高精度平面构件平面度及壁厚非接触测量装置研制.pdf

2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 69 收稿日期：2022-11-29 作者简介：毛强（1998），男，甘肃酒泉人，硕士研究生，主要从事超声加工电源设计技术研究工作，E-mail：。高精度平面构件平面度及壁厚 非接触测量装置研制 毛强，蒋志强（中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621999）摘要：为实现纯铅、纯锡等软质金属平面构件平面度及壁厚的高精度、非接触式无损测量，本文提出一种基于双激光位移传感器的非接触式测量方法，采用 CL-3000 型双激光位移传感器以及高精度两维气浮运动平台构建了非接触测量装置，基于 Qt 开发环境和 MATLAB 程序，开发了运动控制与平面度、壁厚测量数据采集、处理程序。与三坐标测量比对结果表明，研制的非接触测量装置能够满足软质金属材料平面构件平面度及壁厚的高精度非接触式测量需求。关键词：平面构件；平面度；壁厚；非接触测量；不确定度分析 中图分类号：TH-39 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.010 文章编号：1006-0316(2023)08-0069-06 Development of a High-Precision Non-Contact Measurement Device for Flatness and Wall Thickness of Planar Components MAO Qiang，JIANG Zhiqiang(Institute of Mechanical Manufacturing Technology,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621999,China)Abstract：In order to realize the high-precision,non-contact and non-destructive measurement of flatness and wall thickness of soft metal planar components such as pure lead and pure tin,a non-contact measurement method based on dual laser displacement sensor is proposed in this paper.A non-contact measuring device is constructed by using CL-3000 dual laser displacement sensor and a high-precision two-dimensional air floating motion platform.Based on Qt development environment and MATLAB program,we developed the motion control,flatness and wall thickness measurement data acquisition,and processing program.The comparison results with CMM show that the non-contact measuring device can meet the high-precision non-contact measuring requirements for the flatness and wall thickness of soft metal planar components.Key words：planar components；flatness；wall thickness；non-contact measurement；uncertainty analysis 由纯铜、纯铝、纯锡等软质纯高塑性金属材料加工形成的高精度薄壁平面零件，常用于材料断裂力学性能测试等实验，其平面度、壁厚以及表面质量等技术参数，对该类实验结果具有重要影响。针对该类构件，通常采用超精密切削方式进行加工，而如何对其平面度、壁厚等技术参数进行精确测量与表征，对于提高构件制造质量进而提升物理实验的置信度具有70 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 重要意义1-7。当前，三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM）是应用最广泛的测量装备，具有较高的效率与精准度，可以准确得出平面构件平面度及壁厚等参数。但对于经过超精密加工的软质平面构件，基于三坐标的接触式测量方式，在接触力的作用下会划伤工件表面，从而影响后续的物理实验。采用动态激光干涉仪可以实现平面构件平面度的非接触式测量，但无法用于厚度测量8-9。因此，本文针对上述软质金属平面构件平面度及壁厚的高精度测量需求，提出一种基于双激光位移传感器的非接触式测量方法，进行非接触测量装置的总体结构设计并完成装置构建，基于研制的装置，进行了平面构件平面度和壁厚的测试试验。1 非接触测量装置总体设计 1.1 软质金属平面构件技术要求 物理实验常用的纯锡、纯铜等软质金属平面构件直径200 mm、壁厚5 mm，平面度误差3 m、壁厚测量误差5 m。1.2 非接触测量装置结构设计 为实现软质金属平面构件平面度、壁厚的测量，设计的平面构件非接触测量装置总体方案如图 1 所示，主要由 xy 方向移动平台及驱动系统、两个高精度非接触式激光位移传感器、数据采集与分析软件三部分组成。为减小地面振动等环境因素对测量结果的影响，将移动平台及激光位移传感器放置于气浮平台。待测工件安装在 x 轴上，随 xy 轴移动，两个激光位移传感器固定安装在气浮平台上，通过 xy 轴的平移运动，实现工件上下表面平面面型及厚度数据的测量，将工件 xy 坐标信息以及传感器测得的 z 向坐标信息进行关联处理，进而完成平面构件平面度与壁厚的计算与分析。图 1 总体方案设计 1.3 非接触测量装置运动及测量组件选择 根据待测平面构件的尺寸大小及精度要求，拟采用 WFTS-250 x250 XY 型气浮平台作为本测量系统 xy 向移动组件，xy 轴行程范围均为250 mm，定位精度为1 m，重复定位精度为0.5 m，直线度误差为1 m，最大可承载工件质量为 20 kg，能够满足平面构件平面度及厚度测量对 xy 轴运动精度的技术需求。选用 CL-3000 型高精度非接触式激光位移传感器。这是一种无需选择安装方法、场所、用途的超小型激光同轴位移计，采用直上直下的测量方法，可高精度测量曲面、凹坑等。采用专用夹具和 PC 软件上的光轴调整功能，可准确调整光轴，实现在双头对射厚度测量时具有高精度测量能力。在测量高度为 303.7 mm时，测量分辨率为 0.25 m，能够满足平面构件对平面度及厚度测量误差的技术需求。1.4 驱动及数据采集程序的集成设计 设计的非接触测量装置主要由xy运动轴以及 z 向双激光位移传感器两部分组成，需要将xy 运动轴的控制系统和激光位移传感器的采集数据集成到一个系统中，进行运动控制、数据采集。因此，基于 Qt6.0.0 开发环境并结合MATLAB 程序，开发了运动控制与数据采集程序，并对采集的数据进行分析，进而获得平面构件的平面度和壁厚误差。集成流程如图 2 所示，为：根据待测工件大小，启动程序控制移动平台与激光位移传感器开始测量。按逐行扫描的策略输入合适的 xy 轴移动参数，并对激光位移传感器的输出数据进行采集。在待测区域内，程序会按固定间距进行采样，并实时判断2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 71 是否满足参数条件，在满足参数条件后会对该点的高度数据进行采样并记录。由程序自动控制完成整个设定区域的数据采集。图 2 数据采集流程 根据总体设计思路以及选择的运动与测量部件，设计的非接触式平面构件平面度、厚度测量系统实物如图 3 所示。图 3 双激光位移传感器平面度与壁厚测量实物 2 非接触测量装置数据采集及试验 2.1 平面构件平面度测量流程及数据采集 为保证测量精度，需要对激光位移传感器进行精确对焦。测量时，将工件安装在 xy 轴上的固定夹具上，移动 xy 轴，采用逐点扫描方式进行面型测量。根据上述测量方式，采集到的数据为一个矩形区域。由于构件的结构特征为圆形薄壁构件，需要判断采集到的数据是否在工件实际范围之内。因此需要在确定工件圆心的基础上，判断采集到的数据点是否符合构件的尺寸及结构特征要求，即：22()()ininxxyy+2r （1）式中：(nx,ny)为工件圆心；(ix,iy)为采集到的数据点；r 为工件半径。根据筛选后的所有坐标与高度数据，创建出一个包含所有数据的三维矩阵。待测工件不会处于绝对水平面，与实际的测量坐标系的坐标平面并不完全重合，测试后未经修正的图形数据如图 4 所示。图 4 通过网格曲面图判断是否平坦 需要以测量平面为基准，对所测数据进行修正。分别以 x 轴与 y 轴为转轴将待测数据生成的平面进行旋转，将每一点 hi乘以其与 x 轴和 y 轴所需转动角度 与 相关的系数，使其保持在水平状态13。即：hi修正hicos cos （2）在对所测数据进行修正的基础上，需要校验保留的数据，检查是否出现因测量导致的异常数据，计算测量数据高度的平均值与标准差，并舍去所有超出数据平均值三倍标准差的数据，只保留在误差范围内的数据。根据上述方法，完成数据的校验后需要将处理后的数据进行插值与均化，使其从离散的点图生成连续的平面图，并最后将其测量到的高度差以颜色的方式表示出来，如图 5 所示。-0.16-0.17-0.18-0.19z/mm-0.165 -0.170 -0.175 -0.180高度差/mm100500050100 y/mm x/mm72 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 2.2 平面构件壁厚测量流程及数据采集 壁厚测量为平面度测量方式的拓展，其基本测量流程是将两个型号相同的激光位移传感器相向放置在载物平面的对称位置，设置好焦距，使两个位移传感器的测量点重合。然后通过移动平台移动工件使得待测工件多个点被传感器测量其在不同方向上的偏移，将两个方向上的位移数据相加即是该点的厚度数据。通过该方法测量工件多个点的壁厚数据即可计算出整个工件的壁厚状况。图 5 平面构件平面度非接触式测量的可视化显示 3 试验验证及误差分析 3.1 平面度误差测量与验证 将一件经过超精密加工的直径 120 mm 圆形纯铜薄壁件通过本测量装置进行测量，其结果与司看科技AM-CELL C200型三坐标测量结果相互验证，以此验证本测量装置精度能否满足超精密加工薄壁件平面度及壁厚的测量需求。通过平面放置在两种测量装置测量台上直接测量的方式，来避免夹具与装夹方式不同对工件造成的变形影响测量，如图 6 所示。对两个相同工件分别使用三坐标测量仪与本实验装置进行测量。测量工件为直径 120 mm的纯铜圆形薄壁件，测量方式为沿中轴线等间隔采集数据绘图。测量结果如图 7 所示。可以看出，本装置与三坐标测量仪平面度测量结果总体一致，但仍存在一定不同。经过计算得到，本装置测得平面度为 0.0101，三坐标测量仪测得平面度为 0.0095，相差 0.0006。本装置测量结果与三坐标测量仪结果相比，本装置选取的基准平面更低，因此总体测量结果数值偏高但反应的面型仍然一致。且根据测量到的数据，测量结果不是最平坦状态，与真实数据存在一定的偏差。但本装置可以反应整体的面型情况，在不要求超高精度的测量时，可以替代三坐标测量仪进行平面度测量。图 6 本装置测量图 （a）本装置 （b）三坐标 图 7 本装置与三坐标对比测量实验 0 25 50 75 100 125 x/mm 1251007550250y/mm 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 厚度/mm 0 25 50 75 100 125 x/mm 1251007550250y/mm 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 厚度/mm 0 25 50 75 100 125 x/mm 125 100 75 50 25 0y/mm-0.165 -0.170 -0.175 -0.180高度差/mm2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 73 3.2 壁厚误差测量与验证 对同一直径 1205 mm 的纯铜平面构件，分别使用本装置以及三坐标测量仪沿同一直径进行对比测量。本装置测量方式如图 6 所示，三坐标测量仪测量时，将该平面构件立式装夹，通过移动测头测量两个表面的对应点位，进而获得构件的壁厚。测量结果如图 8 所示，可以看出，两种测量方式下的壁厚误差具有相同规律。将两种测量方式所得厚度结果相减得到误差结果如图 9 所示，其最大误差范围为2 m，可知本装置能够满足平面构件的测量需求。厚度/mm 图 8 纯铜件厚度测量结果 图 9 纯铜件厚度测量误差 3.3 误差分析 影响平面度及壁厚测量的不确定度来源主要有：运动平台的几何误差和运动学误差、激光位移传感器的测量误差、数据处理误差及夹具误差等。本文重点考察设计的测量系统，即xy 轴运动误差及传感器测量误差对不确定度的影响，并依据测量不确定度评价方式计算为9：21()nEiiiCu=（3）式中：E为合成不确定度；iC为误差传递系数；iu为各因素的标准不确定度；n 为测量点数目。平面度误差公式为10：121212222()()()A xxB yyC zzEABC+=+（4）式中：E 为平面度误差；A、B、C 为工件放置平面与 x、y、z 轴倾角对应的余弦值。在标准情况下，拟合平面的三个法向量彼此正交且 ABC，此时有11：12313EcccA=（5）式中：1c、2c、3c为灵敏度系数。本装置的 xy 轴定位精度不会影响壁厚测量，主要与 xy 轴在 z 方向的直线度误差有关。在置信概率 p99%时，因为 xy 轴测量误差与高度测量误差无关，只来自于运动平台，其扩展不确定度与合成标准不确定度之差包含因子 为2p，可得 xy 轴直线度误差导致的不确定 度 uxuy1.43 m。同轴激光位移传感器的测量分辨率为 0.25 m，在 p99%的情况下，因其测量误差除来自于移动平台外，还来自于激 光位移传感器，所以包含因子为3p，可得 其不确定度 uc0.15 m。误差 0.15 m 符合壁厚测量要求。对于平面度测量误差，代入式（3）计算得：E1.17 m 该误差符合平面度测量要求。4 结语 本文研制了一种基于双激光位移传感器的非接触测量装置，可以实现直径200mm、壁厚5 mm 平面构件平面度及壁厚的非接触式测量、可视化数据表示以及误差评定。该装置与三坐标测量仪平面度测量结果间的误差为 0.6 m，测量不确定度为 1.17 m，壁厚测量误差最大为 1.8 m，平均误差为 0.8 m，测量不确定度为 0.15 m，满足平面度及壁厚的高精度非接触测量需求。74 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 参考文献：1柳占立，初东阳，王涛，等.爆炸和冲击载荷下金属材料及结构的动态失效仿真J.应用数学和力学，2021，42（1）：1-14.2杨扬，彭志强，郭昭亮，等.滑移爆轰条件下高纯铜的层裂行为J.材料科学与工程学报，2016，34（1）：32-37，58.3袁帅，文尚刚，李平，等.强爆轰驱动飞片的数值模拟研究J.爆炸与冲击，2015，35（2）：197-202.4秦志，李斌，张涵，等.金属表面强化后梯度显微结构对力学性能的影响J.航空制造技术，2022，65（15）：41-50.5刘若絮，毛西秦，欧梅桂，等.冷拉拔变形对纯铜组织及性能的影响J.有色金属科学与工程，2022，13（2）：67-75.6刘屹，林有希，俞建超.T2 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