基于線激光位移傳感器的孔毛刺測量與評價(jià)

梁 杰，張康寧，邱 益

(鄭州大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，鄭州 450001)

疊層材料綜合了單一材料的特性，既減輕了結(jié)構(gòu)重量又保證了結(jié)構(gòu)性能，近些年在飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。隨之而來的則是飛機(jī)裝配過程中針對疊層材料的鉆孔量激增，減小疊層材料的層間毛刺和表層毛刺對實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件的一次裝配有重要意義?？焖倬_地測量出毛刺的幾何形貌并給出表征參數(shù)，有助于更便捷和靈活地獲取鉆孔工藝優(yōu)化的毛刺評價(jià)指標(biāo)。

毛刺檢測方法可分為兩種：接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量易用低成本的硬件實(shí)現(xiàn)，但效率低，同時(shí)由于接觸力會改變毛刺的形狀，故很難測量到毛刺的真實(shí)高度[1]。SW Park等[2]利用錐光全息測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了孔毛刺高度的測量。胡力闖等[3]利用激光顯微鏡測量了孔毛刺高度和毛刺選定區(qū)域的形貌。梁杰[4]利用工具顯微鏡實(shí)現(xiàn)了對孔毛刺根厚度的測量。Nakao等[5]利用圖像處理技術(shù)搭建了測量毛刺高度與根厚度的系統(tǒng)，測量精度為50 μm?，F(xiàn)有通過專用設(shè)備的非接觸式測量模式不能實(shí)現(xiàn)對孔全域的毛刺高度、根厚度及形貌的綜合快速測量，并且專用設(shè)備輸出的測量數(shù)據(jù)不能自動實(shí)現(xiàn)毛刺期望評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算。

隨著線激光位移傳感器測量精度、采樣點(diǎn)數(shù)和采樣速度的提升，越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)測量。伍川輝等[6]利用線激光位移傳感器對軌道交通列車輪對的幾何尺寸進(jìn)行了測量。馬金鈺等[7]研究了三個(gè)線激光位移傳感器角度安裝誤差對工件直徑測量結(jié)果的影響，并提出了校準(zhǔn)方法。劉源等[8]針對小圓孔精密測量難度大的問題，構(gòu)建了基于線激光的圓孔尺寸測量系統(tǒng)，其直徑測量誤差最小為2 μm。張旭等[9]提出了一種基于線激光傳感器的工件尺寸測量系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償方法，大大提高了工件尺寸測量精度，從補(bǔ)償前的520 μm提高到了40 μm。尤勇等[10]基于線激光研制了客車踏板孔位直徑檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)的測量精度為±0.25 mm。劉旭[11]提出了一種基于工業(yè)機(jī)器人結(jié)合線激光位移傳感器的發(fā)動機(jī)葉片測量方法，可以快速得到葉片的測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，顯著提高了測量效率。潘建州等[12]以線激光位移傳感器為主體，構(gòu)建了蝸桿綜合偏差檢測平臺，其能夠?qū)ξ仐U型面進(jìn)行快捷準(zhǔn)確的檢測。馬振飛[13]將線激光傳感器與機(jī)器人運(yùn)動相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)鑄件型面的高效檢測。鄧世祥等[14]通過在立式數(shù)控加工中心搭載線激光位移傳感器，并結(jié)合入射傾角誤差補(bǔ)償策略實(shí)現(xiàn)了航空葉片型線數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確的測量。周晏鋒等[15]通過在機(jī)床上加裝線激光位移傳感器，并結(jié)合標(biāo)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對平面和孔的掃描測量，以確定工件在機(jī)床中的精確位置。上述研究可以發(fā)現(xiàn)線激光的準(zhǔn)確測量要考慮激光入射光線和待測工件的姿態(tài)，以及待測工件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等。毛刺從尺度上看屬于細(xì)觀結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為尖銳、非連續(xù)、非光滑和易突變。

本文基于線激光位移傳感器搭建了一套孔毛刺測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)孔全域毛刺高度、根厚度的測量和幾何形貌展示，并基于最小二乘中線、算術(shù)平均波動和均方根波動計(jì)算毛刺評價(jià)指標(biāo)。該研究有助于提高孔毛刺檢測效率，對鉆孔工藝參數(shù)的優(yōu)化具有重要意義。

1 測量原理及誤差分析

1.1 毛刺測量原理

本文選擇基恩士LJ-G030高精度2D激光位移傳感器測量孔毛刺，其測量原理如圖1所示，工件沿Y軸做勻速運(yùn)動，并按指定位移間隔觸發(fā)激光位移傳感器采樣，從而實(shí)現(xiàn)待測孔周邊輪廓信息的獲取。基于該方法搭建的測量裝置實(shí)物如圖2所示，工件水平放置在精密滑臺上，帶絕對編碼器的步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動精密滑臺實(shí)現(xiàn)工件沿Y軸的勻速移動，精密滑臺每運(yùn)動0.04 mm觸發(fā)激光位移傳感器采樣一次。

圖1 孔毛刺測量原理Fig.1 Measuring principle of hole burr

圖2 測量裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical image of measuring device

1.2 測量誤差分析

1.2.1 雜散光誤差影響

雜散光指的是在實(shí)際測量中激光接收器捕獲到除被測表面以外反射回的光線[12],主要分為底面雜散光和側(cè)面雜散光，如圖3所示。底面雜散光是由于線激光照射到孔底面時(shí)，一部分光線會經(jīng)孔壁反射到激光接收器。側(cè)面雜散光是由于線激光傾斜時(shí)照射到孔壁，此時(shí)會反射到孔底面被接收器接收。因此，底面雜散光和側(cè)面雜散光都是采集到被測表面以外的光線從而影響測量效果。根據(jù)前期試驗(yàn)，本文通過在待測孔里填充白色柔性紙消除雜散光的不利影響。

1.2.2 2D激光傾斜誤差

測量裝置的安裝過程會引入裝配誤差，其中激光位移傳感器繞Y軸(見圖1)的傾斜(見圖4(a))會產(chǎn)生測量誤差。為了消除該誤差，本文使用區(qū)域1和區(qū)域2的數(shù)據(jù)計(jì)算擬合線，并將其繞測量中心旋轉(zhuǎn)為水平，從而實(shí)現(xiàn)傾斜校正，其過程如圖4(b)和圖4(c)所示。

圖3 雜散光影響Fig.3 Influence of stray light

圖4 線激光傾斜誤差及校正Fig.4 Tilt error and correction of 2D laser

2 孔毛刺測量與評價(jià)方法

2.1 毛刺測量算法

將線激光位移傳感器的每次采樣分為兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Qi(xi,zi)}和{Qj(xj,zj)}，在對{Qj(xj,zj)}部分進(jìn)行計(jì)算時(shí)，先將點(diǎn)集中的x坐標(biāo)倒序存放，經(jīng)過檢測與計(jì)算后再還原。針對數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Q}計(jì)算毛刺高度與根厚度，步驟如下：

Step1截取毛刺輪廓。

根據(jù)采集的原始數(shù)據(jù)設(shè)定閾值k(k值由被測材料表面粗糙度決定，可觀察原始數(shù)據(jù)得出)，若zi+3-zi>k就令u=zi，如果zi>u則將數(shù)據(jù)點(diǎn)存入新的集合{Qb(xb,zb)}，該數(shù)據(jù)集用于描述毛刺輪廓。圖5所示為被測孔一次采樣的輪廓圖，圖6所示為用上述方法截取的毛刺輪廓。

圖5 被測孔一次采樣的輪廓圖Fig.5 Profile of a hole sampled at a time

圖6 算法截取的毛刺輪廓Fig.6 Profile of the burr intercepted by the algorithm

Step2求解平面高度。

對于原始的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Q}，將沒有達(dá)到閾值k之前的數(shù)據(jù)點(diǎn)存入一個(gè)數(shù)據(jù)集合{Qu(xu,zu)}，并計(jì)算zu的平均值A(chǔ)，將A定義為被測件的平面高度。

Step3提取波峰。

針對截取的毛刺輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Qb(xb,zb)}，如果zb>zb-1且zb

Step4計(jì)算毛刺高度。

毛刺高度H為波峰與平面高度之差，即

H=zmax-A

(1)

Step5計(jì)算毛刺根厚度。

在毛刺輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Qb(xb,zb)}中，記第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為(xa,za)，波峰的數(shù)據(jù)點(diǎn)為(xb,zmax)，其中a和b分別為第a個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和第b個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。而每一條激光線中相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離為固定值L，則毛刺根厚度T為

T=(b-a)×L

(2)

毛刺高度與根厚度的計(jì)算示意如圖7所示。根據(jù)每次采樣獲取的待測孔毛刺高度與根厚度數(shù)據(jù)，便可描述整個(gè)孔的毛刺輪廓。

圖7 毛刺高度與根厚度計(jì)算方法Fig.7 Calculation method of burr height and root thickness

2.2 孔毛刺評價(jià)

通過上述毛刺測量算法可得到每次采樣的毛刺高度與根厚度信息，但為便于觀察毛刺分布和評價(jià)待測孔的質(zhì)量，需要找到每次采樣后計(jì)算獲得的毛刺高度值和根厚度值與被測孔圓周展開的對應(yīng)關(guān)系，具體方法如下(見圖8)：

假設(shè)通過n次采樣完成待測孔的遍歷，這可等效為孔被n條激光線同時(shí)測量，其中孔邊緣兩條與孔相切的激光線各獲取圓周上一個(gè)位置的毛刺數(shù)據(jù)，中間的激光線則獲取圓周上兩個(gè)位置的毛刺數(shù)據(jù)。規(guī)定第1條激光線L1的毛刺數(shù)據(jù)對應(yīng)圓周展開度數(shù)為0°，第n條激光線Ln對應(yīng)展開度數(shù)為180°，中間第m條激光線Lm兩端毛刺數(shù)據(jù)對應(yīng)的展開度數(shù)分別為

(3)

圖8 毛刺高度和根厚度與圓周展開度數(shù)的對應(yīng)方法Fig.8 Burr height and root thickness corresponding to the degree of circumference expansion

利用圖8的方法得到測量數(shù)據(jù)與圓周展開度數(shù)的對應(yīng)后，便可描繪待測孔的毛刺高度及根厚度沿圓周方向的波動。圖9所示為測量某鋼板5 mm孔出口處的毛刺高度波動。進(jìn)一步本文將用波動線的最小二乘中線評價(jià)待測孔毛刺的平均高度和根厚度，并用算術(shù)平均波動和均方根波動來描述毛刺的均勻性，實(shí)現(xiàn)毛刺的量化評價(jià)。上述最小二乘中線定義為波動線上各點(diǎn)至該線的距離平方和最小的水平直線，算術(shù)平均波動Wa為波動線上各點(diǎn)至最小二乘中線距離絕對值的算術(shù)平均偏差,均方根波動Wq為波動線上各點(diǎn)至最小二乘中線距離的均方根值。Wa和Wq的計(jì)算公式為：

(4)

式中：n為波動線上點(diǎn)的個(gè)數(shù)，s為波動線上的點(diǎn)到最小二乘中線的距離。

圖9 孔毛刺波動及量化評價(jià)指標(biāo)Fig.9 Hole burr fluctuation and quantitative evaluation index

3 孔毛刺測量精度實(shí)驗(yàn)

3.1 重復(fù)度測試

重復(fù)度測試使用本系統(tǒng)對三個(gè)鉆孔出口毛刺的平均高度進(jìn)行測量，鉆孔對象為厚度2 mm的6061鋁合金板。對每組樣品分別進(jìn)行20次測量實(shí)驗(yàn)，為避免光照影響，測量時(shí)在沒有日光直射的環(huán)境中進(jìn)行。三個(gè)孔的重復(fù)度測量結(jié)果如圖10所示。

在沒有光源干擾的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了此三組測試，激光位移傳感器工作距離為10 mm，測量精度為1 μm。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，第一組樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為43.48～44.27 μm，第二組樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為41.04～41.7 μm，第三組樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為52.64～53.2 μm，系統(tǒng)的重復(fù)性測量誤差<0.8 μm，具有很好的穩(wěn)定性。

(a)孔1重復(fù)測量結(jié)果

3.2 準(zhǔn)確度測試

準(zhǔn)確度測試使用德國布魯克NPFLEX三維形貌儀和千分表分別對重復(fù)度測試的三個(gè)樣品進(jìn)行毛刺高度測量。由于千分表會對毛刺造成一定程度的破壞，因此先用三維形貌儀進(jìn)行測量。千分表和三維形貌儀的測量方案如圖11所示，兩種方案均選取孔邊緣相同的四個(gè)位置進(jìn)行測量，并取四個(gè)值的算術(shù)平均值作為待測孔出口處的平均毛刺高度，測試結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，千分表的測量值小于三維形貌儀與本文方法的測量值，這主要因千分表為接觸式測量，測量過程的接觸力引發(fā)了毛刺壓縮變形。線激光與三維形貌儀的測量差異則可歸結(jié)為采樣點(diǎn)數(shù)的不同，即三維形貌儀在測量時(shí)只選取了四個(gè)點(diǎn)的毛刺高度進(jìn)行測量，而本系統(tǒng)對孔全域進(jìn)行了掃描測量。

通過上述重復(fù)度和準(zhǔn)確度測試結(jié)果可以看出，本文基于線激光位移傳感器開發(fā)的測量系統(tǒng)可以滿足毛刺測量需求。

4 孔毛刺測量應(yīng)用

結(jié)合前文的毛刺測量算法和孔毛刺評價(jià)指標(biāo)，本文基于PyQt5開發(fā)了孔毛刺評價(jià)系統(tǒng)(見圖12)，該系統(tǒng)不僅可以可視化孔全域的毛刺3D形貌和2D波動，還可給出毛刺及其評價(jià)指標(biāo)的量化值。其可方便用于以減小毛刺為主要目標(biāo)的鉆孔工藝優(yōu)化。圖13給出了三種不同的鉆削工藝，其差異主要體現(xiàn)在當(dāng)鉆尖到達(dá)工件底層(圖13中t時(shí)刻)至完全鉆出(圖13中t′時(shí)刻)這段時(shí)間的進(jìn)給量變化，工藝A為按正弦曲線的漸進(jìn)變進(jìn)給，工藝B為階躍變進(jìn)給，工藝C為恒進(jìn)給，三種工藝下主軸轉(zhuǎn)速相同(2 000 r/min)。圖14～圖16展示了三種不同鉆削工藝下孔出口處毛刺高度和根厚度的波動情況，根據(jù)2.2節(jié)定義的評價(jià)指標(biāo)，可以看出工藝B對毛刺高度和根厚度有最好的抑制(比較圖中M值)，并能得到較工藝A和C均勻的毛刺(比較圖中Wa和Wq值)。

圖12 孔毛刺評價(jià)系統(tǒng)界面Fig.12 Interface of hole burr evaluation system

圖13 三種不同鉆削工藝示意Fig.13 Graphical representation of three different drilling processes

(a)工藝A毛刺高度

(a)工藝B毛刺高度

(a)工藝B毛刺高度

5 結(jié) 論

現(xiàn)有通過專用設(shè)備的非接觸式測量模式不能快速實(shí)現(xiàn)對孔全域的毛刺高度及根厚度的測量，并且不能自動給出量化的評價(jià)指標(biāo)。本文提出基于線激光位移傳感器的孔毛刺檢測方法，并基于該方法搭建了測量平臺，然后對測量過程的誤差來源進(jìn)行了分析和解決，進(jìn)一步提出了毛刺高度及根厚度測量算法和毛刺評價(jià)指標(biāo)及其量化形式，最后對測量系統(tǒng)的重復(fù)度和準(zhǔn)確度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并將其應(yīng)用到以減小毛刺為目標(biāo)的鉆孔工藝優(yōu)化中。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)孔全域毛刺3D形貌和2D波動的可視化，還可量化毛刺及其評價(jià)指標(biāo)，其測量重復(fù)度小于0.8 μm，毛刺高度測量精度為5 μm，能夠滿足孔毛刺的精密測量和鉆削工藝評價(jià)。