫描法
该方法采用了光学中著名的三角关系,其典型的测量范围是±5 mm到±250 mm,相对测量精度是1:10 000,测量频率为40 kHz或者更高。用电
荷耦合器件(CCD)或者位置敏感器件(PSD)进行数字点激光图像采集。如采用PSD,测量精度主要依赖于PSD上图像的精度,聚束点反射和散射光也是影响测量精度的重要因素。Idesawa采用高精度多变化的镜面隧道位置传感技术和混合位置灵敏探测器研究出一些提高PSD精度的方法[6]。由于基于敏感元件的CCD避免了聚束点反射和散射光,并且单个像素的分辨率高,所以采用CCD可以得到更高的测量精度。影响测量精度的另一个因素是被测物体的表面特征与定标面的差异。一般来说,为了保证较高的测量精度,定标应该在与被测物体表面相似的表面上进行。最近研究表明共焦技术可以允许表面颜色和透明度的变化以及无定标的不规律性。
2.1.4 摩尔条纹测量法
自Meadows等于1970年提出摩尔轮廓法以来,在此基础上提出了影像(Shadaw)摩尔法、投影(Projecion)摩尔法、扫描摩尔法以及这些方法的改进方法[7]。摩尔条纹技术的关键是两个光栅,一个是主光栅,另一个是参考光栅。参考光栅可以产生轮廓干涉图样,由CCD摄像机分辨。影像摩尔法的特点是原理简单、精度较高,但由于制造面积较大的光栅很困难,所以该方法适用于小物体的测量。投影摩尔法是将光栅投影到被测物体上,然后在观察侧用第二个光栅观察物体表面的变形光栅像,这样就得到摩尔条纹。分析摩尔条纹便可得到物体高度信息,该法的特点是适合于测量较大的物体。扫描摩尔法是用电子扫描光栅和变形像叠加生成摩尔等高线,它的优点是利用现代电子技术,可以方便地改变扫描光栅栅距、位相等,生成不同位相的摩尔等高线条纹图像,便于实现计算机自动处理,但缺点是需要扫描机构,数据获取速度低,稳定性差,对噪声敏感[8]。
2.1.5激光散斑截面图样测量法
该方法把光波频域和空间域之间的三维傅立叶变换关系用于测量物体的三维轮廓。激光雷达三维成像,也称为散斑图形采样法,是利用探测平面光场对应于物体三维傅立叶变换的二维限波原理,通过改变激光的波长获得物体三维傅立叶变换的另外两个二维限波。在每个不同的激光波长上,使用CCD阵列探测光斑图样,把每帧图像综合起来得到三维数据阵列。把三维傅立叶变换应用到该数据阵列,可以获得物体的三维形状。该方法测量范围可以从一个微米到数米,测量精度与测量范围紧密相关。采用最新的激光技术,在10 mm的测量范围内,可以达到1~10μm分辨率,测量不确定度可
以达到0.5μm[9]。该技术的优点是测量范围具有高度的灵活性和不需要传统干涉测量法中的相移,不足之处是对于相对较大的形体测量,采集不同波长的图像花费时间较多。
2.1.6 摄影测量法
典型的摄影测量法采用立体视觉技术测量物体的三维形状,摄影测量法主要用于特征型三维尺寸测量,它通常必须做一些明亮的标记,如在被测物体的表面上贴一些反射点。一般各种模型都是在传统的针孔模型基础上扩展发展起来的,复杂的高精度的计算还要求考虑透镜的畸变。模型建立起来后,要实现物体的三维测量,就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)和外部参数(两摄像机的位置关系及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系)。因此,在测量前,要进行定标,完成内部参数和结构参数的标定,一般来说是采用精密定标靶,通过摄像机的像面坐标及三个空间坐标系的关系求得这些参数。在确定好测量模型后,就要设计算法,一套典型的摄影测量算法包括:(1)摄像机参数和传感器模型;(2)图像预处理和特征提取;(3)特征匹配;(4)三维尺寸计算等。其中特征匹配是立体视觉算法中最为复杂的一环,如何快速准确地完成特征匹配一直是计算机视觉技术中亟待解决的问题。一般来说,摄影测量法的精度较低,且被测物的形状比较简单。文献[10]中,采用了事先确定摄像机的部分不易变化的参数,其他参数在摄像机安装到整个系统后进行现场标定,试验结果表明,该方法能获得0.05 mm的空间精度。在文献[11]中把透镜的径向和切向畸变都考虑进去,得到了0.025 mm的精度。显然对于高精度的测量,透镜的切向畸变和径向畸变都是不可被忽略的。为了提高摄影测量法的测量精度,科技工作者进行了广泛的研究。新的研究[12]认为摄影测量法可以获得高达1:100 000甚至1:1 000 000的相对精度。
2.1.7 跟踪式激光干涉测量法
跟踪式激光干涉测量系统采用干涉仪来测量距离,用两个高精度角度编码器确定竖直和水平角度,它是扫描系统,通常用于追踪光学传感器或者机器人的位置。由美国国家标准局研制并在自动化精密股份有限公司改进的跟踪式激光干涉测量系统SMART310可达到1μm长度分辨率和0.7弧秒的角度分辨率[13]。莱卡LTD 500系统进行绝对距离测量时,可以获得大约±50μm的精度,在直径为35 m的测量范围内,角度编码器的允许相对精度为1:200 000。
2.1.8 结构光测量法
结构光法,也可以归类到主动三角法,包括投影编码光和正弦条纹技术。物体的深度信息经过码成为失真的条纹图形,由图像采集传感器记录下来。尽管与投影摩尔条纹技术有关,但该方法不是采用参考光栅产生摩尔条纹,而是从漫射物体表面记录的失真条纹直接解码得到物体的形状。当采用基于液晶显示器(LCD)/数字镜像器(DMD)和优化的形状测量系统时,可以达到1:20 000的相对测量精度。结构光方法有以下优点:(1)易于实现;(2)如果采用计算机控制的LCD/DMD,不移动部件也可以实现位相移动、条纹密度和方向的改变;(3)快速全场测量。然而,要使该方法在工业中得到更普遍使用,有些问题必须解决,如所有三角测量法固有的阴影问题。如果采用360°复合采集数据记录并利用投影光栅或者点离焦技术有希望解决此问题。该方法把显微镜用于小型物体测量,可以分别获得1μm的横向分辨率和0.1μm的纵向分辨率。
2.2 非接触测量法要解决的问题和发展趋势
虽然各种非接触测量法经过多年的发展,取得了一些进步,但是只有近年来出现了低成本的计算机、光电器件和激光,这些技术才在商品化方面取得突破。另外它与我们在各个领域的需要相比还远远不够,下面指出未来要解决的问题和发展趋势及方向。
(1)实时测量。在工业领域要降低产品成本并提高生产效率和质量,实时三维测量成了测量领域亟待解决的问题。实时三维形状测量主要是为了成功地进行三维坐标显示和测量,生产控制和在线质量检测,关键是实现高速度计算以满足在线生产的需要。
(2)对没有着漆具有反射表面和网状表面的物体形状直接测量。对具有反射表面和网状表面物体进行三维形状测量,在这个领域有着紧迫的需要,但是几乎还没有这方面的研究。依靠目前的测量技术,在测量具有反射表面的模具表面形状时,要求用粉末涂抹在表面,这样就会减慢测量速度,降低测量精度。
(3)建立评价三维测量光学系统的标准。该标准的重要组成部分应包括:①已知尺寸、表面粗糙度和材料的标准样品元部件;②数学模型和误差表示特征;③测量速度和测量范围;④重复性和再现过程;⑤定标过程;⑥可靠性评价。
(4)高精度大测量范围。大多数测量系统根据测量范围折衷测量精度,然而,工业上需要高精度大测量范围的测量系统。尽管有采用条纹投影法测量4 m宽范围砖墙的报道,仍然需要在这个领域进行进一步的研究。
(5)测量系统定标和优化及传感器设计。系统定标和优化是提高测量精度相对精度的关键因素。参考文献[14]给出了如何使用同一系统用优化方法提高一位精度,参考文献[15]论证了如何使用新的自定标方法达到精确估算大约为10-5的相对精度,传感器设计有助于实现这些目标。参考文献[15]还给出了去标记点使用摄影测量法的方法,这使光学三维测量法在工业中更为实用化方面又前进了一步。
(6)综合利用各种技术。多传感器信息融合,包括综合使用不同的匹配方法和主动式、被动式方法等,以提高系统的性能。
(7)算法向并行化发展。采用并行流水线机制和专用的信号处理器件,增强系统的实用性。
(8)强调场景与任务约束。针对不同的应用目的,优化选择各个部分,建立有目的的和面向任务的测量系统。
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作者简介:桑新柱(1977-),男,山东菏泽人,北京机械工业学院电子信息工程系硕士研究生,主要从事光电信息技术研究。
