復(fù)雜工件在機測量技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展*

□ 朱煒煒 □ 李全林 □ 葛廣言 □ 王 剛 □ 杜正春 □ 楊建國,

1.寧波科威聯(lián)創(chuàng)數(shù)控技術(shù)有限公司 浙江寧波 315400 2.上海交通大學 機械與動力工程學院 上海 200240

1 研究背景

制造業(yè)是國民經(jīng)濟和國防安全的基礎(chǔ),與國家和社會的盛衰息息相關(guān)[1]。得益于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,我國傳統(tǒng)工業(yè)制造進入到更加信息化、數(shù)字化、自動化的智能制造階段,航空航天、汽車、船舶等制造工業(yè)領(lǐng)域逐漸以中小批量和多品種為生產(chǎn)特點。其中涉及到許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件,尤其是復(fù)雜曲面的加工,如發(fā)動機葉片、變速器殼體等,為保證使用壽命、功能及安全,對于這些零部件的加工質(zhì)量要求非常高[2]。盡管數(shù)字化設(shè)計、數(shù)控加工等技術(shù)發(fā)展迅速,但要進一步提高加工精度和制造效率,必須在機械制造過程中結(jié)合精確的測量技術(shù)和實時的誤差補償技術(shù)才能實現(xiàn)[3]。實際上,不論是工件定位找正、測量加工誤差還是對制造系統(tǒng)的測量,貫穿生產(chǎn)加工過程的測量技術(shù)是設(shè)計環(huán)節(jié)和制造環(huán)節(jié)信息互通的橋梁,是控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段,如圖1所示。

▲圖1 設(shè)計—加工—測量閉環(huán)制造系統(tǒng)▲圖2 三維測量方法分類

根據(jù)測量儀器是否接觸被測對象,可將常見的測量方法分為接觸式、非接觸式測量[4],如圖2所示。

近年來,現(xiàn)代測量技術(shù)飛速發(fā)展,數(shù)控機床在機測量方法逐漸受到重視。所謂在機測量,指將相應(yīng)的在機測量工具,包括機床測頭等硬件、專用測量軟件等軟件,集成于數(shù)控機床加工系統(tǒng),在數(shù)控機床上完成對工件幾何特征測量的一種測量方式,既可以避免工件多次拆裝造成的定位誤差,還有利于實時誤差補償,在很大程度上提高了加工效率[5]。此外,基于各種原理的傳感器測頭也在不斷發(fā)展,特別是以基于激光測量為代表的非接觸式在機測量技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)無損快速測量,對于火箭貯箱壁板、飛機機身蒙皮等這類剛度較低、幾何尺寸較大的大型薄壁曲面零件的自適應(yīng)加工具有重要意義[6]。

然而,數(shù)控機床在機測量的現(xiàn)場測量環(huán)境沒有三坐標測量機等傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)穩(wěn)定,激光傳感器自身比較容易受到振動、溫度等環(huán)境因素的干擾,測量數(shù)據(jù)多存在噪聲,并且測頭的安裝誤差會直接影響系統(tǒng)測量精度,加上機床幾何定位誤差、熱誤差等諸多誤差源的影響,導(dǎo)致在機測量的可追溯性和可重復(fù)性比較差。由于傳感器測量原理的限制,入射角度和測量景深等因素也會影響傳感器的測量精度,尤其是測量對象的結(jié)構(gòu)復(fù)雜時,光路可能被干涉,需要從不同角度和不同位置對零件進行多次測量,因此自動化測量路徑的規(guī)劃是一個難題。此外,目前數(shù)控機床在機測量軟件系統(tǒng)主要適配接觸式測頭,對非接觸式測量的支持比較少,尤其是激光測量的點云數(shù)據(jù),有著數(shù)量冗余、噪聲較多的缺點,另外軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計也是一個挑戰(zhàn)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 在機測量技術(shù)

結(jié)合了先進多樣的傳感技術(shù),在機測量在工件尺寸和精度測量、工件找正、機床健康檢測等方向應(yīng)用廣泛[7-8],按照測量方式主要分為接觸式和非接觸式。

接觸式在機測量與三坐標測量機測量形式類似,輪廓測量精度很高,一般能達到微米級甚至亞微米級,圖3所示為接觸式測頭在機測量系統(tǒng)[9]。目前英國雷尼紹公司和瑞典海克斯康公司在這方面的研究和發(fā)展比較前沿。Zahmati等[10]將接觸式探針應(yīng)用于自由曲面的在機測量,并提出一種優(yōu)化的采樣策略方法以解決測量效率和精度衡量問題。國內(nèi)方面,Xiao Guijian等[11]提出了一種接觸式在機測量方法,并成功應(yīng)用于主推式螺旋槳葉片的精密磨削加工過程,通過優(yōu)化測量路徑和補償測頭半徑誤差,提高了測量精度。韓立彰等[12]采用接觸式探頭實現(xiàn)了對汽車變速箱閥體加工變形的在機測量,并通過機器學習算法,構(gòu)建誤差補償模型,從而提高閥體加工精度。

▲圖3 接觸式測頭在機測量系統(tǒng)

非接觸式測量方式中,以激光掃描式為主。其中,基于激光三角原理測量的激光位移傳感器最具代表性。在機激光測量系統(tǒng)如圖4所示。董祉序等[13]使用激光位移傳感器,對鉆桿螺紋輪廓參數(shù)進行快速測量。張橋杰等[14]采用雙激光位移傳感器,實現(xiàn)了對自轉(zhuǎn)并同時公轉(zhuǎn)中的砂輪直徑的在機測量。Filho等[15]利用激光位移傳感器,測量和控制瓷磚在研磨拋光過程中所去除的最小厚度,從而避免不必要的磨損功耗和磨損廢物,保證瓷磚表面加工質(zhì)量。Nishikawa等[16]將激光位移傳感器用于渦輪葉片橫截面的多軸在機測量,并設(shè)計延時電路,同步接收傳感器與機床數(shù)據(jù)。除了常見的激光位移傳感器外,基于線激光二維傳感器的在機測量方式也得到了研究和應(yīng)用。周晏鋒等[7]基于線激光搭建了一套在機測量系統(tǒng),提出一面兩孔特征的定位找正方法,可用于解決工件裝夾不精確的問題。此外,還有視覺測量、超聲測量等測量方式。汪政[17]基于雙目視覺,實現(xiàn)了對金屬工件關(guān)鍵幾何尺寸的在機測量。劉海波等[18]針對復(fù)雜曲面薄壁零件,研究了面形自適應(yīng)的在機超聲測厚方法。

▲圖4 在機激光測量系統(tǒng)

與常用接觸式測頭和激光位移傳感器這種單點式數(shù)據(jù)采集模式相比,線激光輪廓掃描儀一次掃描便可得到一條有序的采樣點集,可以簡化掃描路徑的規(guī)劃,提高測量效率。目前在機測量研究大多是針對某一特定工件的幾何尺寸測量,對形位公差進行測量和控制的準確性尚未得到充分的測試,并且缺乏對在機測量系統(tǒng)測量精度的評估與試驗研究。

2.2 在機測頭標定

在機測量系統(tǒng)一般將傳感器安裝在運動平臺上,由傳感器所測得數(shù)據(jù)值結(jié)合運動軸參數(shù)得到測量點的三維坐標信息,因而在正式測量前對測頭進行標定和校準是很有必要的。

對于激光測頭進行標定,廣泛依據(jù)的是手眼標定原理,通過相機在不同位姿對目標物進行測量,建立并求解手眼方程[19],一般以球心作為參考定點,如圖5所示。Bi Chao等[20]提出了一種基于球面約束的激光位移傳感器光束矢量校準方法,多次水平移動測頭,建立非線性方程組,可求解出傳感器光束單位矢量。Shen Yijun等[21]在此基礎(chǔ)上提出兩步快速標定法,第一步先預(yù)估激光光束方向,為優(yōu)化步驟提供初始值,第二步通過掃描大量點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化,得到光束矢量的最優(yōu)解。張麗艷等[22]在激光位移傳感器測量數(shù)值不變的前提下,在不同的測量角度下對標準球進行掃描測量,以球心為固定靶標,建立線性超靜定方程,求解相關(guān)參數(shù)的最優(yōu)解,此外還考慮了機床運動的定位誤差對于測量結(jié)果所產(chǎn)生的影響,并且通過補償將誤差降低了83%。Santolaria等[23]提出一種安裝在關(guān)節(jié)臂坐標測量機的激光位移傳感器的內(nèi)部和外部校準方法,集成了傳感器與機械手的數(shù)學模型,具有可重復(fù)性和準確性。Smith等[24]將點激光集成到三坐標測量機上,基于局部多面體對激光測頭進行外部參數(shù)校準,由此提出一種可以自主執(zhí)行并提供線性解決方案的精確校準方法。

▲圖5 在機激光測量系統(tǒng)安裝位姿標定

關(guān)于線激光傳感器安裝位姿的標定問題,hang Shaokun等[25]采用一個特定的標定件對線激光的安裝誤差進行標定,并利用轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn),分步校準線激光的激光平面偏角。徐淑婷[26]采用一個階梯標定塊對安裝在三軸機床的線激光安裝位姿進行標定,并通過可微調(diào)夾具進行角度校準。曹新航[27]分析了采用球面約束進行標定的方法的缺點,并提出了基于平面和參考球分步標定的改進方法,借助機床探頭輔助,降低了待求解方程的復(fù)雜度。Joung等[28]通過線激光測量平面圓孔的特征,如弦長和弦的中點變化,以單點匹配的方式分步實現(xiàn)測頭位姿的自主校正。Sharifzadeh等[29]提出一種基于平面掃描線的圓形陣列,對線激光安裝位姿進行手眼標定的方法,并通過仿真進一步研究了機器人位置對校準過程的影響。

目前測頭位姿標定主要存在兩方面問題。一是大多依賴旋轉(zhuǎn)運動軸實現(xiàn)測頭對目標物的多角度測量,且標定測量路徑比較復(fù)雜,這類方法應(yīng)用于三軸機床等運動平臺時,會由于受到自由度限制而難以實現(xiàn)。二是普遍以參考球作為標定件,通過球面約束建立非線性方程組求最優(yōu)解難度較大,且將球心坐標作為未知數(shù)一同求出,增加了冗余標定參數(shù),降低標定方程求解效率。此外,針對線激光傳感器的安裝誤差標定方法,大多需要分步完成,影響標定效率。如何應(yīng)用線激光傳感器自身的二維測量數(shù)據(jù)特征來完成快速簡單的測頭安裝位姿標定,這是筆者研究的重要內(nèi)容之一。

2.3 測量數(shù)據(jù)處理

在測量過程中,由于傳感器自身或者現(xiàn)場環(huán)境等多方面的影響,如傳感器精度限制、系統(tǒng)振動、被測表面缺陷等,使測量數(shù)據(jù)難免存在測量噪聲。點云數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)共同決定了被測零件實際幾何輪廓測量的精確度和完整性,因此對于三維點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、配準等數(shù)據(jù)處理和誤差分析是很有必要的。

在點云數(shù)據(jù)預(yù)處理方面,主要包含異常點剔除、降噪、精簡等方面。劉宏等[30]針對掃描線點云的特點,總結(jié)了點云數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法和流程,詳細說明了判斷剔除異常點、點云拼接對齊、平滑濾波等算法原理。徐淑婷[26]同時疊加應(yīng)用多種濾波算法,完成去噪工作。陶冶等[31]針對點云精簡問題,通過樣條對數(shù)據(jù)進行插值,進而提取輪廓數(shù)據(jù),直至滿足精度要求,試驗表明,該方法從光順性和精簡效果方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的弦高差法。Budak等[32]基于偏差分析和模糊邏輯推理,提出一個點云數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng),重點在于基于模糊邏輯對點云數(shù)據(jù)的精簡處理,試驗證明,這一方法能夠有效濾掉冗余的點云數(shù)據(jù),高度還原掃描模型。Irfan等[33]關(guān)注到點云的顏色屬性,應(yīng)用幾何和顏色之間的相關(guān)性,提出一種基于圖像優(yōu)化的去噪方法。

在曲面重建與配準方面,Lai Jintao等[34]提出T樣條擬合曲面的方法,相較于傳統(tǒng)的非均勻有理B樣條曲面,該方法所需采樣點數(shù)更少,提高了擬合精度,在局部細化方面更具有優(yōu)勢。王永青等[35]研究了點云數(shù)據(jù)重建模型與原始設(shè)計模型配準問題,基于粒子群優(yōu)化算法對傳統(tǒng)最近點迭代算法進行了改進,并且應(yīng)用于螺旋槳葉片的測量試驗,驗證了該算法對于復(fù)雜曲面的適用性。藺小軍等[36]提出一種針對葉片測量數(shù)據(jù)與之對應(yīng)理論輪廓截線匹配的最近點迭代改進算法,避免了全局搜索,提高了配準效率。Sitnik等[37]優(yōu)先考慮計量精度,針對全場光學系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù),提出了一種基于區(qū)域增長的點云分割方法,使每一個點都與對應(yīng)的計算機輔助設(shè)計模型表面相關(guān)聯(lián)。Kim等[38]基于深度學習技術(shù),實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)中管道組件的識別與檢索,通過逆向工程生成三維計算機輔助設(shè)計工廠模型。

在誤差評定與分析方面,除了獲得被測表面的加工誤差分布偽彩圖,還需要得到準確的幾何特征測量結(jié)果。劉盼等[39]提出一種基于點激光的平面度在機測量方法,對點云數(shù)據(jù)進行濾波降噪后,采用最小二乘法進行平面度誤差評定,滿足工程需求。史云鵬[40]使用三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集,采用改進的蜂群算法,優(yōu)化了直線度、平面度、圓柱度等形位誤差數(shù)學模型,實現(xiàn)復(fù)雜零件的質(zhì)量檢測。由于線激光測量數(shù)據(jù)中含有不同尺度大小的噪點,一般難以采用某種通用濾波方法進行降噪,而且數(shù)據(jù)量過于龐大,對于評定形位誤差還需要合理采樣。如何基于線激光測量數(shù)據(jù)對零件形位誤差進行準確可靠地評定,這也是筆者的重點研究內(nèi)容。

3 數(shù)控機床復(fù)雜工件在機測量發(fā)展建議

以三坐標測量機為代表的傳統(tǒng)離線測量方式雖然具有高精度、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,但是在測量過程中需要反復(fù)拆卸和夾緊工件,不利于實時補償加工誤差,影響加工和質(zhì)量檢測的精度和效率。對于一些具有復(fù)雜型面的工件來說,表面加工質(zhì)量對于工件在光學、流體力學等方面所表現(xiàn)的性能至關(guān)重要,若采用接觸式測量表面加工誤差,可能會對待測表面造成損傷。針對上述問題,筆者建議采用基于線激光的在機測量方法,實現(xiàn)對于加工工件的非接觸式高精度快速測量。未來一階段的研究內(nèi)容建議包括四部分。

(1) 合理應(yīng)用三軸數(shù)控機床的測量空間,構(gòu)建線激光在機測量系統(tǒng),完成硬軟件部分設(shè)計。其中,硬件系統(tǒng)的重點內(nèi)容應(yīng)該包括采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、供電模塊、數(shù)控機床、上位機等,軟件系統(tǒng)重點內(nèi)容應(yīng)該包括點云數(shù)據(jù)的獲取、預(yù)處理、點集配準、形位誤差評定模型等模塊,并開展相關(guān)應(yīng)用試驗。

(2) 針對在機激光測頭的安裝位姿標定問題,研究線激光安裝位姿快速全局標定方法,并對標定方法進行驗證。

(3) 研究在機測量點云數(shù)據(jù)獲取及處理方法,可以考慮將直通濾波、統(tǒng)計濾波、曲線擬合相結(jié)合的組合濾波方法,實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)不同尺度的噪點進行由大到小的噪聲剔除,采用體素網(wǎng)格濾波精簡方法,完成點云預(yù)處理操作。針對曲面點云模型配準問題,可以考慮理想計算機輔助設(shè)計模型離散化采樣,并基于最小包容原理,建立平面度、面輪廓度等典型形位誤差評估模型,通過試驗驗證其可行性。

(4) 作為一個完整的測量系統(tǒng),在機測量的測量精度是表征該系統(tǒng)性能好壞的一大指標,對此可以參考三坐標測量機性能驗收測試標準ISO 10360-8《幾何產(chǎn)品規(guī)范(GPS) 坐標測量系統(tǒng)(CMS)的驗收和復(fù)檢試驗 第8部分:帶光學距離傳感器的三坐標測量機》的要求,對在機測量系統(tǒng)進行探測特性及長度測量的檢驗、測試,對測量系統(tǒng)的測量精度做出評估。