張日升，李正偉，黃姝珂，劉俊，李尚政

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900)

0 前言

固體密度檢測在各類工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程中具有廣泛應用。對于精密制造工程而言，各制造工序對金屬結構件的要求極高，不僅有多個精密尺寸和形位公差要求，還對金屬構件的化學成分、內(nèi)部缺陷、物理性能等有要求。例如，要求其密度范圍為(±0.01)g/cm。為此，在制造過程中需要采用化學成分檢測、密度測量、尺寸精測等手段以控制金屬構件質(zhì)量、性能的均勻性和一致性。

精密工程中的一些重要結構件，由于結構復雜，其密度難以直接測量計算得出，長期采用液體靜力稱量法進行測量，通過人工測量多個相關參數(shù)最終計算得出密度。由于在任何測量環(huán)節(jié)都需要操作人員全程參與，檢測效率低、批量測量勞動強度大，測量不確定度難以降低。

本文作者針對人工測量金屬構件密度時存在的效率低、勞動強度大、測量不確定度難以降低的問題，設計一臺基于液體靜力稱量的金屬構件密度自動測量裝置。通過分析人工測量方案得到影響質(zhì)量的關鍵因素，結合影響因素針對性進行總體功能設計，得到總體架構、測量流程和控制原理。對自動裝置的幾個主要分系統(tǒng)進行選型和設計，確保總體功能的實現(xiàn)和測量質(zhì)量。通過測量結果不確定度評估實現(xiàn)對測量結果的批量評價，保障測試數(shù)據(jù)的準確性；通過批量產(chǎn)品測試結果驗證所研制自動測量裝置的有效性。

1 測量質(zhì)量影響因素分析

1.1 測量原理

我國用于固體密度測量的方法主要是液體靜力稱量法，它是依靠水密度作為基值建立起來的。液體靜力稱量裝置主要由液體靜力天平(包括吊具)、恒溫系統(tǒng)與已知質(zhì)量和體積的浮子或已知密度的參考液體等組成。

固體密度測定的精度主要取決于物體體積精度。體積測定的精度比質(zhì)量測定的精度低，這主要是由于準確測定物體在液體中所受浮力比較困難，所以固體密度測定的精度通常與其體積測定的精度相差不大。

在高精度的密度測定中，通常取純水(蒸餾水)作為用液，其中水中質(zhì)量測量如圖1所示。

圖1 密度檢測原理示意

1.2 質(zhì)量影響因素分析

密度測試技術現(xiàn)存的瓶頸是在測量待測件的水中質(zhì)量前和測量時，需要兩次等待水面穩(wěn)定，等待時間長，當大批量產(chǎn)品待測時，嚴重影響效率。

目前人工操作進行某個金屬構件密度檢測的單件測試過程約為14 min，影響其檢測效率和測量不確定度的因素主要為水中質(zhì)量的準確稱量過程，關鍵環(huán)節(jié)是金屬結構件入水的浸潤控制(去氣泡)、水溫波動和系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡等引起的測量誤差的控制。

2 總體方案設計

2.1 總體功能設計

根據(jù)液體靜力稱量法固體密度的要求，金屬構件密度自動測量裝置應具備如下主要基礎功能：

(1)全自動密度檢測功能。工件按照要求擺放后，密度檢測過程可實現(xiàn)無人值守；

(2)精測系統(tǒng)控制使用獨立式運動控制，通過網(wǎng)絡與計算機通信；

(3)工件可靠夾持、上下料；工件浸潤沖洗去除表面氣泡功能；

(4)多通道物理信號采集、傳輸功能，溫度、力等信號的采集傳輸；

(5)水的溫度和水位需要顯示在上位機界面，改善人機關系；

(6)人機對話功能。應具有良好的人機界面，實現(xiàn)測量過程控制、測量過程參數(shù)及結果輸出、故障報警信息顯示等人機對話功能。

2.2 總體架構設計

金屬構件密度自動測量裝置主要由執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)、控制軟件等部分組成，其中硬件包括精密天平、直線運動機構、測量用機械手、除氣泡機構、水箱機構等；軟件包括多通道信號處理程序、PLC程序、人機交互界面程序等。整個系統(tǒng)通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)，在控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構的配合下實現(xiàn)整個系統(tǒng)的所有性能指標?？傮w架構設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構

2.3 機電布局與造型方案設計

金屬構件密度自動測量裝置總體構成分為待測區(qū)、空中測量區(qū)、入水待測區(qū)、除氣泡區(qū)、水中測量區(qū)以及分揀區(qū)等。全自動密度精測系統(tǒng)整體設計的工作模式為流水線模式，整體外形為箱型，長2 500 mm、寬1 500 mm、箱體高1 600 mm(不含機械手高度)，總高2 600 mm。其結構分為三層，上層為運動傳送機構，中層為測量過程工位，下層為電氣控制柜。設備外側全部安裝可以向外打開的活動門板，部分區(qū)域設置成觀察窗，便于隨時觀察設備運行情況，其整體結構如圖3所示，運動機構布局如圖4所示。

圖3 裝置總體布局設計

圖4 運動機構布局設計

2.4 總體測量流程設計

如圖5所示，金屬構件密度自動測量裝置可以分為6個功能區(qū)：待測區(qū)、空稱區(qū)、交換區(qū)、噴淋區(qū)、水稱區(qū)以及分揀區(qū)。

圖5 功能區(qū)劃分設計

金屬構件密度自動測量裝置的檢測流程如圖6所示。

圖6 檢測流程設計

檢測流程具體步驟如下：

(1)清洗干凈的工件首先在干態(tài)下，在空氣中稱重，工控機讀入工件在空氣中的質(zhì)量并存儲到指定位置；

(2)空氣中測量后，由直線運動機構1通過真空吸盤將工件轉運到交換區(qū)；

(3)直線運動機構2通過真空吸盤將交換區(qū)的工件轉運到噴淋區(qū)，用噴淋清洗方式完成工件表面的氣泡消除；

(4)氣泡消除后，直線運動機構2通過真空吸盤將工件轉運至水稱區(qū)，等待水穩(wěn)定，待水稱區(qū)天平讀數(shù)穩(wěn)定后, 讀取工件在水中的質(zhì)量測量值；

(5)通過系統(tǒng)計算工件密度分揀出不合格品和合格品，機械手在分揀區(qū)進行分揀，整個流程完成。

測量過程中涉及的輔助過程主要包括數(shù)據(jù)采集及處理。

設測定工件在空氣中的質(zhì)量，將吊具系統(tǒng)浸入水中掛于天平的下掛鉤后清零，并將工件放入吊具內(nèi)，測定工件在水中的質(zhì)量。用溫度計測量水溫，確定水密度，根據(jù)密度公式計算工件的密度。在忽略空氣密度的前提下，密度按公式(1)計算：

(1)

2.5 控制原理設計

金屬構件密度自動測量裝置的機械手運動及數(shù)據(jù)采集過程均需要按照嚴格的邏輯流程進行控制，采用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)多軸運動控制和邏輯控制功能，基于工控機開發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集與處理軟件完成質(zhì)量、溫度等數(shù)據(jù)的采集以及根據(jù)水溫進行水密度選擇，完成金屬構件密度的檢測過程。檢測與控制的總體架構設計如圖7所示。

圖7 檢測與控制的總體構架設計

總體架構中數(shù)據(jù)采集和處理模塊用于采集天平測量的工件干態(tài)質(zhì)量與水中質(zhì)量，同時測量水箱溫度以便根據(jù)溫度選擇水的標準密度，最后完成密度計算并在界面中顯示。PLC程序主要用于控制機械手按規(guī)定循環(huán)邏輯進行工件的抓取、移動、放置等邏輯功能。測量數(shù)據(jù)輸出與打印模塊用于將測量過程中間數(shù)據(jù)與密度計算結果保存為測量文件，并且根據(jù)需要打印輸出測量報告。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊和PLC控制模塊是控制系統(tǒng)的核心。PLC控制部分主要完成接近開關、電磁閥、按鈕開關、步進電機驅動器等器件的動作控制。數(shù)據(jù)采集與處理模塊完成質(zhì)量、溫度等數(shù)據(jù)的采集以及根據(jù)水溫進行水密度選擇。兩部分功能按照檢測邏輯相互配合，共同構成整個檢測流程，運動邏輯如圖8所示。

圖8 檢測過程中的運動控制邏輯示意

整個檢測流程包括干態(tài)稱重、清洗除泡、水中稱重、分揀作業(yè)4個循環(huán)，循環(huán)間按順序執(zhí)行，即：一批零件按照干態(tài)稱重循環(huán)所示流程逐個完成稱重后，再逐個按清洗除泡循環(huán)進行除氣泡，最后再逐個進行水中稱重。

(1)干態(tài)稱重循環(huán)

在干態(tài)稱重循環(huán)中，干態(tài)測量機械手在開機初始化之后位于待測區(qū)上方，在測量啟動后，步進電機驅動機械手向下運動直至機械手接近工件；接近開關觸發(fā)后機械手停止運動，并打開真空管路中的電磁閥為吸盤提供負壓，從而將工件拾起；機械手拾起工件后(即真空管路的電磁閥開啟一段時間后)，機械手在步進電機的驅動下向上運動直至觸發(fā)上部接近開關，之后機械手向上運動停止，由橫向運動機構實現(xiàn)機械手橫向運動至干態(tài)測量區(qū)的上方(即圖8(a)中的1、2、3過程)。干態(tài)稱重機構設計如圖9所示。

圖9 干態(tài)稱重機構設計圖

當干態(tài)機械手將工件運至干態(tài)測量區(qū)的上方并觸發(fā)接近開關時，橫向運動停止，機械手豎直下降；觸發(fā)測量區(qū)接近開關后機械手停止運動，關閉真空管路中的電磁閥并打開通向大氣的電磁閥以卸去負壓，工件落入測量天平托盤；之后機械手上升至觸發(fā)測量區(qū)上部接近開關的位置，停止運動并等待一段時間使天平讀數(shù)穩(wěn)定，讀取干態(tài)質(zhì)量；天平讀數(shù)完成后，讀數(shù)程序給出觸發(fā)信號使機械手再次向下運動拾取工件并將它轉運至交換區(qū)即待入水區(qū)(即圖8(a)中的4、5、6、7、8、9過程)。

在工件放到待入水區(qū)之后，機械手按預定的流程回到初始位置(即圖8(a)中的10、11、12過程)，干態(tài)稱重計數(shù)器加1(計數(shù)器數(shù)值小于設置循環(huán)值)，開始下一個工件的測量循環(huán)。當干態(tài)稱重計數(shù)器數(shù)值等于循環(huán)值后，干態(tài)測量機械手在初始位置停止運動，干態(tài)稱重循環(huán)完成，啟動清洗除泡循環(huán)。

(2)清洗除泡循環(huán)

清洗除泡循環(huán)啟動后，由機械手交換機構將水中機械手交換到工作位置，干態(tài)機械手停止工作。水中機械手由初始化位置(水中放置區(qū)上方)移動到待入水區(qū)，進行工件拾取，并將工件轉運至噴淋區(qū)即除泡區(qū)上方(即圖8(b)中的1、2、3、4、5過程)。過程切換采用與干態(tài)稱重循環(huán)中相似的接近開關進行觸發(fā)。

工件由水中機械手轉運至除泡區(qū)上方觸發(fā)接近開關后，機械手下降觸發(fā)除泡區(qū)接近開關，真空管路電磁閥關閉且通向大氣的電磁閥打開，卸壓后工件落入清洗區(qū)的卡口中；之后機械手上升到位后，啟動噴淋清洗，待清洗一段時候，噴淋停止并復位；復位后，機械手向下運動拾取工件并轉運至水中放置區(qū)。

最后水中機械手運動到初始化位置，觸發(fā)接近開關后，清洗計數(shù)器加1，開始下一件工件的清洗；直至清洗計數(shù)器計數(shù)等于設置值，水中機械手停止運動，清洗除泡循環(huán)結束，并啟動水中稱重循環(huán)。除氣泡機構設計如圖10所示。

圖10 除氣泡機構設計圖

(3)水中稱重循環(huán)

水中稱重循環(huán)與干態(tài)稱重循環(huán)類似，但在水中天平吊盤稱重時，需要等待足夠長的時間以使得天平讀數(shù)穩(wěn)定。其次，在水中稱重采集質(zhì)量數(shù)據(jù)的同時要采集水溫數(shù)據(jù)，并存儲到指定位置。

在所有工件的原始數(shù)據(jù)測量結束后，軟件給出觸發(fā)信號，啟動密度數(shù)據(jù)計算，并在硬件指示燈上給出測量結束的標識。水中稱重工位設計如圖11所示。

圖11 水中稱重工位設計圖

(4)分揀環(huán)節(jié)

通過系統(tǒng)計算工件密度分揀出不合格品和合格品，機械手將工件分揀在分揀區(qū)，整個流程完成。在分揀區(qū)工件堆垛旁邊加工有U形凹槽，可以使工件上流下的水再次流回水槽，保證設備下部空間的電氣設備安全運行。分揀工位設計如圖12所示。

圖12 分揀工位設計圖

3 密度測量不確定度評估

3.1 密度標準試件的制造要求

設計制作ZL101、ZPbSb10Sn2和Fe-Ni-W 三種材料密度試件各4件。試件主要化學成分符合相關標準及有關技術條件。圓柱形試件外形尺寸為50 mm×10 mm，上下兩端面平行，公差為0.05 mm，表面粗糙度為1.6 μm。試件表面不允許有縫隙孔洞及不可清除的斑點污物，內(nèi)部致密不能有氣孔、夾雜等缺陷。

3.2 密度標準試件密度值測定

測試環(huán)境溫度和相對濕度控制在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)密度測試方法，在不同測量儀器、測試人員及測試水溫條件下，分別對 ZL101、ZPbSb10Sn2 和Fe-Ni-W試樣進行多次測試，測出試件在空氣中和水中的質(zhì)量后求出其平均值，根據(jù)式(1)計算得到試件不同條件下的平均密度。對平均密度進行比較，若沒有明顯的差異，則求出總平均密度作為該試件的密度標準值。

3.3 密度測量不確定性計算

在忽略空氣密度的前提下，密度測定量是間接量，其密度測定值是各直接測定量、、的函數(shù)，各直接測定量由測量儀器測得。因此，密度測定的不確定度主要來源于：

(1)試件在空氣中質(zhì)量測定的重復性；

(2)試件在水中時質(zhì)量測定的重復性；

(3)水溫的變化；

(4)由天平的檢定分度值引入的不確定度；

(5)由天平讀數(shù)的分散性引入的不確定度。

上述分析的不確定度，采用多次試驗的方法來標定。

根據(jù)測量不確定度的評定原理，密度測定的合成標準不確定度，將由各直接測定量的標準不確定度分量和天平的檢定分度值及天平讀數(shù)的分散性引入的不確定度分量平方和的平方根確定：

(2)

通過對以上3種材料密度標準件的測試與不確定度分析，得到標準件的密度標準值和不確定度。因此，該密度標準件可作為密度測試的校正標準，從而可以有效地控制測試系統(tǒng)，保證密度測試數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

4 金屬構件密度自動測量試驗

經(jīng)總體設計、分系統(tǒng)設計、集成裝配、機電聯(lián)調(diào)后，形成金屬構件密度自動測量裝置原型機如圖13所示。

圖13 金屬構件密度自動檢測裝置

目前該自動檢測裝置已用于金屬結構件密度批量檢測過程中，通過多批次產(chǎn)品密度自動檢測試驗驗證，結果如表1所示。

表1 密度自動檢測裝置與人工檢測效果對比

由表1可知：所研制的自動化測量裝置，通過結合自動傳感、控制一體化技術，實現(xiàn)了從長流程、人員技能要求高的手工檢測，到無人值守自動檢測的轉變，檢測活動的勞動強度、人員依賴度大幅下降，單件檢測時間由14 min下降至5 min，檢測效率提高了180%；測量不確定度由0.004 g/cm降低至0.001 g/cm，不確定度大幅降低了75%。

5 結論

本文作者針對人工測量金屬構件密度效率低、勞動強度大、測量不確定度難以降低的問題，通過分析人工測量方案得到質(zhì)量影響關鍵因素為金屬構件入水浸潤控制、水溫波動、系統(tǒng)穩(wěn)定平衡。結合這幾個影響因素設計了自動測量裝置總體功能，形成總體架構、測量流程和控制原理。對自動裝置的幾個主要分系統(tǒng)進行選型和設計，確保了總體功能的實現(xiàn)和測量質(zhì)量的一致性；給出測量不確定性評估方法以批量評估測量結果，保障測試數(shù)據(jù)準確性。金屬構件密度自動測量試驗結果表明：相比人工測量方法，自動檢測裝置測量不確定度降低了75%，檢測效率提高了180%，檢測結果穩(wěn)定可靠、重復性高。研制的自動測量裝置解決了人工測量效率低、勞動強度大、測量不確定度難以降低的問題。