□ 丁海東 □ 李 明 □ 馮祝雷

上海大學(xué)上海市智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200072

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是在極端制造方面，對(duì)大型工件的加工精度和測(cè)量精度要求也越來越高［1］。對(duì)于體積龐大、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的物體，傳統(tǒng)方法已很難滿足現(xiàn)代測(cè)量的需要，因此需要采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)。在數(shù)字化測(cè)量過程中，對(duì)于大型工件，一次測(cè)量很難獲取全部信息，需要采用轉(zhuǎn)站測(cè)量技術(shù)［2］，然而，轉(zhuǎn)站測(cè)量一方面會(huì)降低測(cè)量的精度，另一方面會(huì)降低測(cè)量的效率。因此，提出一種新型工業(yè)測(cè)量方法，用于對(duì)筒柱狀大型工件的坐標(biāo)測(cè)量是一個(gè)急需解決的問題。

1 測(cè)量對(duì)象分析

大型圓柱筒狀結(jié)構(gòu)件被廣泛用于隧道工程、冶金等行業(yè)，如：隧道管節(jié)、燒結(jié)廠的圓筒混合機(jī)筒體等，如圖1所示。直徑在2～20 m之間的大型筒柱狀工件一般由內(nèi)壁、外壁、上端面和下端面等4個(gè)主要被測(cè)量部分組成，其中兩端面一般包含有較復(fù)雜的連接、裝配和密封結(jié)構(gòu)。

對(duì)于這類筒柱狀大型工件，在測(cè)量過程中，需要對(duì)工件的內(nèi)表面、外表面、工件兩個(gè)端面等各個(gè)主要被測(cè)部位進(jìn)行尺寸及幾何公差的綜合測(cè)量和評(píng)定，測(cè)量?jī)?nèi)容通常包括工件整體尺寸、工件局部尺寸、工件整體尺寸和局部的相互關(guān)系。工件的整體尺寸包括工件的內(nèi)徑、外徑等；局部尺寸包括工件的壁厚、工件兩端面細(xì)部結(jié)構(gòu)（如凸沿）的尺寸和形位公差等；整體和局部的相互關(guān)系包括工件內(nèi)外徑的同軸度、工件軸線與端面的垂直度、工件兩端面的平行度等被測(cè)要素。因此，測(cè)量和檢驗(yàn)這類圓柱筒狀工件的尺寸和幾何誤差存在一定的難度。

▲圖1 常見的大型筒柱狀工件

2 測(cè)量方法分析

在制造和安裝過程中，對(duì)工件尺寸的測(cè)量，其方法歸納起來分為兩類：直接測(cè)量和間接測(cè)量［3］。

根據(jù)測(cè)量?jī)x器的使用情況，直接測(cè)量包括接觸或者非接觸方法，如機(jī)械量具、測(cè)球、激光掃描等。對(duì)于普通大尺寸工件，目前采用最多的仍然是利用機(jī)械量具進(jìn)行接觸式直接測(cè)量，一般有游標(biāo)卡尺、大型千分尺、高度尺、內(nèi)徑千分尺、內(nèi)徑量桿等［4］。而對(duì)于直徑在2～20 m之間的大型工件，這類計(jì)量器具的質(zhì)量和體積會(huì)隨著被測(cè)工件尺寸的增大而增大，比較笨重，操作不便，同時(shí)受力變形也大，受溫度影響大，測(cè)量精度低，計(jì)量器具的制造成本高［5］。

而利用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，采用激光跟蹤儀、全站儀等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行直接接觸或非接觸測(cè)量時(shí)，由于被測(cè)對(duì)象尺寸較大，被測(cè)要素多，現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器無論如何擺放，一次測(cè)量裝夾難以同時(shí)完成對(duì)以上被測(cè)要素的測(cè)量。如果增加現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器的擺放位置，會(huì)大大地降低測(cè)量精度，增加了測(cè)量的復(fù)雜程度；如果轉(zhuǎn)站測(cè)量，則會(huì)降低測(cè)量的精度和效率。因此對(duì)于這類筒柱狀大型工件，現(xiàn)有的坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

間接測(cè)量作為一種檢驗(yàn)工藝，是在直接測(cè)量無法實(shí)現(xiàn)的情況下使用的一種可靠的檢測(cè)手段，雖然沒有直接測(cè)量簡(jiǎn)單直觀，但能解決一些無法直接獲得的數(shù)據(jù)。對(duì)于筒柱狀大型工件，需要測(cè)量工件內(nèi)表面、外表面、兩端等部位各被測(cè)要素的幾何和形位公差，間接測(cè)量是可以實(shí)現(xiàn)的。

3 測(cè)量方法設(shè)計(jì)

對(duì)于大型圓柱筒狀工件尺寸和幾何誤差的測(cè)量，可以通過間接測(cè)量的方法，獲取工件被測(cè)要素的特征點(diǎn)。采用齊次坐標(biāo)變換方法，通過坐標(biāo)平移，將獲取的特征點(diǎn)統(tǒng)一變換到測(cè)量坐標(biāo)系。采用最小二乘特征擬合算法，由特征點(diǎn)構(gòu)造出被測(cè)要素的擬合要素，對(duì)工件尺寸和幾何誤差進(jìn)行測(cè)量。

3.1 測(cè)量方法

由于采用了間接測(cè)量方法，而且在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大尺寸測(cè)量場(chǎng)合，單純依靠一種測(cè)量?jī)x器很難實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體完整面型的高精度掃描測(cè)量［6］，為了獲取工件被測(cè)要素的特征點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)專門的檢測(cè)工裝。設(shè)計(jì)檢測(cè)工裝時(shí)，要考慮被測(cè)要素的特征以及測(cè)量的便利性。在檢測(cè)工裝上設(shè)置測(cè)量靶標(biāo)，使測(cè)量?jī)x器獲取工件整體尺寸，如工件的內(nèi)外徑、同軸度等被測(cè)要素的特征點(diǎn)。在檢測(cè)工裝上安裝傳感器，使測(cè)量?jī)x器獲取工件局部尺寸，如工件端面傾斜、壁厚等被測(cè)要素的特征點(diǎn)。

測(cè)量?jī)x器通過對(duì)靶標(biāo)的測(cè)量，可以獲取靶標(biāo)在測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；使用傳感器，可以獲取被測(cè)要素特征點(diǎn)在檢測(cè)工裝輔助坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；由于測(cè)量靶標(biāo)與傳感器都在檢測(cè)工裝上，可以使檢測(cè)工裝輔助坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系相關(guān)聯(lián)。靶標(biāo)在檢測(cè)工裝輔助坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，可以在安裝前由更高精度的測(cè)量設(shè)備通過標(biāo)定給出參數(shù)；傳感器獲取的相關(guān)被測(cè)要素特征點(diǎn)在檢測(cè)工裝輔助坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，也可以在安裝前通過系統(tǒng)標(biāo)定確定尺寸和位置參數(shù)。那么，在測(cè)量時(shí)就可以采用坐標(biāo)變換，將獲取的相關(guān)被測(cè)要素的特征點(diǎn)統(tǒng)一到測(cè)量坐標(biāo)系；通過提取的被測(cè)要素特征點(diǎn)，擬合出被測(cè)要素的特征，通過坐標(biāo)測(cè)量的方法，對(duì)工件尺寸和幾何誤差進(jìn)行測(cè)量。

3.2 具體實(shí)施

為了更好地解釋上述測(cè)量方法，給出一個(gè)具體的測(cè)量方法，測(cè)量對(duì)象是某型企口管。

圖2是企口管的簡(jiǎn)化圖，根據(jù)設(shè)計(jì)和安裝的要求，需要測(cè)量的特征見表1。

表1 工件需要測(cè)量的特征

測(cè)量使用的硬件主要包括測(cè)量?jī)x器、檢測(cè)工裝、測(cè)量靶標(biāo)和傳感器（數(shù)字百分表），圖3是本測(cè)量方法使用的硬件結(jié)構(gòu)連接示意圖。

測(cè)量前需按圖3所示將測(cè)量?jī)x器和檢測(cè)工裝等硬件搭建好，另外，還需準(zhǔn)備無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和計(jì)算機(jī)。測(cè)量時(shí)，測(cè)量?jī)x器的測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)總線的連接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，同時(shí)傳感器數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，最后在計(jì)算機(jī)上完成計(jì)算，得出結(jié)果。

▲圖2 某型企口管簡(jiǎn)化圖

▲圖3 測(cè)量硬件結(jié)構(gòu)連接示意圖

▲圖4 測(cè)量方法數(shù)學(xué)模型圖

測(cè)量方法的數(shù)學(xué)模型如圖4所示，O-XYZ為測(cè)量坐標(biāo)系，O′-X′Y′Z′為檢測(cè)工裝輔助坐標(biāo)系。 靶標(biāo)點(diǎn)的讀數(shù)可以是笛卡爾坐標(biāo)系，也可以為極坐標(biāo)系，極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為空間直角坐標(biāo)系的變換方程為：

式中：ρ為測(cè)量?jī)x器到靶標(biāo)距離；β為ρ與XOY平面所成夾角；α為ρ在XOY平面上的投影與X軸所成夾角。

通過測(cè)量?jī)x器，獲取靶標(biāo)中心點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；通過傳感器獲取被測(cè)要素特征點(diǎn)在檢測(cè)工裝輔助坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；通過標(biāo)定獲取靶標(biāo)在檢測(cè)工裝輔助坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；通過坐標(biāo)變換的方法，推出被測(cè)要素特征點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，然后通過擬合的方法對(duì)工件尺寸和幾何誤差進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)際測(cè)量步驟如下。

（1）測(cè)量?jī)x器1放置在筒柱狀工件的中央，測(cè)量時(shí)，測(cè)量?jī)x器需要調(diào)整水平基準(zhǔn)。

（2）檢測(cè)工裝2固定在工件上端面的沿口，檢測(cè)工裝3固定在工件下端面的沿口，由于靶標(biāo)的設(shè)計(jì)與相關(guān)被測(cè)要素關(guān)聯(lián)，即靶標(biāo)4與基準(zhǔn)A和基準(zhǔn)B相關(guān)聯(lián)，靶標(biāo)5與基準(zhǔn)C和基準(zhǔn)D相關(guān)聯(lián)，通過對(duì)靶標(biāo)的測(cè)量，可以獲取工件的內(nèi)徑r、外徑R、工件內(nèi)外表面的同軸度、工件長(zhǎng)度L等被測(cè)要素?；鶞?zhǔn)A、B、C、D為檢測(cè)工裝安裝時(shí)的基準(zhǔn)。

（3）檢測(cè)工裝2上安裝傳感器（數(shù)字百分表）6～9，檢測(cè)工裝3上安裝傳感器（數(shù)字百分表）10～12。傳感器設(shè)置時(shí)與相關(guān)基準(zhǔn)要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立坐標(biāo)體系，通過傳感器的讀數(shù)，能推算出工件端面凸沿的形狀和位置信息、工件軸線和端面的垂直度、兩端面的傾斜度等被測(cè)要素，關(guān)聯(lián)方式見表2。

（4）傳感器有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，通過無線傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞痔犭娔X。

（5）檢測(cè)工裝安裝完畢后，通過人工按一定的流程測(cè)量各靶標(biāo)，然后在手提電腦上應(yīng)用測(cè)量軟件，完成各測(cè)量項(xiàng)目的自動(dòng)計(jì)算和表格生成。需要注意的是，在測(cè)量前需要進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定，消除各部件安裝精度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響之后，方可將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。

4 結(jié)論

筆者提出通過間接測(cè)量方法獲取工件被測(cè)要素的特征點(diǎn)，利用檢測(cè)工裝，一次測(cè)量安裝就可以測(cè)量不同部位的全部被測(cè)要素，提高了測(cè)量精度，節(jié)約了測(cè)量時(shí)間，這種方法還具有良好的通用性，即利用已有的測(cè)量設(shè)備，不僅可以用在筒狀工件的幾何要素的測(cè)量，而且根據(jù)測(cè)量工件的不同，可以在不同的位置設(shè)置多套檢測(cè)工裝，通過改變檢測(cè)工裝的造型，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它各類大型回轉(zhuǎn)工件的測(cè)量。

表2 被測(cè)要素與檢測(cè)工裝關(guān)聯(lián)方法

［1］ 趙幸福，田一明，楊恢，等.測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)方法在大型工件現(xiàn)場(chǎng)加工中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（8）:68-71.

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