论非接触测量技术应用在机械检测上的必要性

房振峰,刘昆,檀学莹

(机科发展科技股份有限公司,北京 100044)

论非接触测量技术应用在机械检测上的必要性

房振峰,刘昆,檀学莹

(机科发展科技股份有限公司,北京 100044)

非接触测量技术在近年来受到了十分广泛的应用,本文介绍了部分非接触测量技术的基本原理,阐述了这几种非接触测量技术的优缺点及发展趋势,并举例分析了图像测量技术在机械检测上的必要性.

非接触测量;图像测量技术;机械检测

几何结构和尺寸大小是机械零件的基本参数,当零件生产结束后,对零件形状尺寸和表面的检测是保证产品质量的重要环节.随着现代工业的发展,机械零件的结构越来越复杂,尺寸的精密度越来越高,传统的检测方式的精确度已无法达到检测这些零件的需求,于是非接触测量技术出现.

非接触测量技术分为光学法和非光学法两大类,其中光学类主要有结构光法、激光三角法、激光测距法、干涉测量法、图像分析法;非光学类主要有声学测量法、磁学测量法、X射线扫描发和电涡流扫描法.下面对这两大类非接触测量技术的技术原理和优缺点举例进行阐述.

1 非接触测量技术的发展现状

1.1 光学法

首先要介绍的是结构光法,这是最早期的非接触测量技术,其原理十分简单.将光栅投射于被测物体表面,光栅条纹因被测物体表面影响产生变形,将变形后的光栅图形用计算机记录,并通过函数程序将获得的图形参数进行逆向处理,从而得到被测物体的立体图形.这种非接触测量技术主要被应用于早期的数学建模,也是图像处理技术的基础.结构光法的优点显而易见,函数编写相对容易、系统搭建成本低、检测过程快速简单、操作便捷,它的缺点就是精确度低,只能大概的检测大型被测对象的结构,对于结构复杂的机械零件,结构光法测量技术难以胜任.

随着非接触测量技术的发展,激光在光学非测量技术中得到了广泛应用.首先是利用激光良好的折射性检测被测物体的位移距离,其原理也很通俗易懂.将激光照射在物体表面,经过物体表面的折射后在采集器上形成新的图像,当被测物体产生位移后,其图像也会产生相应的位移,然后通过折射图像的位移计算出被测物体的位移距离.这种测量方法具有很高的灵活性,可以将长距位移缩小,也可以将短距位移放大,测量灵敏度极高.激光除了极好的折射性之外还有很好发散性,于是激光又被应用于测距.激光测距法是将激光点由发射源发出,遇到物体后发生反射由原路返回到接收端,通过检测接收激光的发散程度来计算发射点与被测物体之间的距离.经过各国学者的深入研究,随后还出现了干涉测量法和图像分析法.

1.2 非光学法

声纳技术其实就是一种声学非接触测量技术,主要应用于测距.声纳的原理是利用波的反射性,将超声波沿某一指定方向发射,经过一定时间后接收到反射波,通过发射波和反射波的时间差来计算发射器与被测物体之间的距离.声学非接触测量技术的优势在于声纳系统早在17世纪80年代就已诞生,得到了100多年的发展,如今技术已经十分成熟,手持精密仪器早已诞生,超声波由于其频率高、传播距离远的特点被沿用至今,但是声波受介质影响很大,测量准确度难以保证,所以声学非接触测量技术注定有所局限性.另一种为磁学非接触测量技术,即核磁共振,目前主要应用于医学领域.

1.3 图像测量技术

上文介绍的几种测量技术都是早期的非接触测量技术,图像测量技术是如今发展十分成熟的非接触测量技术,目前在机械检测中的应用十分广泛.图像测量技术是一种基于CCD图像处理的测量技术,这种非接触测量技术是目前机械检测中使用最频繁的测量技术.在使用的过程中,首先由CCD图像传感器对被测零件进行扫描,然后将扫描得到的零件图型进行分析、特征提取、分类识别并进行判断,最终计算并输出检测结果.整个过程快捷简便,具有极高的准确性.

2 图像测量技术在机械检测中的应用

图像测量技术结合了图像处理技术和测量技术,目前该技术虽然能大幅度降级人力成本,具有极高的测量速度和测量精度,在短期内可为企业生产带来一定的经济效益.但从长期角度来看,该技术的软件开发困难,一套图像测量系统只能针对一项测量技术或者只能针对一个产品结构,当产品进行升级改动时,原有的图像测量系统很难兼容.纵然如此,图像测量技术在机械检测中仍是不可替代的.

2.1 尺寸测量

尺寸大小永远是机械零件的最重要参数,尤其是随着高精度仪器仪表的发展,很多零件的尺寸需要精确到微米等级,这是任何机械仪表都无法检测的.对于这种高精度机械零件,我们只能借助图像处理技术进行检测.于是,国内外很多研究机构都开始聚焦于图像测量技术.

2.2 表面测量

除了尺寸大小,表面质量是机械零件检测的另一个重要标准.零件在生产的过程中难免会有所磨损,这种磨损是不可避免的,即使生产过程再小心,哪怕只是无意间轻微的触摸都会对零件造成磨损,这会对很多高精密仪器造成误差.

机械零件在制造的过程中由于温度的原因其材料表层会产成肉眼无法观测的裂纹,大部分裂纹极其细小,不会对产品造成任何影响,可以忽略不计,但裂纹达到一定程度则会影响产品质量.这些裂纹借助光学仪器也很难判别其是否影响产品质量,直到非接触测量技术的出现该问题才得以解决.对于这种测量,图像测量技术完全可以达到测量要求,将表层图像放大处理后鉴别裂纹长度、宽度及深度,综合判断产品品质.

还有些零件的工作环境要求零件表面具有一定的摩擦力,因此在生产过程中会为这类零件表层刻画纹理,在图像测量技术成熟之前,如何检测这类零件表层摩擦力是否过关一直是个难题.现在将纹理扫描处理后,由后台函数进行计算后甚至可直接给出表面摩擦系数,可见图像测量技术在机械检测中的作用是不可替代的.

3 非接触测量技术存在的不足

非接触测量已经逐渐成熟,但仍有很多地方需要改进.首先,非接触测量系统的成本高昂,尤其是高精度测量系统,采用的大多是高精密传感器元件,造价高昂,小企业很难负担.其次是非接触测量系统局限性高,很多系统对工作环境具有很高要求,如光学非接触测量系统工作是不能有强光干扰,否则一方面对测量结果有所影响,另一方面可能还会对测量系统本身仪器造成损伤;声学非接触测量系统受超声波的局限性,测量精度低,容易受介质和温度的影响;磁学非接触测量系统无法对金属进行检测,完全不可以用于机械检测;而发展相对成熟的图像测量技术也有其不足,测量形式单一,函数系统复杂难以调整,需要对其优化升级.

4 非接触测量技术的发展趋势

高精度、高准确性是任何系统都在不停尝试的目标,非接触测量技术也不例外.目前图像测量的机械检测已经达到微米级别,下一步将要向纳米级别过度.想要提高非接触测量技术的精确度,除了非接触测量技术本身,其用到的高精度传感器元件也需得到相应的发展,以适应非接触测量技术发展的步伐.

提高非接触测量技术的集成度,开发更简洁的函数系统.现在的非接触测量系统的测量参数都十分单一,而且同一个系统无法进行测量参数的转换,尺寸测量和表面测量无法共同测量,如何将几种不同的测量整合到一个系统甚至同时进行,将是下一个重要课题.

5 结语

随着现代化工业的快速发展,非接触测量技术的应用将更为广泛.在机械检测领域,机械零件的结构将越来越复杂,精度将越来越高,逐渐进入到纳米层次,而图像检测技术是目前唯一能够有效对进经行检测的技术,只有图像检测技术得到发展,才能为机械零件精度进入纳米级提供质量保证.

图像检测技术除了在机械检测中取得的成功,其他非接触检测技术如声纳、核磁共振、X射线等都在其各自领域取得了不小成功.

[1]常浩.基于机器视觉的柔性体振动测量系统研究[D].中国矿业大学,2016.

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[3]任杰.地区电网用电信息采集系统的优化与应用研究[D].华北电力大学(北京),2016.

[4]刘文博.供电企业用电信息采集系统研究与应用[D].华北电力大学(北京),2016.

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