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注。目前，國內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，對試件表面產生劃痕之類的破壞，而且接觸力對試件產生微小變形，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。

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，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°?？伤愠霾竭M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)的設計關鍵所在。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運動。試件的運動和激光位移傳感器的直線運動相結合，試件的旋轉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參數(shù)，設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。測量前應先對測量試件表面進行網(wǎng)格劃分，試件沿周向均勻設定200個測點（間隔1.8°），沿軸向設定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)轉換成柱坐標系中的三維坐標［4］，測量及轉換后的部分數(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，2003，23（5）：55－56.