換熱翅片幾何量數(shù)字化測(cè)量技術(shù)研究及在智能制造中的應(yīng)用

闞 侃, 熊行創(chuàng)

(1.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405； 2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；3.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(計(jì)量數(shù)字化與數(shù)字計(jì)量)，北京 100029)

1 引 言

管翅式換熱器是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器形式[1],其結(jié)構(gòu)主要由換熱管和翅片組成,是將鋁箔沖制成條形翅片碼垛整齊,隨后將換熱管穿過(guò)碼垛整齊的翅片翻邊孔,最后送入脹管機(jī)進(jìn)行脹接,從而實(shí)現(xiàn)換熱管和翅片的緊固連接[2]。其中翅片決定了整個(gè)換熱器大部分的冷熱流體之間的熱量交換,是決定換熱器換熱性能的關(guān)鍵部件。常用的翅片主要由翻邊孔和開(kāi)窗陣列組成。翅片的總表面積與幾何結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器性能具有重要影響。為了提升性能,目前翅片厚度已經(jīng)普遍達(dá)到0.1 mm的尺度范圍[3,4]。

針對(duì)翅片結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器性能的影響已有大量研究。Jiin-Yuh J等[5]以面積減小率為優(yōu)化目標(biāo),采用共軛梯度法對(duì)翅片開(kāi)窗角度進(jìn)行優(yōu)化,在特定角度范圍內(nèi),確定了最佳開(kāi)窗角度;Javaherdeh K等[6]采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值方法對(duì)不同翅片高度、百葉窗長(zhǎng)度、翅片厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的百葉窗翅片管式換熱器展開(kāi)了研究;劉妮等[7]研究發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)窗角度增加,換熱器換熱系數(shù)會(huì)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),同時(shí)壓降會(huì)隨開(kāi)窗角度的增大而有所升高;張克鵬[8]研究發(fā)現(xiàn)翅片開(kāi)窗角度為45°且開(kāi)窗數(shù)為14個(gè)時(shí),微通道換熱器空氣側(cè)換熱量最大,壓降相對(duì)較小。因此,翅片的多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)對(duì)傳熱性能產(chǎn)生影響,但對(duì)特定結(jié)構(gòu)的翅片,其開(kāi)窗角度存在最佳開(kāi)窗角度,低于或高于該角度都會(huì)造成換熱器換熱性能的下降,有必要對(duì)翅片實(shí)際開(kāi)窗角度進(jìn)行測(cè)量。

目前,研究測(cè)量翅片開(kāi)窗角度的文獻(xiàn)較少。由于開(kāi)窗尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易塑性變形等特點(diǎn),企業(yè)難以對(duì)翅片開(kāi)窗角度參數(shù)實(shí)施有效測(cè)量。產(chǎn)業(yè)中有通過(guò)將碼垛后的翅片用膠水整體固化(類似制作琥珀),然后在開(kāi)窗陣列區(qū)域切割出剖面打磨后使用影像儀測(cè)量開(kāi)窗角度的方法,該方法制備過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng),不適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);國(guó)外有專用測(cè)量設(shè)備,測(cè)量原理為:設(shè)有LED紅外光源,轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)翅片轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)相應(yīng)開(kāi)窗的LED紅外光源通過(guò)量會(huì)發(fā)生變化,同時(shí)記錄轉(zhuǎn)動(dòng)角度與光強(qiáng)度,光強(qiáng)最大時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度即為翅片開(kāi)窗角度,但該設(shè)備要求每種翅片都需定制夾具,屬于破壞性測(cè)量,且制備樣品過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng),價(jià)格昂貴。

由于性能穩(wěn)定、非接觸、精度高等特點(diǎn),激光類測(cè)量?jī)x器在工業(yè)幾何量參數(shù)測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用,如激光位移傳感器(單點(diǎn))[9～11]及激光輪廓傳感器(線激光)[12～16]。本文設(shè)計(jì)了一種基于超高速激光輪廓傳感器的翅片開(kāi)窗角度及尺寸測(cè)量裝置。該裝置利用激光輪廓傳感器的線形激光獲取翅片開(kāi)窗陣列區(qū)域的外輪廓,通過(guò)格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除后取算術(shù)平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理;對(duì)輪廓數(shù)據(jù)求一階導(dǎo)數(shù),強(qiáng)化輪廓開(kāi)窗的特征以完成對(duì)開(kāi)窗陣列區(qū)每個(gè)開(kāi)窗區(qū)域的分割。最后對(duì)每個(gè)開(kāi)窗區(qū)域循環(huán)進(jìn)行固定長(zhǎng)度的最小二乘法回歸運(yùn)算,通過(guò)相關(guān)系數(shù)選取最優(yōu)擬合線段,就近選取片上參考平面完成開(kāi)窗角度計(jì)算。

2 測(cè)量對(duì)象與整體設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量對(duì)象

換熱翅片實(shí)物如圖1所示,可以看出該結(jié)構(gòu)的翅片開(kāi)窗陣列一組存在8個(gè)開(kāi)窗斜面,呈對(duì)稱分布,每組開(kāi)窗陣列均被翻邊孔環(huán)繞。翅片由厚度約0.1 mm的鋁箔多次沖壓而成,開(kāi)窗陣列總寬度約10 mm,各開(kāi)窗寬度有0.75 mm與1.5 mm兩種。激光輪廓傳感器的線形激光沿圖1中實(shí)線所示位置進(jìn)行測(cè)量,位置可在上下2條虛線形成區(qū)間內(nèi)調(diào)整。

圖1 翅片實(shí)物圖及測(cè)量區(qū)域Fig.1 Physical drawing of louver fins

翅片開(kāi)窗陣列剖面圖(沿圖1中實(shí)線位置),其輪廓示意圖如圖2所示,其中L1、L2、L3為需要測(cè)量的3個(gè)尺寸參數(shù),α1～α8為需要測(cè)量的8個(gè)開(kāi)窗角度參數(shù)。由于翅片易塑性變形,實(shí)際被測(cè)翅片整體不能保證與底面平臺(tái)平行,故需要采取就近選取參考平面的方式計(jì)算8個(gè)開(kāi)窗角度,如圖2所示。測(cè)量α1,α2時(shí),選平面A為參考平面;測(cè)量α3～α6時(shí),選平面B為參考平面;測(cè)量α7,α8時(shí),選平面C為參考平面。

圖2 翅片開(kāi)窗陣列剖面示意圖Fig.2 Schematic section of casement array

2.2 測(cè)量裝置硬件設(shè)計(jì)

本文選擇基恩士LJ-V7060激光輪廓傳感器獲取翅片開(kāi)窗陣列的輪廓數(shù)據(jù)。輪廓傳感器基本測(cè)量原理為激光三角法,當(dāng)激光源發(fā)射線形激光到測(cè)量物體表面,不同位置反射回來(lái)的光束會(huì)在圖像接收傳感器上形成光條圖像,利用三角關(guān)系計(jì)算前后像點(diǎn)位置關(guān)系,從而精確獲取被測(cè)物體表面到激光測(cè)頭的深度變化信息[12]。因此,輪廓傳感器每測(cè)量一幀得到一組在xz平面內(nèi)沿x軸等距分布的線狀二維數(shù)據(jù)點(diǎn)[13]。x軸方向?yàn)榫€激光的水平方向,z軸方向?yàn)樨Q直方向。裝置硬件設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 裝置測(cè)量臺(tái)硬件設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Device hardware design diagram

翅片開(kāi)窗陣列寬度約10 mm,選型輪廓傳感器x軸方向測(cè)量范圍約為15 mm,設(shè)計(jì)二維可調(diào)移動(dòng)平臺(tái),方便調(diào)整測(cè)量區(qū)域,設(shè)計(jì)三點(diǎn)錐型定位柱,引導(dǎo)快速放置被測(cè)翅片。傳感器z軸重復(fù)性為0.4 μm,x軸重復(fù)性為5 μm。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量算法主要包括:數(shù)據(jù)預(yù)處理、興趣測(cè)量區(qū)域識(shí)別、角度擬合計(jì)算等處理過(guò)程,其算法流程圖如圖4所示。

圖4 測(cè)量算法程序流程圖Fig.4 Measurement algorithm program flowchart

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

翅片由鋁箔沖壓而成,存在切口毛刺導(dǎo)致的雜散光干擾等問(wèn)題,同時(shí)為了減少偶然因素導(dǎo)致的輪廓數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,需要對(duì)激光輪廓傳感器產(chǎn)生的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。主要包含數(shù)據(jù)剔除及求算術(shù)平均值重組輪廓。

3.1.1 數(shù)據(jù)剔除

輪廓傳感器每測(cè)量一幀即得到一組在xz平面內(nèi)沿x軸等距分布的二維數(shù)據(jù)點(diǎn),即一組輪廓數(shù)據(jù)。針對(duì)n組輪廓中x軸方向數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)相同的n個(gè)數(shù)據(jù),采用格拉布斯(Grubbs)準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除,準(zhǔn)則判定依據(jù)如式(1)所示:

(1)

測(cè)量傳感器選用超高速輪廓傳感器,最高1 s可采集64 000個(gè)輪廓,采集50組輪廓對(duì)測(cè)量速度的影響幾乎可以忽略。取n=50,a=0.05,通過(guò)查表可知G(0.05,50)=2.956,代入式(1),尋找目前測(cè)得值中殘差最大值。若滿足式(1),則可判定該可疑值xd為異常值需要剔除;若否,則判定該組數(shù)據(jù)沒(méi)有異常值。

3.1.2 求算術(shù)平均值重組輪廓

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)剔除,消除了異常值影響,可使用較為簡(jiǎn)單的求算數(shù)平均值的方法對(duì)50組輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,形成1組新的輪廓數(shù)據(jù)。重組后的輪廓數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)具有相同的x軸坐標(biāo),其對(duì)應(yīng)的高度值可由式(2)計(jì)算得出:

(2)

3.2 興趣測(cè)量區(qū)域識(shí)別

開(kāi)窗陣列中包括8個(gè)開(kāi)窗角度及3個(gè)尺寸待測(cè)參數(shù),簡(jiǎn)單的固定位置的擬合測(cè)量無(wú)法避開(kāi)開(kāi)窗區(qū)域的缺陷點(diǎn)。要提高測(cè)量的有效程度,需要自動(dòng)完成輪廓區(qū)域的識(shí)別,尋找最優(yōu)的擬合輪廓段。

通過(guò)分析開(kāi)窗形態(tài),可以發(fā)現(xiàn):開(kāi)窗陣列區(qū)域的輪廓,在中央和兩側(cè)都存在1段平面區(qū)域;2個(gè)相鄰的開(kāi)窗區(qū)域連接處存在1個(gè)輪廓的“突變”,即輪廓曲線急劇上升或下降的過(guò)程。根據(jù)該特點(diǎn),可對(duì)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)求導(dǎo),放大輪廓急劇上升或下降的特征,用設(shè)置閾值的方法判斷輪廓“突變”的位置。使用式(3)對(duì)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)求導(dǎo):

(3)

翅片輪廓數(shù)據(jù)與對(duì)輪廓逐點(diǎn)求導(dǎo)后的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 輪廓圖及對(duì)輪廓求一階導(dǎo)數(shù)對(duì)比圖Fig.5 Profile plots and it’s first-order derivatives

由圖5可以看出,輪廓“突變”點(diǎn)由于實(shí)際翅片加工問(wèn)題及其他環(huán)境因素的干擾,其一階導(dǎo)數(shù)并不一定是1個(gè)極大或極小的值,如圖5中X=-2 mm附近的2個(gè)輪廓“突變”點(diǎn)導(dǎo)數(shù)最大值約為8左右。綜合實(shí)際情況,可設(shè)定導(dǎo)數(shù)閾值為5,大于該閾值則可判定在該區(qū)域發(fā)生了輪廓的突變,在該區(qū)域求最大值即可確定“突變”點(diǎn)。配合開(kāi)窗陣列3處平面區(qū)域(片上參考平面)的尺寸及各開(kāi)窗區(qū)域的寬度值信息,即可完成對(duì)8個(gè)開(kāi)窗區(qū)域的識(shí)別與分割,同時(shí)也完成3處片上參考平面的識(shí)別。

3.3 角度測(cè)量算法

完成開(kāi)窗區(qū)域(8個(gè))及片上參考平面區(qū)域(3個(gè))的區(qū)域識(shí)別后,需在各區(qū)域內(nèi)對(duì)輪廓進(jìn)行擬合以求得開(kāi)窗角度。

翅片開(kāi)窗擬合為典型的一元線性回歸,可用最小二乘法實(shí)現(xiàn)。假設(shè)翅片開(kāi)窗符合式(4):

z=A+Bx

(4)

式中:A、B為待估計(jì)的參數(shù),為開(kāi)窗輪廓一元方程的斜率;z為輪廓數(shù)據(jù)的縱坐標(biāo)值,即高度信息;x為輪廓數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)值。

則翅片開(kāi)窗角度需要求得斜率B,可由式(5)計(jì)算:

(5)

式中:n為要擬合區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù);xi為各坐標(biāo)點(diǎn)橫坐標(biāo)值;zi為各坐標(biāo)點(diǎn)縱坐標(biāo)值。

擬合相關(guān)系數(shù)由式(6)計(jì)算得到:

(6)

相關(guān)系數(shù)r越接近1,說(shuō)明擬合程度越好,但相關(guān)系數(shù)并沒(méi)有固定的參考值用于評(píng)價(jià)擬合效果的絕對(duì)好壞,需根據(jù)實(shí)際情況自行判斷。如在物理實(shí)驗(yàn)中r達(dá)到0.999,就表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性關(guān)系良好,各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)聚集在一條直線附近。

翅片易塑性變形,受沖壓、流轉(zhuǎn)、灰塵干擾等影響,其開(kāi)窗輪廓會(huì)產(chǎn)生形變,如何在不規(guī)則的開(kāi)窗輪廓上自動(dòng)選取優(yōu)良的擬合線段是影響最終測(cè)量結(jié)果的重要因素,如果將開(kāi)窗輪廓全部進(jìn)行擬合,則會(huì)受到變形、壞點(diǎn)的干擾;如果擬合輪廓選取的過(guò)短,則不能代表該區(qū)域的整體開(kāi)窗特性。

采用定長(zhǎng)循環(huán)最小二乘擬合的算法進(jìn)行擬合線段選擇及擬合:在各開(kāi)窗區(qū)域,固定開(kāi)窗區(qū)域超一半以上(如60%)的長(zhǎng)度設(shè)定為擬合長(zhǎng)度,以該固定長(zhǎng)度從區(qū)域內(nèi)沿x軸增大方向逐點(diǎn)步進(jìn),逐一進(jìn)行最小二乘法擬合,直到開(kāi)窗區(qū)域結(jié)束,選取相關(guān)系數(shù)最大的擬合線段作為該開(kāi)窗區(qū)域內(nèi)的開(kāi)窗擬合線段(同時(shí)該擬合線段相關(guān)系數(shù)需大于最低閾值,如0.999)。同理,對(duì)3處片上參考平面也進(jìn)行相同操作,得到3處片上平面的擬合線段。

按照如圖2所示就近選取參考平面的原則,從而得出8個(gè)開(kāi)窗角度。

在實(shí)際輪廓數(shù)據(jù)上進(jìn)行定長(zhǎng)循環(huán)最小二乘擬合的算法的擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 角度測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)效果Fig.6 Angle measurement algorithm implementation effect

3.4 軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件通過(guò)C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā),通過(guò)調(diào)用輪廓傳感器的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制與數(shù)據(jù)采集。

針對(duì)與上層制造系統(tǒng)的互聯(lián)互通,設(shè)計(jì)了基于JSON的數(shù)據(jù)交互格式。作為目前流行的輕量級(jí)數(shù)據(jù)交互格式,JSON得到幾乎所有主流編程語(yǔ)言的支持,可方便的進(jìn)行打包與解析。

數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)采用UDP進(jìn)行傳輸,上層系統(tǒng)開(kāi)啟UDP監(jiān)聽(tīng)服務(wù),該裝置通過(guò)UDP接口向指定服務(wù)器地址發(fā)送JSON數(shù)據(jù)包,服務(wù)器解析JSON數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)并回復(fù)指令,完成測(cè)量數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

4 裝置驗(yàn)證及應(yīng)用

4.1 裝置角度測(cè)量精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證裝置基本的角度測(cè)量準(zhǔn)確度,在(20.0±1.0) ℃,相對(duì)濕度(50±5)%的環(huán)境條件下,使用該裝置對(duì)1級(jí)角度塊進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)角度塊測(cè)量結(jié)果Tab.1 Standard angle block measurement results

4.2 裝置標(biāo)定板測(cè)量對(duì)比驗(yàn)證

由于換熱翅片結(jié)構(gòu)復(fù)雜,易塑性變形的特點(diǎn),難以作為比對(duì)測(cè)試的樣品,為了驗(yàn)證裝置的智能測(cè)量效果,設(shè)計(jì)了翅片開(kāi)窗陣列的標(biāo)定板,標(biāo)定板根據(jù)翅片開(kāi)窗陣列部分的實(shí)際尺寸設(shè)計(jì),由不銹鋼材質(zhì)經(jīng)切割而成,保留開(kāi)窗區(qū)域剖面,方便進(jìn)行比對(duì)測(cè)試。樣品設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 標(biāo)定板圖Fig.7 Calibration plate

采用影像測(cè)量?jī)x,測(cè)量標(biāo)定板側(cè)面,人工選取開(kāi)窗區(qū)域進(jìn)行夾角計(jì)算,與裝置測(cè)量對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)定板對(duì)比測(cè)量結(jié)果Tab.2 Calibration plate comparison measurements

對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明裝置可對(duì)標(biāo)定板直接進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量,可以看出與影像儀對(duì)比,裝置角度測(cè)量最大示值誤差絕對(duì)值|Δ|=0.30°。

4.3 裝置的應(yīng)用

裝置在完成研發(fā)后,已在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)投入使用,其實(shí)際運(yùn)行測(cè)量情況如圖8所示。

圖8 裝置運(yùn)行圖Fig.8 Installation operation diagram

通過(guò)該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)翅片開(kāi)窗角度及關(guān)鍵尺寸參數(shù)的測(cè)量,測(cè)量精度滿足企業(yè)質(zhì)控需求,經(jīng)測(cè)試整個(gè)測(cè)量過(guò)程可在6 s內(nèi)完成,對(duì)比以往膠固化的測(cè)量方法,效率得到大幅提升。同時(shí)設(shè)備可實(shí)時(shí)與企業(yè)上層智能制造系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,企業(yè)也通過(guò)對(duì)翅片開(kāi)窗角度測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)沖壓刀具的磨損,減少生產(chǎn)資源的浪費(fèi),提升制造系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

5 結(jié) 論

本文研究了一種針對(duì)管翅式換熱器翅片幾何量參數(shù)的測(cè)量設(shè)備。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論:

1) 基于輪廓數(shù)據(jù)求導(dǎo)的興趣測(cè)量區(qū)域識(shí)別方法,可對(duì)沖壓開(kāi)窗類翅片輪廓進(jìn)行穩(wěn)定有效的識(shí)別與分割,配合定長(zhǎng)循環(huán)最小二乘擬合尋優(yōu)算法可對(duì)翅片開(kāi)窗角度及尺寸實(shí)施穩(wěn)定有效的測(cè)量。

2) 經(jīng)校準(zhǔn),裝置角度測(cè)量最大允許誤差為:±0.5°,可滿足企業(yè)對(duì)翅片開(kāi)窗角度進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量及進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控的需求。

3) 使用JSON數(shù)據(jù)格式傳輸數(shù)字化測(cè)量結(jié)果可有效解決產(chǎn)線測(cè)量?jī)x器與上層制造系統(tǒng)的互聯(lián)互通問(wèn)題,進(jìn)一步提升測(cè)量數(shù)據(jù)的價(jià)值。