基于圖像掃描技術的零件檢測技術應用

曹雅莉，李宗義

(1.甘肅機電職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741001； 2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

中國是一個制造大國，制造業(yè)已經成為關系到國計民生的支柱產業(yè)，隨著工業(yè)和科學技術的進步，現(xiàn)代制造業(yè)已發(fā)展成為融合信息技術、數(shù)控技術、系統(tǒng)控制工程而生成的先進制造系統(tǒng)。隨著制造業(yè)的發(fā)展及制造裝備的不斷升級進步，復雜零件的加工制造變得越來越容易，但同時對復雜零件的制造精度、產品質量以及生產效率等方面的要求也越來越高。

在復雜曲面零件的整個工藝制造過程中，需要用相應的檢測技術對其加工精度進行檢測和控制。與平面零件相比較，復雜曲面零件的設計、加工和精度檢測等過程更具復雜性[1]，所以，要求有相應的檢測技術對復雜曲面的加工精度進行實時的控制和保證。目前，復雜曲面零件的檢測工具主要有以下三類：傳統(tǒng)的測量工具(如游標卡尺、千分尺、百分表、量規(guī)等)、現(xiàn)代化的數(shù)字測量儀器(如光柵式萬能工具顯微鏡)和一些先進的測量工具(如三坐標測量機、超聲波檢測等)。這些測量工具都存在一定的缺點，例如傳統(tǒng)的測量工具精度低、測量速度慢、操作方法復雜、需要對工件進行裝夾，現(xiàn)代化的數(shù)字測量儀器操作困難、測量速度慢、精度有待提高，先進的測量工具效率較低且測量范圍有限。

1 精密檢測系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的測量設備和技術已經不能滿足企業(yè)發(fā)展的需要，需要精密的檢測設備和系統(tǒng)來滿足對高精密檢測的要求。隨著計算機圖形圖像學、計算機視覺技術的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術逐漸被用到零件檢測行業(yè)中來[2]，基于二維三維圖像處理技術的測量在很大程度上解決了傳統(tǒng)測量技術的不足[3]。筆者為了解決目前檢測設備和系統(tǒng)存在的不足，將技術已經完善且目前廣泛應用的計算機技術、機器視覺技術、計算機圖形學技術、圖像處理技術、通訊和運動控制系統(tǒng)等相結合，構建了一套新的基于圖像處理的精密視覺技術應用與精密測量技術，從而形成一套新的精密檢測檢測系統(tǒng)[4-5]?；趫D像處理的高精密視覺測量系統(tǒng)，具有非接觸性、實時性、靈活性、可視性、直觀性、精確性等優(yōu)點。

首先利用精密的光學CMM 3D掃描儀對零件進行掃描，掃描的圖像可以實時的顯現(xiàn)在計算機上，完成被測對象的圖像采集工作；然后利用Geomagic Control軟件對圖像進行處理，進行空間幾何運算、來獲得被測物體的幾何尺寸和表面質量參數(shù)；最后將掃描數(shù)據(jù)與原始的設計圖形參數(shù)進行比對，得出測量結果。整個測量過程操作簡單，運算迅速，比起傳統(tǒng)的測量過程節(jié)約了大約一半的時間，而且還能完成一些傳統(tǒng)測量無法完成的測量項目。在測量過程中未對工件進行裝夾，避免了工件在測量時因夾持變形而產生精度誤差。另外，測得的結果不僅可以以精確的數(shù)值的方式來表示，也可以以非常直觀的圖形對比分析方式來顯示。這種測量方法簡單、高效，能把檢測人員從繁瑣復雜的測量、計算、分析、數(shù)據(jù)整理工作中解放出來。

2 檢測過程及方法

2.1 測量儀器介紹

MetraSCAN 3D光學CMM 3D掃描儀采用光學測量方式，這種儀器可以用來檢測夾具、零件，也可以用來對模型進行逆向工程操作，測量工件的最小尺寸可以達到0.2 m，最大可以達到6 m。圖1為便攜式光學CMM3D掃描儀，表1為MetraSCAN 3D光學CMM 3D掃描儀的參數(shù)，測量尺寸精度高達0.03 mm，測量速率每秒鐘高達480 000次。

圖1 便攜式光學CMM3掃描儀

表1 1 MetraSCAN 3D光學CMM3D掃描儀參數(shù)

2.2 測量軟件

Geomagic Control三維檢測軟件，既可以通過快速直觀的采集零件剖面進行測量，利用偏差位置功能快速識別和測量表面偏差，分析偏差群組的大小、形狀和位置；還可以快速識別和測量表面偏差，包括凹痕、腐蝕和其它各種磨損，對易翹曲或易變形的零件及大尺寸零件能進行穩(wěn)健的自動化檢測。相比其它光學儀器測量系統(tǒng)它具有以下優(yōu)點：①算法優(yōu)化，減少了計算時間；②測量尺寸范圍廣；③即時檢測，能直觀地引導用戶獲取指定位置的點，如用來比較點，模擬CMM點等；④能單獨、自動、或分批執(zhí)行檢測結果，創(chuàng)建自動化檢測的一條龍解決方案；⑤智能創(chuàng)建并輸出測量結果的PDF報告。

2.3 檢測過程及結果

2.3.1三維數(shù)據(jù)采集

激光掃描利用的是激光反射測距的原理，在測量金屬零件或者不透光的零件時，不會發(fā)生透光現(xiàn)象，而在測量透明的零件時會發(fā)生透光現(xiàn)象，影響測量的精度；被測零件孔、槽、大的凹邊會因為光線的問題無法進行有效的數(shù)據(jù)采集，在采集時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，造成數(shù)據(jù)“空白”，所以在測量零件之前需要對零件進行表面處理，一般常采用噴漆、涂墨、填充的方法。本次測量的零件是樹脂材料，具有很強的透光性，需要對零件進行表面處理[6]。

零件表面處理完成以后，將其放置在測量臺上，利用光學CMM 3D掃描儀對輪轂零件(見圖2)進行逐點掃描測量，由于輪轂零件表面曲面較多，有多處凹面且曲面交界較多，因此測量過程中進行多角度旋轉測量，并且在Z軸方向進行多次分段測量，力求消除測量死角，保證測量數(shù)據(jù)的真實、有效、精確。

2.3.2數(shù)據(jù)預處理

測量得到的點云數(shù)據(jù)不可避免的存在一些問題，必須對測量數(shù)據(jù)進行一些必要的處理，常用的點云處理包括多視角對齊、數(shù)據(jù)光順處理、噪點去除、數(shù)據(jù)精簡等。本次測量為了驗證測量方法的可行性，對測量數(shù)據(jù)進行了必要的數(shù)據(jù)光順處理及精簡處理。圖2是樹脂輪轂零件模型，圖3為經過處理的輪轂模型的掃描圖。

圖2 樹脂輪轂零件圖3 零件測量掃描圖

2.3.3輸出測量結果

(1) 質量分析

利用Geomagic Control軟件對測量得到圖像數(shù)據(jù)與原始設計的數(shù)據(jù)進行對比分析，可以直觀的得到工件的表面質量分析結果，如圖4所示，經過測量，圖中淺白色部分即輪轂的輻板靠近輪軸部分和輪緣部分為尺寸精度較高部分，灰色部分即螺栓孔的沉頭臺階面部分和輪輞部分為尺寸精度較差部分，顏色越深代表偏差值越大、精度越低。測量圖像中的顏色越靠近標準色帶的中間部位，則代表該部位的加工精度越高；反之，代表精度越差。黑色部分為本次測量的噪點部分，未記入測量結果。

圖4 表面質量分析圖

(2) 截面對比

為了直觀的觀察測量工件的變形情況，還可對所測量得零件圖像進行任意角度、任意位置的剖切，并與原始設計圖進行對比，分析得到任何一個截面的截面對比圖。在對比圖中，如果圖線重合度較高，則代表零件加工精度較高，基本無變形；反之，則代表精度較低，變形較大。本次測量對輪轂模型沿著軸線方向進行了剖切，通過對比圖(圖5)可以發(fā)現(xiàn)輪輞部分加工變形較小，精度最高；輪輻上表面的曲面部分變形較為嚴重，精度較差；在輪輻與輪緣的相交處及螺栓孔的沉頭位置變形情況最為嚴重，精度普遍較低。

圖5 縱向剖切面與設計原圖對比效果圖

(3) 偏差數(shù)值分析

在測量時預先可以根據(jù)零件的設計需求及偏差值要求對尺寸偏差劃分一定精度等級后進行檢測。本次測量時把測量偏差值按照精度的要求劃分為7個等級，其中0、1、2級是按照工件的使用要求給出的符合零件精度要求的偏差等級，3級是考慮到加工誤差所給出的精度等級。如果測量以后的偏差值在0、1、2級數(shù)值范圍之內，則說明該測量部位符合使用要求，為合格部分；反之，如果測量的偏差值不在0、1、2級數(shù)值范圍之內，則說明該測量部位不符合使用要求，為不合格部分。通過表1可以看出Geomagic Control軟件系統(tǒng)在自動取點時測量取點主要集中在0、1、2級，符合測量要求，測量得到的標準偏差值也主要集中在0、1、2級，通過分析表明輪轂零件95%加工部位符合使用要求，5%的加工部位不符合使用要求，根據(jù)本次設計需求，判定該零件為合格品。

表1 偏差數(shù)值分布表

3 測量結果驗證

為了驗證上述測量結果的準確性，特意選取模型中精度較差部分即螺栓孔部分作為測量對象，進行比較。首先利用精度較高的三坐標測量儀對該部分的尺寸公差及形位公差進行了測量，再利用Geomagic Control軟件對該測量部分進行相同項目的分析測量，測量結果及對比差值如表2所示，測量結果分析圖如圖6所示，可以看到兩種測量方式測量結果基本一致，對比誤差在合理范圍之內。

圖6 測量結果對比分析圖

表2 測量項目及對比結果/mm

4 結 語

研究了機器視覺在檢測系統(tǒng)中的應用，并與Geomagic Control相結合，建立了一套完整的視覺檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以直觀的觀察零件變形情況，避免了傳統(tǒng)測量中利用測量數(shù)據(jù)進行人工繪制的麻煩；可用于測量薄壁易變形零件的精度測量，避免傳統(tǒng)測量過程中的裝夾誤差影響；還可以用于大型零件的精度檢測，解決了傳統(tǒng)測量中大型零件難以測量的弊端。