于保華 陶志勇 陸志平 胡小平

(①杭州電子科技大學機械工程學院，浙江杭州310018;②成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610091)

Nomex蜂窩夾芯結構由于重量輕、密度小、比強度高、自熄性好等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于航空、航天、導彈等設計要求比較嚴格的夾芯結構零件中。超聲數(shù)控切割新工藝具有加工效率高、加工質量好、環(huán)境污染少、能耗低等顯著優(yōu)點，已成為Nomex蜂窩夾芯等新興航空復材零件加工的一個重要發(fā)展方向［1］。

對刀是數(shù)控加工前的重要工藝過程，Nomex蜂窩夾芯結構超聲數(shù)控切割對刀不同于傳統(tǒng)數(shù)控加工對刀，前者主要依靠匕首式直刃刀(簡稱直刃刀)角度控制，所以對刀時除了需要獲取刀具長度信息外，還需要額外獲取直刃刀的零位角度信息，為超聲直刃刀的切割刃在工件坐標系中的準確定位提供基礎。圖1為奧地利GFM公司的超聲直刃刀［2］。

目測角度對刀方法需要人工多次目測來調整獲取零位角度信息，該方法耗時、費力，且精度穩(wěn)定性差，嚴重影響主軸切割聲學系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［3］，進而影響Nomex蜂窩夾芯結構超聲數(shù)控切割精度和效率。近年來興起的激光非接觸式對刀方法是一種借助激光線投射到被測刀具上，再通過遮擋后的光信息來獲取刀具參數(shù)的方法，具有操作簡單、省力且精度穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是現(xiàn)代數(shù)控加工對刀的一種發(fā)展趨勢［4－5］。

本文吸收借鑒國外先進激光非接觸式對刀儀的理論和經(jīng)驗，結合Nomex蜂窩夾芯結構超聲直刃刀結構特點和高靈敏度光電位置敏感探測器(position sensitive detector，PSD)優(yōu)點［6－7］，提出一種基于平行激光遮擋理論的超聲直刃刀激光對刀方法。首先，推導并建立一維PSD獲取超聲直刃刀角度的測量計算模型，分析不同的刀具截面刃寬參數(shù)對角度檢測靈敏度的影響規(guī)律，從而幫助后續(xù)激光對刀儀系統(tǒng)的設計。隨后，設計了Nomex蜂窩夾芯結構超聲直刃刀激光對刀儀的機械電氣方案以及采集控制程序。最后構建了激光對刀儀實驗系統(tǒng)，開展零位角度的性能測試和分析研究。結果表明，本文研制的直刃刀激光對刀儀具有較好的零位角度獲取精度。

1 直刃刀角度測量模型分析

1.1 一維PSD測量模型推導

PSD是一種具有特殊結構的大光敏面的光電二極管，又稱為P－N結光電傳感器［5－8］。利用直刃刀的角度影響平行激光束投射截面積，進而影響接收端一維PSD傳感器光通量，兩端光通量總和最大反映直刃刀剛好位于零位角度的原理，通過實時檢測PSD光電流來獲取超聲直刃刀的零位角度。在分析一維PSD結構與工作原理的基礎上，繪制直刃刀角度測量原理如圖2所示。

激光投影刀具截面的刃中心寬、刃邊寬、刃厚分別為a、c、h，激光源與PSD傳感器分別安裝在直刃刀的兩側，刀軸矢量垂直于平行激光平面。激光源產生寬度為b1的平行一字線激光，經(jīng)過直刃刀截面的遮擋寬b2后，投射至對面一維PSD傳感器的感光面上。對確定的激光源和特定的刀具而言，參數(shù)a、c、h、b1都為固定值，只有直刃刀角度θ變化會導致b2變化?？紤]到θ變化時，遮擋寬b2的投影計算模型有所不同，θ較大時對應的圖2a狀態(tài)1，其計算模型如下:

從式(1)可以看出，θ較大時，遮擋寬b2主要依賴于刀刃中心寬a和轉角θ，與刀刃邊寬和刃厚無關。隨著轉角θ逐漸變小，遮擋寬的計算從刃中心寬端點移到了刃邊寬端點上，對應圖2b狀態(tài)2，其計算模型改成:

θ較小時，遮擋寬b2主要由刀刃邊寬c、刀刃厚h和轉角θ共同決定，與刀刃中心寬a無關。測量時激光源寬度b1是固定的，遮擋寬b2的變化會反映到投射至PSD光敏面上的光通量，進而光電流也隨著變化［4－5］。當直刃刀到達零位角度時，光電流達到最大峰值，光電流可通過I/V信號調理，轉換成電壓信號，從而便于采集控制單元分析處理。

1.2 刃寬影響分析

直刃刀角度測量時，厚度h往往是固定的，但刀具測量截面刃中心寬a和刃邊寬c可以通過直刃刀軸向位移來選擇。為了便于更直觀分析，分別繪制如表1所示的小、中、大3種刃寬截面尺寸條件下b2－θ間的變化規(guī)律。

表1 3種刃寬截面尺寸表

考慮到直刃刀對稱性，分析轉角范圍確定為θ∈[－ 90°，90°]。根據(jù)式(1)、(2)計算遮擋寬 b2值，取兩者絕對值大的繪制隨轉角θ的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，θ正負90°范圍內遮擋寬b2呈現(xiàn)對稱分布，并隨θ絕對值減小而減少;零位角度時，遮擋寬b2達到最小。另外，投影截面刃寬不同，零位角度附近的斜率有所不同，小刃寬斜率小，大刃寬斜率大;斜率越大表明遮擋寬b2隨轉角θ變化越敏感，越有利于零位角度檢測獲取。由曲線變化規(guī)律可以看出，直刃刀零位角度檢測時，應盡量選擇刃寬大的截面進行角度檢測。

2 直刃刀激光對刀儀設計

在平行激光遮擋理論分析的基礎上，結合超聲直刃刀結構特點及應用需求，利用一維PSD傳感器和半導體激光源單元，開展超聲直刃刀零位角度對刀儀系統(tǒng)機電方案設計以及采集控制軟件設計。

2.1 系統(tǒng)方案設計

結合一維PSD傳感器和半導體激光源結構與電氣特點，設計對刀儀系統(tǒng)總體架構，如圖4所示。系統(tǒng)主要包括機械結構部分和采集電控部分。

機械結構部分主要包含了激光源、PSD傳感器和安裝支架，激光源采用635nm波長的一字平行激光器，為檢測提供穩(wěn)定均勻的平行激光束;傳感器采用2mm×20mm感光面積的一維PSD傳感器，為投射光檢測提供高靈敏度的感測單元;安裝支架采用304不銹鋼材質，為激光源和PSD傳感器固定提供可靠保障。采集控制部分主要包含了激光器電源、激光控制輸出、電源及晶振電路、I/V轉換及放大、LED驅動/顯示、NPN晶體管輸出和主控芯片。PSD傳感器輸出是兩路電流信號，經(jīng)過I/V轉換及放大模塊變成標準的電壓信號提供給AD模塊采集;顯示模塊將處理后的數(shù)據(jù)實時顯示給用戶;當PSD傳感器采集信號達到零位角度時，通過NPN晶體管輸出模塊給數(shù)控系統(tǒng)提供角度到位信號。激光控制輸出模塊根據(jù)程序設定控制激光器開啟。主控芯片采用ATMEL公司的Atmega16芯片，具有高速、低功耗、超強功能、精簡指令、內置10位AD模塊等特點，總體協(xié)調PSD信號采集、顯示及輸出。

2.2 程序設計

對刀儀除了硬件設計外，還需要設計主控芯片的程序，從而為對刀儀提供超強的靈活性和可升級性。分析對刀儀工作流程的基礎上，設計了直刃刀零位角度對刀的程序流程，如圖5所示。

首先進行軟硬件參數(shù)的初始化處理，對刀啟動后第一步:打開激光源并通過PNP晶體管輸出信號給數(shù)控系統(tǒng)控制刀具啟動旋轉;啟動計時器，進入AD采集及存儲循環(huán)，超出設定時間Δt后結束該循環(huán)，Δt約為直刃刀對刀旋轉一周需要的時間;隨后，對前面采集存儲數(shù)據(jù)進行極值分析，計算獲取“零位角參考值”;隨后進入零位角度查詢循環(huán)，根據(jù)需要對一維PSD輸出信號進行高速采集，數(shù)據(jù)經(jīng)滑動平均濾波等處理后，進入AD采集及顯示循環(huán)，如果采集數(shù)據(jù)達到“零位角參考值”，則結束該循環(huán)，同時零位信號標識輸出，并通過PNP晶體管輸出信號給數(shù)控系統(tǒng)控制刀具關閉旋轉;激光源關閉并結束該對刀程序。程序中采用一種“零位角參考值”的概念，采集循環(huán)共分2次:第1次采集循環(huán)，刀具旋轉1周以上的 PSD數(shù)據(jù)，取其最大值作為此次對刀的“零位角參考值”;第2次采集循環(huán)，刀具繼續(xù)旋轉并將PSD持續(xù)采集的數(shù)據(jù)與此參考值對比，再次達到該值時則零位標識輸出同時關閉激光源;這種動態(tài)“零位角參考值”可以較好地克服每次測量零位角度對應的檢測信號可能存在的誤差，比如刀具橫截面偏差以及激光源光強等因素。

3 實驗

為了驗證激光對刀儀零位角度獲取精度和穩(wěn)定性，結合現(xiàn)有實驗設備條件，設計構建實驗系統(tǒng)框圖如圖6所示，采用歐姆龍角度編碼器配合顯示器來比對驗證對刀儀的零位角度檢測性能和精度。

實驗系統(tǒng)主要包括直刃刀激光對刀儀、角度微分(RSP40－L)、角度編碼器(E6C3－AG5C)及配套的顯示模塊(H8PS－8BF)、一維微調滑臺等模塊組成。調整角度微分獲取零位角度附近的7個不同投影截面的激光對刀儀的顯示輸出AL及角度編碼器顯示AC，如表2所示。

表2 對刀儀與編碼器數(shù)據(jù)對比表

表2中數(shù)據(jù)是實測3次平均值，角度編碼器與激光對刀儀的顯示輸出走勢完全一致，激光對刀儀數(shù)據(jù)存在微小的偏差，可能是實驗激光源穩(wěn)定性不足或讀數(shù)誤差引起的，但這并不影響零位角度的獲取精度，可通過動態(tài)“零位角參考值”來消除這些誤差，從而提高直刃刀零位角度的獲取精度。實驗顯示直刃刀激光對刀儀在角度編碼器輸出顯示零時準確可靠地輸出了“零位角標識”信號。從而表明本文提出的直刃刀激光對刀方法和系統(tǒng)是可行的。

4 結語

在分析Nomex蜂窩夾芯結構超聲數(shù)控切割對刀需求特點的基礎上，提出了一種基于平行激光截面遮擋原理的直刃刀激光對刀方法，推導并建立了激光投射直刃刀角度的計算模型，研究了刀具刃寬對零位角度獲取的影響規(guī)律，從而幫助指導直刃刀激光對刀儀的系統(tǒng)設計。

在分析直刃刀激光對刀儀功能和性能的基礎上，開展了系統(tǒng)機構、電氣控制以及主控程序的設計。還提出了一種“零位角參考值”的概念，通過每次測量獲取參考值來減小刀具截面偏差以及激光源光強偏差可能帶來的影響。

構建了一套直刃刀激光對刀儀實驗系統(tǒng)，借助角度編碼器及顯示模塊來對比直刃刀激光對刀儀零位角度的獲取精度。兩實測數(shù)據(jù)非常吻合，表明本文給出的對刀方法和系統(tǒng)是可行的，可為PSD激光對刀方法在Nomex蜂窩夾芯結構超聲數(shù)控切割應用提供對刀支撐。

需要指出的是，研究暫時完成了直刃刀激光對刀儀實驗室條件下的驗證，與超聲數(shù)控切割機床的軟硬件調試和應用研究還有待今后進一步探索研究。

［1］張永巖，張超，李薇.超聲波銑床基于CATIA V5復合材料蜂窩件數(shù)控編程方法研究［J］.航空制造技術，2013(9):79－82.

［2］高軍，崔巍.超聲切割技術在復合材料加工領域的應用［J］.航空制造技術，2008(4):50－52.

［3］Lee E S，Lee C H，Kim S C.Machining accuracy improvement by automatic tool setting and on machine verification［J］.Key Engineering Materials，2008，381:199－202.

［4］Radil T，F(xiàn)ischek J，Kucera J.Dimension measurement of objects with circular cross section using point light sources and an image sensor without lens［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56(4):1403－1411.

［5］李昆.激光非接觸位移傳感器的研制及其應用［D］:哈爾濱:中國地震局工程力學研究所，2004.

［6］Doyle W，John St.Determination of the beam centroid of an obstructed focused Gaussian laser beam ［J］.Applied optics，2009，48(22):4501－4505.

［7］Zhu Y，Liu S，Kuang C，et al.Roll angle measurement based on common path compensation principle［J］.Optics and Lasers in Engineering，2015，67:66－73.

［8］Lim H，Son S，Wong Y，et al.Development and evaluation of an onmachine optical measurement device［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47(10):1556－1562.