高精度平面構(gòu)件平面度及壁厚非接觸測(cè)量裝置研制

毛強(qiáng)　蔣志強(qiáng)

摘要：為實(shí)現(xiàn)純鉛、純錫等軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件平面度及壁厚的高精度、非接觸式無(wú)損測(cè)量，本文提出一種基于雙激光位移傳感器的非接觸式測(cè)量方法，采用CL-3000型雙激光位移傳感器以及高精度兩維氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)建了非接觸測(cè)量裝置，基于Qt開(kāi)發(fā)環(huán)境和MATLAB程序，開(kāi)發(fā)了運(yùn)動(dòng)控制與平面度、壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)采集、處理程序。與三坐標(biāo)測(cè)量比對(duì)結(jié)果表明，研制的非接觸測(cè)量裝置能夠滿足軟質(zhì)金屬材料平面構(gòu)件平面度及壁厚的高精度非接觸式測(cè)量需求。

關(guān)鍵詞：平面構(gòu)件；平面度；壁厚；非接觸測(cè)量；不確定度分析

中圖分類號(hào)：TH-39?????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.010

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 08-0069-06

Development of a High-Precision Non-Contact Measurement Device for Flatness andWall 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

由純銅、純鋁、純錫等軟質(zhì)純高塑性金屬材料加工形成的高精度薄壁平面零件，常用于材料斷裂力學(xué)性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)，其平面度、壁厚以及表面質(zhì)量等技術(shù)參數(shù)，對(duì)該類實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重要影響。針對(duì)該類構(gòu)件，通常采用超精密切削方式進(jìn)行加工，而如何對(duì)其平面度、壁厚等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量與表征，對(duì)于提高構(gòu)件制造質(zhì)量進(jìn)而提升物理實(shí)驗(yàn)的置信度具有重要意義^[1-7]。

當(dāng)前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machine，CMM）是應(yīng)用最廣泛的測(cè)量裝備，具有較高的效率與精準(zhǔn)度，可以準(zhǔn)確得出平面構(gòu)件平面度及壁厚等參數(shù)。但對(duì)于經(jīng)過(guò)超精密加工的軟質(zhì)平面構(gòu)件，基于三坐標(biāo)的接觸式測(cè)量方式，在接觸力的作用下會(huì)劃傷工件表面，從而影響后續(xù)的物理實(shí)驗(yàn)。采用動(dòng)態(tài)激光干涉儀可以實(shí)現(xiàn)平面構(gòu)件平面度的非接觸式測(cè)量，但無(wú)法用于厚度測(cè)量^[8-9]。因此，本文針對(duì)上述軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件平面度及壁厚的高精度測(cè)量需求，提出一種基于雙激光位移傳感器的非接觸式測(cè)量方法，進(jìn)行非接觸測(cè)量裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并完成裝置構(gòu)建，基于研制的裝置，進(jìn)行了平面構(gòu)件平面度和壁厚的測(cè)試試驗(yàn)。

1 非接觸測(cè)量裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件技術(shù)要求

物理實(shí)驗(yàn)常用的純錫、純銅等軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件直徑≤Φ200 mm、壁厚≤5 mm，平面度誤差≥3 μm、壁厚測(cè)量誤差≤5 μm。

1.2 非接觸測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件平面度、壁厚的測(cè)量，設(shè)計(jì)的平面構(gòu)件非接觸測(cè)量裝置總體方案如圖1所示，主要由xy方向移動(dòng)平臺(tái)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、兩個(gè)高精度非接觸式激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析軟件三部分組成。為減小地面振動(dòng)等環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，將移動(dòng)平臺(tái)及激光位移傳感器放置于氣浮平臺(tái)。待測(cè)工件安裝在x軸上，隨xy軸移動(dòng)，兩個(gè)激光位移傳感器固定安裝在氣浮平臺(tái)上，通過(guò)xy軸的平移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件上下表面平面面型及厚度數(shù)據(jù)的測(cè)量，將工件xy坐標(biāo)信息以及傳感器測(cè)得的z向坐標(biāo)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，進(jìn)而完成平面構(gòu)件平面度與壁厚的計(jì)算與分析。

1.3 非接觸測(cè)量裝置運(yùn)動(dòng)及測(cè)量組件選擇

根據(jù)待測(cè)平面構(gòu)件的尺寸大小及精度要求，擬采用WFTS-250x250 XY型氣浮平臺(tái)作為本測(cè)量系統(tǒng)xy向移動(dòng)組件，xy軸行程范圍均為250 mm，定位精度為±1 μm，重復(fù)定位精度為±0.5 μm，直線度誤差為±1 μm，最大可承載工件質(zhì)量為20 kg，能夠滿足平面構(gòu)件平面度及厚度測(cè)量對(duì)xy軸運(yùn)動(dòng)精度的技術(shù)需求。

選用CL-3000型高精度非接觸式激光位移傳感器。這是一種無(wú)需選擇安裝方法、場(chǎng)所、用途的超小型激光同軸位移計(jì)，采用直上直下的測(cè)量方法，可高精度測(cè)量曲面、凹坑等。采用專用夾具和PC軟件上的光軸調(diào)整功能，可準(zhǔn)確調(diào)整光軸，實(shí)現(xiàn)在雙頭對(duì)射厚度測(cè)量時(shí)具有高精度測(cè)量能力。在測(cè)量高度為30±3.7 mm時(shí)，測(cè)量分辨率為0.25 μm，能夠滿足平面構(gòu)件對(duì)平面度及厚度測(cè)量誤差的技術(shù)需求。

1.4 驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集程序的集成設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的非接觸測(cè)量裝置主要由xy運(yùn)動(dòng)軸以及z向雙激光位移傳感器兩部分組成，需要將xy運(yùn)動(dòng)軸的控制系統(tǒng)和激光位移傳感器的采集數(shù)據(jù)集成到一個(gè)系統(tǒng)中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集。因此，基于Qt6.0.0開(kāi)發(fā)環(huán)境并結(jié)合MATLAB程序，開(kāi)發(fā)了運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集程序，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得平面構(gòu)件的平面度和壁厚誤差。集成流程如圖2所示，為：根據(jù)待測(cè)工件大小，啟動(dòng)程序控制移動(dòng)平臺(tái)與激光位移傳感器開(kāi)始測(cè)量。按逐行掃描的策略輸入合適的xy軸移動(dòng)參數(shù)，并對(duì)激光位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在待測(cè)區(qū)域內(nèi)，程序會(huì)按固定間距進(jìn)行采樣，并實(shí)時(shí)判斷是否滿足參數(shù)條件，在滿足參數(shù)條件后會(huì)對(duì)該點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并記錄。由程序自動(dòng)控制完成整個(gè)設(shè)定區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)思路以及選擇的運(yùn)動(dòng)與測(cè)量部件，設(shè)計(jì)的非接觸式平面構(gòu)件平面度、厚度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

2 非接觸測(cè)量裝置數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)

2.1 平面構(gòu)件平面度測(cè)量流程及數(shù)據(jù)采集

為保證測(cè)量精度，需要對(duì)激光位移傳感器進(jìn)行精確對(duì)焦。測(cè)量時(shí)，將工件安裝在xy軸上的固定夾具上，移動(dòng)xy軸，采用逐點(diǎn)掃描方式進(jìn)行面型測(cè)量。根據(jù)上述測(cè)量方式，采集到的數(shù)據(jù)為一個(gè)矩形區(qū)域。由于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征為圓形薄壁構(gòu)件，需要判斷采集到的數(shù)據(jù)是否在工件實(shí)際范圍之內(nèi)。因此需要在確定工件圓心的基礎(chǔ)上，判斷采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)是否符合構(gòu)件的尺寸及結(jié)構(gòu)特征要求，即：

在對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上，需要校驗(yàn)保留的數(shù)據(jù)，檢查是否出現(xiàn)因測(cè)量導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)高度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，并舍去所有超出數(shù)據(jù)平均值三倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)，只保留在誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述方法，完成數(shù)據(jù)的校驗(yàn)后需要將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值與均化，使其從離散的點(diǎn)圖生成連續(xù)的平面圖，并最后將其測(cè)量到的高度差以顏色的方式表示出來(lái)，如圖5所示。

2.2 平面構(gòu)件壁厚測(cè)量流程及數(shù)據(jù)采集

壁厚測(cè)量為平面度測(cè)量方式的拓展，其基本測(cè)量流程是將兩個(gè)型號(hào)相同的激光位移傳感器相向放置在載物平面的對(duì)稱位置，設(shè)置好焦距，使兩個(gè)位移傳感器的測(cè)量點(diǎn)重合。然后通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)工件使得待測(cè)工件多個(gè)點(diǎn)被傳感器測(cè)量其在不同方向上的偏移，將兩個(gè)方向上的位移數(shù)據(jù)相加即是該點(diǎn)的厚度數(shù)據(jù)。通過(guò)該方法測(cè)量工件多個(gè)點(diǎn)的壁厚數(shù)據(jù)即可計(jì)算出整個(gè)工件的壁厚狀況。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及誤差分析

3.1 平面度誤差測(cè)量與驗(yàn)證

將一件經(jīng)過(guò)超精密加工的直徑120 mm圓形純銅薄壁件通過(guò)本測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果與司看科技AM-CELL C200型三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果相互驗(yàn)證，以此驗(yàn)證本測(cè)量裝置精度能否滿足超精密加工薄壁件平面度及壁厚的測(cè)量需求。通過(guò)平面放置在兩種測(cè)量裝置測(cè)量臺(tái)上直接測(cè)量的方式，來(lái)避免夾具與裝夾方式不同對(duì)工件造成的變形影響測(cè)量，如圖6所示。

對(duì)兩個(gè)相同工件分別使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x與本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量工件為直徑120 mm的純銅圓形薄壁件，測(cè)量方式為沿中軸線等間隔采集數(shù)據(jù)繪圖。測(cè)量結(jié)果如圖7所示。可以看出，本裝置與三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x平面度測(cè)量結(jié)果總體一致，但仍存在一定不同。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，本裝置測(cè)得平面度為0.0101，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)得平面度為0.0095，相差0.0006。本裝置測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x結(jié)果相比，本裝置選取的基準(zhǔn)平面更低，因此總體測(cè)量結(jié)果數(shù)值偏高但反應(yīng)的面型仍然一致。且根據(jù)測(cè)量到的數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果不是最平坦?fàn)顟B(tài)，與真實(shí)數(shù)據(jù)存在一定的偏差。但本裝置可以反應(yīng)整體的面型情況，在不要求超高精度的測(cè)量時(shí)，可以替代三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行平面度測(cè)量。

3.2 壁厚誤差測(cè)量與驗(yàn)證

對(duì)同一直徑120×5 mm的純銅平面構(gòu)件，分別使用本裝置以及三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x沿同一直徑進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。本裝置測(cè)量方式如圖6所示，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)，將該平面構(gòu)件立式裝夾，通過(guò)移動(dòng)測(cè)頭測(cè)量?jī)蓚€(gè)表面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位，進(jìn)而獲得構(gòu)件的壁厚。測(cè)量結(jié)果如圖8所示，可以看出，兩種測(cè)量方式下的壁厚誤差具有相同規(guī)律。將兩種測(cè)量方式所得厚度結(jié)果相減得到誤差結(jié)果如圖9所示，其最大誤差范圍為±2 μm，可知本裝置能夠滿足平面構(gòu)件的測(cè)量需求。

3.3 誤差分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文研制了一種基于雙激光位移傳感器的非接觸測(cè)量裝置，可以實(shí)現(xiàn)直徑≤Φ200mm、壁厚≤5 mm平面構(gòu)件平面度及壁厚的非接觸式測(cè)量、可視化數(shù)據(jù)表示以及誤差評(píng)定。

該裝置與三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x平面度測(cè)量結(jié)果間的誤差為0.6 μm，測(cè)量不確定度為1.17 μm，壁厚測(cè)量誤差最大為1.8 μm，平均誤差為0.8 μm，測(cè)量不確定度為0.15 μm，滿足平面度及壁厚的高精度非接觸測(cè)量需求。

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