三维非接触测量方法的原理与应用.pdf

三维非接触测量方法的原理与应用王 玥(辽宁省计量科学研究院辽宁 沈阳)摘 要:随着空间大尺寸工件的检测、数模比对、装配调整、逆向工程及机器人动态校准等工作逐步趋向高效率、高精度发展三维非接触测量方法越来越广泛地应用于航空航天、汽车制造、风力发电、重型机械、大型模具、船舶工程、冶金工业、大型机床制造等领域 通过对测量原理和方法的分析可以得出与三维接触式测量相比三维非接触式测量在技术上具有一定的优越性关键词:测量原理三维非接触测量应用中图分类号:.文献标志码:./.():.:收稿日期 作者简介 王 玥()女满族辽宁沈阳人辽宁省计量科学研究院高级工程师硕士研究生主要研究方向:计量学、质量管理 引 言三维测量主要是利用涉及光学技术、激光技术、图像处理技术、数据处理等多门学科的测量设备和测量方法将被测物的表面信息转化为三维几何坐标的过程 三维测量早期需要通过测量设备与被测对象表面直接接触的方式获取被测表面的数据以接触测量为主 近年来随着光电传感器技术和计算机数据处理技术的不断发展三维光学非接触测量技术得到了飞速发展该技术正逐步取代接触式测量方法并因其高效、可实时测量的特点越来越广泛地应用于航空航天、汽车制造等领域 根据不同的测量原理三维光学非接触测量技术逐渐分为基于结构光、激光的非接触测量方法 三维光学非接触测量方法的发展在丰富测量方法选择的同时也提供了更为可靠的数据验证与比对方式 背景和意义三维测量方法是随着现代工业的迅速发展、生产制造水平日益提高而发展起来的 目前以接触式测量和非接触式测量两种方式为主的三维测量技术在国内外得到了较为成熟的应用 其中以三坐标测量和便携式关节臂测量为代表的接触式测量其主要优点是稳定性和重复性好测量范围大可测量各种形位公差和几何尺寸的被测物其测量精度一般可达到微米级可实现自动化控制在探测表面复杂物体时大大节省人工成本 目前这种测量方式在各行业采用的检测方法中具有不可替代的地位 当然接触式测量也存在着一定的不足如测量速度慢、效率低每次测量只能完成一个点由于其庞大的机身结构移动起来并不方便在测量原理上接触式测量的应用受到了限制因为在测量复杂工件时测头必须与目标表面有一定的接触压力、操作者需要有一定的工作经验等非接触式测量主要包括两种测量方式:以结构光扫描为基础以激光测量为基础 非接触式测量的优点是无需接触被测面测量效率相对于接触式测量更高 近年来国内外多家生产厂家和科研院所对非接触式测量进行了深入的研究使得该技术的测量精度、检测效率等得到了大大的提高 非接触测量的原理.基于结构光扫描的测量原理已知空间方向的投影光线的集合叫做结构光一般为投射到被测物表面的特定形状和分布 为适应特定的测量任务结构光系统可由用户自行配置其传感器由几个部分组成例如一个或几个图像传感器一个或几个投影系统用来向被测物体表面投射结构光以供测量或者一个照明系统用来照亮任何表面瑕疵的纹理 常见的系统有具有区域扫描能力的摄影测量系统、激光线式扫描系统基于条纹投影或摩尔条纹技术的测量系统等对于结构光系统常采用的空间点坐标解算方法有结构光场的相位检测法、激光三角法等 测量时将结构光(特定编码的光栅条纹、单条或多条激光线)投射到被测物表面通过与投影系统成一定角度的一台或几台同步摄像机采集变形的结构光图像经过数字图像处理解算出公共摄像机视场内像素点(被测点)的三维坐标结构光系统主要由相机、镜头、结构光投射装置、三脚架、调整板和测量软件等组成 不同生产商生产的不同型号设备其配置可能会有所差异基本组成如图 所示.基于激光扫描的测量原理激光测量是通过向被测物表面发射激光束计算激光在.工程与试验 .图 结构光系统的组成示意图发射和反射过程中所用的时间或两者的相位变化从而获得激光走过的距离进而对被测物进行尺寸结构信息的计算激光测量的代表应用是激光雷达其是通过探测接收物体表面反射回来的激光信号获得物体表面点的距离信息再根据自身的方位角、俯仰角等信息通过计算机综合处理和机械机构的运动控制使激光雷达连续扫描被测物体的不同位置结合电子学、机械、光学、计算机等多学科的探测系统得到一组被测物整体的三维空间坐标即点云数据 与传统二维平面图像采集不同的是激光雷达可以通过处理最终实现物体三维表面模型重建直接获取被测物体表面的三维空间坐标 激光雷达因其快速的空间信息获取性能及高效的三维模型重建能力在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛的应用对于激光三维测量国内外许多生产企业和科研机构都进行了深入研究开发了多种测量系统但都需要对被测物进行多次扫描才能获得完整的三维物体信息最终构建出的被测物体三维模型依托的是点云数据的拼接技术由于三维非接触式测量系统不需要接触待测物表面避免了接触式测量的探针与被测物(特别是软性材料的被测物)接触而使测量表面变形 同时三维非接触式测量能够对被测物表面细节进行更高效的测量对待测量表面的要求低适用范围广 三维非接触测量的应用.非接触式测量大型复杂机械工件大型复杂机械工件的几何尺寸及形位公差测量非常繁琐也很费时 面对图纸或者建模上的成百上千个参数传统的三坐标测量操作者必须具有丰富的操作经验和编程基础 通过复杂的编程使接触测点与理论计算点相重合同时要适当地增加安全点以避免探针与被测工件的碰撞这需要大量的时间去理解图纸并将其转换为对应的测量程序 此外测量顺序及程序调试也会影响到最终测量结果的准确度 传统的三坐标测量受限于接触式的测量方式及与测量支架的干涉性导致三坐标测量可达性较差且易发生测头与被测工件碰撞而采用非接触测量方式在视线所达处即可测量(如图 所示)同时也大幅减少了程序的编制和调试过程测量时间显著缩短图 大型复杂机械工件的测量.在线测量非接触测量不仅可以在实验室环境下进行也可在工况复杂的车间环境下进行 如今三坐标测量机广泛应用于机械加工企业一般在实验室内进行测量工作对温度、湿度、振动、灰尘、环境光照强度有较高要求并且三坐标测量机只能进行样本检查几乎没有能力协助过程控制无法参与到生产过程中的在线测量之中 除了测量准确度高的优势外传统的三坐标测量基本上无法满足智能制造和大数据生产的新要求 其他三维接触式测量方式也是基本如此从工业.及互联网的角度出发未来零部件的加工及质量监控模式的革新之一便是将测量设备集成到生产车间的加工流程当中 在可预见的未来几年内非接触式测量必然会在在线检测中占有一席之地尤其是在大批量零件或整机流水生产线上 图 所示为三维非接触式测量在汽车整车车身制造工程中参与在线测量的案例图 三维非接触式测量应用案例 三维非接触式测量的技术优势三维接触式测量与三维非接触式测量的优势与劣势对比如表 所示 可以看出三维非接触式测量除了在测量准确度上略为逊色外在使用条件及适用性上都有较大的优势 随着光电技术的进一步发展两者准确度指标的差距会越来越小这为非接触测量在智能制造中的广泛应用打下了坚实的基础表 两种测量方式优劣对比序号比较内容三维接触式测量三维非接触式测量测量方式采用接触式测量方式一般采用结构光或激光的测量方式测量效率工作效率较低工作效率高同一工件完成时间一般为接触式测量的/测量系统安全性行走路径复杂且测量臂或测头易跟零件发生干涉编程或调试时存在撞机风险主机站位少且工作距离在被测工件 以外编程或调试十分安全(下转第 页)工程与试验 .图 弹簧预紧装置.计算得到轴承径向当量动载荷为.从轴承厂家样本中查询得到轴承的基本额定动载荷为.使用如下公式计算轴承基本额定寿命:()式中为基本额定动载荷为径向当量动载荷 为指数对于球轴承取 为轴承转速单位/此处取/计算得到轴承寿命为 考虑轴承的特殊性能与使用条件增加修正系数:()式中为可靠度系数取值.为材料修正系数取值 为运转条件系数取值 最终计算得到轴承的寿命为.轴承寿命满足设计要求 试验验证依据图 所示试验原理对改进后的动力轴试验装置进行了试验验证 试验转速/试验功率 动力轴偏角.共计运行了 试验装置与转矩转速传感器连接处为输入端与动力轴连接处为输出端 在输入端和输出端分别有 个测点测量轴向、水平、垂直的振动 试验过程中的振动情况良好输入端水平振动.输出端水平振动.其余测点振动基频均在 以内在后续的其他型号试验中试验装置在/、状态下持续运行了 改进后的试验装置使用寿命远远超过了改进前的试验装置 结 论本文针对直升机传动系统动力传动轴试验装置寿命短、振动大的问题对试验装置进行了改进设计和分析并通过试验验证得出以下结论:()高转速大载荷试验装置转子系统临界转速和箱体固有频率需避开工作频率并有一定裕度否则会引起共振()使用有限元计算软件对试验装置的动力学和模态进行预设计可以提高设计成功率()原动力轴试验装置寿命短、振动大故障定位准确有利于试验装置的改进设计()改进后的动力轴试验装置设计合理寿命和振动有了明显改善参考文献余定君.机械功率封闭原理在传动系统试验器设计中的应用./中国航空学会第十三届机械动力传输学术会议论文集:.中国航空材料手册编委会.中国航空材料手册(第 卷).中国标准出版社.成大先.机械设计手册(第 卷).化学工业出版社.(上接第 页)续表 序号比较内容三维接触式测量三维非接触式测量环境要求恒温、恒湿、无尘、无振动车间环境即可避免振动系统重复性受探针和加长杆长度的影响只受限于镜头的准确度工作范围工作范围基本上为三坐标平台的可达空间测头远离工件一般工作范围在数十米内测量范围大被测工件材质硬度较强材料对强度不足的橡胶件和塑料件等无法测量可进行复合型材料等几乎所有工业材料的测量适用条件实验室样本检测实验室样本检测及在线测量 结束语在目前的测量水平下三维接触式测量和三维非接触式测量都可以满足大部分工件的检测要求并且具有很好的数据一致性 随着三维非接触式测量的快速发展在复杂工件的测量上三维接触式测量的使用将会越来越少取而代之的是更为先进的三维非接触测量系统 尤其是在生产车间的在线测量方面三维非接触测量系统的应用前景非常可观参考文献朱梦楠.基于线结构光的三维测量系统关键技术研究.信息与电脑():.赵洋.高精度激光扫描微表面检测与重构.长春理工大学.欢迎订阅欢迎刊登广告联 系 人:孙松野联系电话:.易 毅等:某直升机传动系统动力传动轴试验装置改进设计分析