3D激光检测技术在工业检测领域中的应用_罗辉.pdf

143工 艺 与 装 备3D 激光检测技术在工业检测领域中的应用罗辉1洪文1魏笑笙2（1.合肥工业大学智能制造技术研究院，合肥 230009；2.合肥云仲科技有限责任公司，合肥 230051）摘要：产品质量检测是工业生产的重要环节，质量检测的指标、效率和准确性是各种智能化检测方法能否推广应用的关键因素。近年来，随着激光传感器软硬件技术的发展、数据传输能力以及计算机处理能力的飞速提升，3D 激光检测技术在工业检测领域中的应用优势越来越显著。关键词：3D；激光检测技术；工业检测Application of 3D Laser Detection Technology in Industrial Detection FieldLUO Hui1,HONG Wen1,WEI Xiaosheng2(1.Intelligent Manufacturing Institute of HFUT,Hefei 230009;2.Hefei Yunzhong Technology Co.,Ltd.,Hefei 230051)Abstract:Product quality inspection is an important link in industrial production.The index,efficiency and accuracy of quality inspection are the key factors for the popularization and application of various intelligent inspection methods.In recent years,with the development of laser sensor hardware and software technology,the rapid improvement of data transmission ability and computer processing ability,the application of 3D laser detection technology in the field of industrial detection is more and more significant advantages.Keywords:3D;laser detection technology;industrial testing1主要检测手段的优缺点介绍工业检测是生产制造的重要环节之一。生产制造零部件的外部质量检测特征主要包括线性尺寸、形位尺寸和表面缺陷等。目前，主要的检测手段有人工检测、三坐标检测及机器视觉检测等。其中：人工检测主要依靠量具与专用检具等检测工件的尺寸和表面形状，同时借助目测检测工件的外观缺陷；三坐标检测是相对传统的高精度检测方式，当探针接触到工件上的目标点时会触发信号，系统记录对应目标点在设备坐标系中的XYZ坐标值，然后通过坐标换算得到工件坐标系下各个尺寸的测量值，进而检测工件的尺寸；机器视觉检测是随着传感器、图像处理、数据传输以及通信等技术飞速发展而逐渐兴起的检测方法，先通过相机获取产品外观图片，然后进行图片处理，构建相应检测特征的算法模型，从而实现产品尺寸、外观缺陷等的质量检测1-3。虽然以上检测方法各有优势，但是在当前产业智能化的大趋势下，都存在不可避免的痛点。人工检测是传统的检测方法，一些特别关键和重要的参数需要技术工人进行检测，缺点是效率低、劳动强度大、可追溯性差、不能实现产品全检以及对工人技术能力要求较高，因此该检测手段已经开始逐步被取代。三坐标检测精度高，性能稳定，但是检测效率较低、使用要求高且维护成本高。机器视觉检测效率高，能够满足产品在线检测的需求，但是该检测算法模型开发周期较长，对算法开发人员的要求很高，产品图片稳定性受环境影响大，检测系统柔性较差，当检测特征发生变化时需要重新确定算法模型的缺点。因此，机械视觉检测比较适合品种少、批量大的应用场景4-5。23D 激光检测应用及原理3D 激光检测是利用激光扫描对目标物体进行空间建模，最开始用在建筑逆向设计、地面施工、电站施工以及船舶设计制造等大型项目的实施和监测中，检测精度较低，一般在 6 40 mm。目前，随着短距离激光测量技术的不断发展，测量精度已达到级，在焊接引导、产品测量和缺陷检测等领域开始出现 3D 高精度激光检测的应用案例，涉及汽车、手机和 3C 等行业。3D 高精度激光检测利用三角测量原理，将一束激光线以一定的角度照射到被测物体上，激光在物体表面发生反射和散射，然后利用透镜以不同的角度对反射激光汇聚成像，通过电荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）光电传感器获取成像信息数据。系统关联计算激光发出的光线、反射光线、光线照射角度以及核心部件之间的距离等参数，就能得到被测物体表面的相应数据6-8。3D 激光传感器原理图如图1 所示，PA是需要测量的工件特征值，OP、OP、均是传感器的固有参数，BP数值可由光电传感器读取输出。DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0161现代制造技术与装备1442023 年第 3 期总第 316 期图 13D 激光传感器原理图由于三角形 ODA 和 ODB 相似，得到的计算公式为=ODBDODAD（1）根据图 1 得到的关系式为OD=OP-BPcos（2）OD=OP+PAcos（3）BD=BPsin（4）AD=PAsin（5）将式（2）（5）代入式（1），经变换后得到的计算公式为 sinsinsincoscossin=OP BPPAOPBPBP（6）3激光测试实验台搭建激光传感器测试台结构图如图 2 所示，主要包括机架、激光传感器、移动测试台以及伺服模组。机架是平台的整体结构件，激光传感器、移动测试台和伺服模组都安装在机架上。激光传感器固定不动，可以最大限度减少振动对传感器带来的影响；传感器激光点数为 4 096 个，基准面上的激光线长度为 182 mm，激光点的分辨率为 0.044 mm，测量景深为 250 mm。移动测试台负责承载被检工件，沿着与激光线垂直的方向移动。伺服模组可以驱动移动测试台按照设定的速度匀速运动9-10。4测试案例由移动测试台带动工件移动，使激光线在工件表面均匀扫过，以获得工件表面的点云数据，如图 3 所示。每个点均由激光在工件表面反射获得，且都包含工件表面在传感器坐标系中的三维坐标数据11-12。移动测试台 激光传感器 伺服模组 机架 图 2激光传感器测试台结构图图 3点云数据图通过分析点云数据识别出工件的相关特征边界，如直线、圆弧、平面和弧面等，从而计算出边界相关数据，得到长、宽、高或深、孔径、圆心、平面度、垂直度以及平行度等参数值。工件尺寸检测如图 4 所示。针对有深度指标要求的缺陷应进行成像检测，如图 5 所示。（a）新能源电池盒部分尺寸（b）集成电路板上的孔径测量图 4工件尺寸检测（单位：mm）145工 艺 与 装 备反复测量各个尺寸，测量结果的重复精度在 0.02 mm 以内，测量的稳定性较好，可为进一步开发检测应用场景提供了强有力的技术基础。在获取各个特征的三维尺寸数据后，3D 激光检测技术根据检测要求的阈值就能自动判断是否存在异常，并上传检测结果，从而完成质量的自动检测13-15。5结语相较于人工检测、三坐标检测和机器视觉检测，3D激光检测技术主要有以下6个优点：检测精度高、速度快；非接触式测量，避免对工件产生二次伤害；能一次实现工件表面所有特征，包括缺陷的三维尺寸检测；系统设计简单，对被检工件的姿态和定位精度要求不高；环境适应性好，环境光线、振动等因素对检测结果没有影响；在垂直激光线的方向上检测尺寸不受限制，能实现在线连续生产场景下的尺寸和缺陷检测。由此可见，3D 激光技术在工业检测领域有着非常广阔的应用前景，是突破检测环节智能化技术瓶颈的重要手段。参考文献1 樊慧超.机器视觉技术在工业检测中的应用 J.数字通信世界，2020（12）：156-157.2 刘永治，张周强，郭忠超，等.基于线激光扫描的零件三维表面检测系统研究J.国外电子测量技术，2021（2）：67-72.3 梁小芳,余华平.3D 目标检测技术发展综述 J.电脑知识与技术，2021（1）：231-234.4 迟克浩，陈梦雯，吴彦达，等.基于双三角测距原理的双线激光三维扫描系统的研制J.物理与工程，2019（6）：71-76.5 张俊，孙振龙.高线精轧机组润滑系统污染与控制对策 J.中国设备工程，2011（11）：63-64.6 黄华椿，黄增，岑贤生，等.三维激光检测技术在异型冲压件检测中的应用J.现代制造技术与装备，2022（9）：146-151.7 秦红生，宋仁军，朱佳.车身激光在线检测系统 J.汽车工艺师，2021（3）：28-29.8 刘永刚，于丰宁，章新杰，等.基于激光点云与图像融合的 3D 目标检测研究 J.机械工程学报，2022（24）：289-299.9 卢强波，张丽，翟德慧.3D 激光检测技术在精轧机组稳定性问题上的应用 J.冶金设备，2019（增刊 1）：180-181.10 陶功明，王仁福，朱华林，等.钢轨表面质量自动检测技术的发展与应用 J.轧钢，2016（6）：59-62.11 马清伍，陈家俭.线激光检测技术在车身细密封涂胶机器人中的应用综述 J.汽车实用技术，2018（6）：70-73.12 郭禹璠.工业检测中 3D 检测技术探讨 J.大众标准化，2022（2）：169-171.13 彭海宇.便携式 TBM 刀座平面度激光检测仪研究与应用 J.铁道建筑技术，2020（11）：31-34.14 刘万山，郭潇玥，陈嘉慧，等.渐开线直齿圆柱齿轮的激光检测误差修正方法 J.工具技术，2022（7）：133-137.15 张昆，张洪涛，胡婷.利用激光检测技术的电气模块装配系统 J.机器人技术与应用，2022（1）：24-28.（a）工件表面凹坑缺陷 （b）发动机活塞表面砂眼缺陷图 5缺陷检测（单位：mm）