薄壁型鋼表面三維形貌測量系統(tǒng)的研制

陳 龍

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

薄壁型鋼因其重量輕、強度高、性能穩(wěn)定等特性而越來越受到人們的關(guān)注。目前，國內(nèi)外對薄壁型鋼的三維形貌已經(jīng)進行了大量的測試試驗，其中多采用手工方式控制導桿式位移傳感器測量試件表面若干測點，再對測量數(shù)據(jù)進行處理分析。但是，接觸式傳感器的探針與被測試件表面直接接觸，對試件表面產(chǎn)生劃痕之類的破壞，而且接觸力對試件產(chǎn)生微小變形，影響測量精度，同時這種測量方式均由操作者手工操作完成，對操作人員的專業(yè)技術(shù)水平要求比較高，且會造成不同程度的測量誤差。

本文研究了一種自動、快速、精確的三維形貌測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非接觸式測量方法，保證在對試件表面不產(chǎn)生任何損傷的前提下測量試件的三維形貌尺寸，將試件表面的形狀和位置等數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，同時建立試件的三維網(wǎng)格模型，為薄壁型鋼承載問題試驗奠定基礎(chǔ)。

1 薄壁型鋼表面三維形貌測量系統(tǒng)的原理

薄壁型鋼表面三維形貌測量系統(tǒng)主要包括計算機、步進電機、滾珠絲杠、直線導軌和激光位移傳感器［1］。對本系統(tǒng)的基本要求是：①測量時間短，可編程控制測量路徑以及測量的范圍和速度；②傳感器響應(yīng)快，一般1s～2s就能采集一個數(shù)據(jù)；③數(shù)據(jù)存儲空間大，由于需要逐點測距，數(shù)據(jù)量大；④測量誤差能控制在一定范圍之內(nèi)，一般為±0.5mm。本文采用的激光位移傳感器型號為OADM 12U6460／S35A，其響應(yīng)時間＜900μs，線性誤差為±（15～350）μm；步進電機為上海固若金電子科技公司的42BYGH250A 型步進電機，其徑向最大跳動為0.02mm，軸向間隙為0.1mm～0.3mm，步距角為1.8°。可算出步進電機每運動一步，激光位移傳感器沿水平方向運動50μm，可以滿足上述要求。

1.1 薄壁型鋼表面三維形貌測量系統(tǒng)的測量原理

如何控制測量系統(tǒng)在被測試件表面上自動連續(xù)測量曲面輪廓，是本系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵所在。圖1為本系統(tǒng)的機械運動部分原理圖。

圖1 機械運動部分原理圖

圖1中，激光位移傳感器安裝在隨著滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)作直線運動的固定架上，滾珠絲杠與步進電機1連接，在步進電機1帶動下作勻速旋轉(zhuǎn)運動；步進電機2與被測試件連接，通過程序控制被測試件作相關(guān)運動。試件的運動和激光位移傳感器的直線運動相結(jié)合，試件的旋轉(zhuǎn)角度確定被測點的極角，激光位移傳感器的測量數(shù)據(jù)為被測點的極徑，激光位移傳感器的移動距離確定被測點的橫向位置，從而精確測得測點的空間坐標。測量系統(tǒng)工作期間，所有的運動均由控制系統(tǒng)控制，同時記錄下轉(zhuǎn)動信息。

1.2 薄壁型鋼表面三維形貌測量系統(tǒng)的控制原理

測量系統(tǒng)工作時，自動將激光位移傳感器移至初始測量位置，首先在計算機中輸入相關(guān)參數(shù)，設(shè)定測量路徑以及測量的范圍和速度。激光位移傳感器作水平運動到某一位置后，被測試件旋轉(zhuǎn)一定角度，激光位移傳感器對該截面上的若干個點進行測量。該截面測量完成后，激光位移傳感器沿水平方向移動一定距離，進行下個截面的測量。完成整個試件測量后，數(shù)據(jù)保存為Excel文檔，為數(shù)據(jù)后期處理做準備。

圖2為測量系統(tǒng)控制原理圖。該測量系統(tǒng)可根據(jù)操作者的指令控制兩個步進電機［2］運動，向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，將所有點的測量數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)存入到計算機中。

圖2 測量系統(tǒng)控制原理圖

1.3 求解采樣點的空間坐標

由于激光位移傳感器只能測量傳感器激光發(fā)射面到激光反射面的距離，因此必須將測量值轉(zhuǎn)化為各個實際尺寸值［3］。以圓柱薄壁型鋼為例，在圓柱上取n個采樣橫截面，設(shè)每個橫截面上采樣點數(shù)為m。圖3為某一采樣橫截面的測量示意圖，則采樣點的空間坐標可表示為：

pij（ri，θi，zj） i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n。

2 測量系統(tǒng)試驗研究

采用上述測量系統(tǒng)對一圓柱薄壁型鋼試件進行表面三維形貌測量試驗，并繪制所測表面的三維圖形。該試件壁厚為3 mm，外徑為160 mm，長度為600 mm。測量前應(yīng)先對測量試件表面進行網(wǎng)格劃分，試件沿周向均勻設(shè)定200個測點（間隔1.8°），沿軸向設(shè)定41個測點（間隔15mm），共計8 200個測點。

圖3 橫截面測量示意圖

2.1 試驗測量結(jié)果

按照圖2的系統(tǒng)控制原理圖對該試件進行測量，測量完成后分析處理數(shù)據(jù)，將所得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柱坐標系中的三維坐標［4］，測量及轉(zhuǎn)換后的部分數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗測量的部分數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)從Excel表中導入后處理軟件，可得到如圖4所示的三維網(wǎng)格曲面。測量結(jié)果表明，該圓柱薄壁型鋼試件表面總體光潔度較好，但是大約在465 mm 處的截面上有一個凹坑，深度為17mm 左右。

圖4 被測試件表面三維形貌

2.2 影響測量精度因素分析

影響薄壁型鋼表面三維形貌測量系統(tǒng)測量精度的因素包括很多方面：①系統(tǒng)中步進電機的精度直接影響系統(tǒng)水平方向的數(shù)據(jù)zj和工件旋轉(zhuǎn)的極角坐標值θi；②測量平臺的平面度也是影響測量精度的一個重要因素，它直接影響傳感器到基準軸之間的距離D；③測量環(huán)境以及被測試件本身的某些特性也會影響測量精度，例如試件表面的顏色若為黑色或是比較暗的顏色時，由于表面對紅色激光吸收較大，故傳感器接收到的光信息很少，易引起較大的誤差，相反，被測表面為白色或接近白色時測量誤差較小。

3 結(jié)論

本文采用激光位移傳感器作為測量元件，研制了一套薄壁型鋼表面三維形貌測量系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的機械原理和控制原理進行了分析和設(shè)計。通過激光位移傳感器的水平直線運動和被測試件的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)對薄壁型試件的表面三維形貌測量，系統(tǒng)中所有的運動均由計算機控制步進電機實現(xiàn)，測量的路徑以及數(shù)據(jù)的采集和存儲均由計算機自動控制，因此該測量系統(tǒng)具有非接觸、精確、自動、快速等顯著特點。

用該測量系統(tǒng)對一試件進行試驗，所測數(shù)據(jù)和生成的三維圖形符合被測表面的實際形狀，驗證了該系統(tǒng)的適用性。

［1］ 李演楷.激光位移傳感器輸出特性分析及應(yīng)用［D］.長春：吉林大學，2011：6.

［2］ 王勇.步進電機和伺服電機的比較［J］.西部煤化工，2010（12）：47－19.

［3］ 朱萬彬，鐘俊.激光位移傳感器在角度測量中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（6）：131－133.

［4］ 張清富，楊武裝.簡易型激光斷面儀的研制和使用［J］.隧道建設(shè)，2003，23（5）：55－56.