梁 杰，張康寧，邱 益

(鄭州大學 機械與動力工程學院，鄭州 450001)

疊層材料綜合了單一材料的特性，既減輕了結構重量又保證了結構性能，近些年在飛機的機翼和機身等主承力結構中得到廣泛應用。隨之而來的則是飛機裝配過程中針對疊層材料的鉆孔量激增，減小疊層材料的層間毛刺和表層毛刺對實現飛機部件的一次裝配有重要意義。快速精確地測量出毛刺的幾何形貌并給出表征參數，有助于更便捷和靈活地獲取鉆孔工藝優(yōu)化的毛刺評價指標。

毛刺檢測方法可分為兩種：接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量易用低成本的硬件實現，但效率低，同時由于接觸力會改變毛刺的形狀，故很難測量到毛刺的真實高度[1]。SW Park等[2]利用錐光全息測量系統(tǒng)實現了孔毛刺高度的測量。胡力闖等[3]利用激光顯微鏡測量了孔毛刺高度和毛刺選定區(qū)域的形貌。梁杰[4]利用工具顯微鏡實現了對孔毛刺根厚度的測量。Nakao等[5]利用圖像處理技術搭建了測量毛刺高度與根厚度的系統(tǒng)，測量精度為50 μm。現有通過專用設備的非接觸式測量模式不能實現對孔全域的毛刺高度、根厚度及形貌的綜合快速測量，并且專用設備輸出的測量數據不能自動實現毛刺期望評價指標的計算。

隨著線激光位移傳感器測量精度、采樣點數和采樣速度的提升，越來越多地被應用于工業(yè)測量。伍川輝等[6]利用線激光位移傳感器對軌道交通列車輪對的幾何尺寸進行了測量。馬金鈺等[7]研究了三個線激光位移傳感器角度安裝誤差對工件直徑測量結果的影響，并提出了校準方法。劉源等[8]針對小圓孔精密測量難度大的問題，構建了基于線激光的圓孔尺寸測量系統(tǒng)，其直徑測量誤差最小為2 μm。張旭等[9]提出了一種基于線激光傳感器的工件尺寸測量系統(tǒng)的誤差補償方法，大大提高了工件尺寸測量精度，從補償前的520 μm提高到了40 μm。尤勇等[10]基于線激光研制了客車踏板孔位直徑檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)的測量精度為±0.25 mm。劉旭[11]提出了一種基于工業(yè)機器人結合線激光位移傳感器的發(fā)動機葉片測量方法，可以快速得到葉片的測量點云數據，顯著提高了測量效率。潘建州等[12]以線激光位移傳感器為主體，構建了蝸桿綜合偏差檢測平臺，其能夠對蝸桿型面進行快捷準確的檢測。馬振飛[13]將線激光傳感器與機器人運動相結合實現了異構鑄件型面的高效檢測。鄧世祥等[14]通過在立式數控加工中心搭載線激光位移傳感器，并結合入射傾角誤差補償策略實現了航空葉片型線數據較為準確的測量。周晏鋒等[15]通過在機床上加裝線激光位移傳感器，并結合標定技術，實現對平面和孔的掃描測量，以確定工件在機床中的精確位置。上述研究可以發(fā)現線激光的準確測量要考慮激光入射光線和待測工件的姿態(tài)，以及待測工件的材質和結構等。毛刺從尺度上看屬于細觀結構，其特點為尖銳、非連續(xù)、非光滑和易突變。

本文基于線激光位移傳感器搭建了一套孔毛刺測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現孔全域毛刺高度、根厚度的測量和幾何形貌展示，并基于最小二乘中線、算術平均波動和均方根波動計算毛刺評價指標。該研究有助于提高孔毛刺檢測效率，對鉆孔工藝參數的優(yōu)化具有重要意義。

1 測量原理及誤差分析

1.1 毛刺測量原理

本文選擇基恩士LJ-G030高精度2D激光位移傳感器測量孔毛刺，其測量原理如圖1所示，工件沿Y軸做勻速運動，并按指定位移間隔觸發(fā)激光位移傳感器采樣，從而實現待測孔周邊輪廓信息的獲取?；谠摲椒ù罱ǖ臏y量裝置實物如圖2所示，工件水平放置在精密滑臺上，帶絕對編碼器的步進電機通過聯(lián)軸器驅動精密滑臺實現工件沿Y軸的勻速移動，精密滑臺每運動0.04 mm觸發(fā)激光位移傳感器采樣一次。

圖1 孔毛刺測量原理Fig.1 Measuring principle of hole burr

圖2 測量裝置實物圖Fig.2 Physical image of measuring device

1.2 測量誤差分析

1.2.1 雜散光誤差影響

雜散光指的是在實際測量中激光接收器捕獲到除被測表面以外反射回的光線[12],主要分為底面雜散光和側面雜散光，如圖3所示。底面雜散光是由于線激光照射到孔底面時，一部分光線會經孔壁反射到激光接收器。側面雜散光是由于線激光傾斜時照射到孔壁，此時會反射到孔底面被接收器接收。因此，底面雜散光和側面雜散光都是采集到被測表面以外的光線從而影響測量效果。根據前期試驗，本文通過在待測孔里填充白色柔性紙消除雜散光的不利影響。

1.2.2 2D激光傾斜誤差

測量裝置的安裝過程會引入裝配誤差，其中激光位移傳感器繞Y軸(見圖1)的傾斜(見圖4(a))會產生測量誤差。為了消除該誤差，本文使用區(qū)域1和區(qū)域2的數據計算擬合線，并將其繞測量中心旋轉為水平，從而實現傾斜校正，其過程如圖4(b)和圖4(c)所示。

圖3 雜散光影響Fig.3 Influence of stray light

圖4 線激光傾斜誤差及校正Fig.4 Tilt error and correction of 2D laser

2 孔毛刺測量與評價方法

2.1 毛刺測量算法

將線激光位移傳感器的每次采樣分為兩個數據點集合{Qi(xi,zi)}和{Qj(xj,zj)}，在對{Qj(xj,zj)}部分進行計算時，先將點集中的x坐標倒序存放，經過檢測與計算后再還原。針對數據點集合{Q}計算毛刺高度與根厚度，步驟如下：

Step1截取毛刺輪廓。

根據采集的原始數據設定閾值k(k值由被測材料表面粗糙度決定，可觀察原始數據得出)，若zi+3-zi>k就令u=zi，如果zi>u則將數據點存入新的集合{Qb(xb,zb)}，該數據集用于描述毛刺輪廓。圖5所示為被測孔一次采樣的輪廓圖，圖6所示為用上述方法截取的毛刺輪廓。

圖5 被測孔一次采樣的輪廓圖Fig.5 Profile of a hole sampled at a time

圖6 算法截取的毛刺輪廓Fig.6 Profile of the burr intercepted by the algorithm

Step2求解平面高度。

對于原始的數據點集合{Q}，將沒有達到閾值k之前的數據點存入一個數據集合{Qu(xu,zu)}，并計算zu的平均值A，將A定義為被測件的平面高度。

Step3提取波峰。

針對截取的毛刺輪廓數據點集合{Qb(xb,zb)}，如果zb>zb-1且zb

Step4計算毛刺高度。

毛刺高度H為波峰與平面高度之差，即

H=zmax-A

(1)

Step5計算毛刺根厚度。

在毛刺輪廓數據點集合{Qb(xb,zb)}中，記第一個數據點為(xa,za)，波峰的數據點為(xb,zmax)，其中a和b分別為第a個數據點和第b個數據點。而每一條激光線中相鄰兩個數據點之間的距離為固定值L，則毛刺根厚度T為

T=(b-a)×L

(2)

毛刺高度與根厚度的計算示意如圖7所示。根據每次采樣獲取的待測孔毛刺高度與根厚度數據，便可描述整個孔的毛刺輪廓。

圖7 毛刺高度與根厚度計算方法Fig.7 Calculation method of burr height and root thickness

2.2 孔毛刺評價

通過上述毛刺測量算法可得到每次采樣的毛刺高度與根厚度信息，但為便于觀察毛刺分布和評價待測孔的質量，需要找到每次采樣后計算獲得的毛刺高度值和根厚度值與被測孔圓周展開的對應關系，具體方法如下(見圖8)：

假設通過n次采樣完成待測孔的遍歷，這可等效為孔被n條激光線同時測量，其中孔邊緣兩條與孔相切的激光線各獲取圓周上一個位置的毛刺數據，中間的激光線則獲取圓周上兩個位置的毛刺數據。規(guī)定第1條激光線L1的毛刺數據對應圓周展開度數為0°，第n條激光線Ln對應展開度數為180°，中間第m條激光線Lm兩端毛刺數據對應的展開度數分別為

(3)

圖8 毛刺高度和根厚度與圓周展開度數的對應方法Fig.8 Burr height and root thickness corresponding to the degree of circumference expansion

利用圖8的方法得到測量數據與圓周展開度數的對應后，便可描繪待測孔的毛刺高度及根厚度沿圓周方向的波動。圖9所示為測量某鋼板5 mm孔出口處的毛刺高度波動。進一步本文將用波動線的最小二乘中線評價待測孔毛刺的平均高度和根厚度，并用算術平均波動和均方根波動來描述毛刺的均勻性，實現毛刺的量化評價。上述最小二乘中線定義為波動線上各點至該線的距離平方和最小的水平直線，算術平均波動Wa為波動線上各點至最小二乘中線距離絕對值的算術平均偏差,均方根波動Wq為波動線上各點至最小二乘中線距離的均方根值。Wa和Wq的計算公式為：

(4)

式中：n為波動線上點的個數，s為波動線上的點到最小二乘中線的距離。

圖9 孔毛刺波動及量化評價指標Fig.9 Hole burr fluctuation and quantitative evaluation index

3 孔毛刺測量精度實驗

3.1 重復度測試

重復度測試使用本系統(tǒng)對三個鉆孔出口毛刺的平均高度進行測量，鉆孔對象為厚度2 mm的6061鋁合金板。對每組樣品分別進行20次測量實驗，為避免光照影響，測量時在沒有日光直射的環(huán)境中進行。三個孔的重復度測量結果如圖10所示。

在沒有光源干擾的實驗室環(huán)境下進行了此三組測試，激光位移傳感器工作距離為10 mm，測量精度為1 μm。由實驗數據可知，第一組樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為43.48～44.27 μm，第二組樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為41.04～41.7 μm，第三組樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為52.64～53.2 μm，系統(tǒng)的重復性測量誤差<0.8 μm，具有很好的穩(wěn)定性。

(a)孔1重復測量結果

3.2 準確度測試

準確度測試使用德國布魯克NPFLEX三維形貌儀和千分表分別對重復度測試的三個樣品進行毛刺高度測量。由于千分表會對毛刺造成一定程度的破壞，因此先用三維形貌儀進行測量。千分表和三維形貌儀的測量方案如圖11所示，兩種方案均選取孔邊緣相同的四個位置進行測量，并取四個值的算術平均值作為待測孔出口處的平均毛刺高度，測試結果如表1所示。

由表1可以看出，千分表的測量值小于三維形貌儀與本文方法的測量值，這主要因千分表為接觸式測量，測量過程的接觸力引發(fā)了毛刺壓縮變形。線激光與三維形貌儀的測量差異則可歸結為采樣點數的不同，即三維形貌儀在測量時只選取了四個點的毛刺高度進行測量，而本系統(tǒng)對孔全域進行了掃描測量。

通過上述重復度和準確度測試結果可以看出，本文基于線激光位移傳感器開發(fā)的測量系統(tǒng)可以滿足毛刺測量需求。

4 孔毛刺測量應用

結合前文的毛刺測量算法和孔毛刺評價指標，本文基于PyQt5開發(fā)了孔毛刺評價系統(tǒng)(見圖12)，該系統(tǒng)不僅可以可視化孔全域的毛刺3D形貌和2D波動，還可給出毛刺及其評價指標的量化值。其可方便用于以減小毛刺為主要目標的鉆孔工藝優(yōu)化。圖13給出了三種不同的鉆削工藝，其差異主要體現在當鉆尖到達工件底層(圖13中t時刻)至完全鉆出(圖13中t′時刻)這段時間的進給量變化，工藝A為按正弦曲線的漸進變進給，工藝B為階躍變進給，工藝C為恒進給，三種工藝下主軸轉速相同(2 000 r/min)。圖14～圖16展示了三種不同鉆削工藝下孔出口處毛刺高度和根厚度的波動情況，根據2.2節(jié)定義的評價指標，可以看出工藝B對毛刺高度和根厚度有最好的抑制(比較圖中M值)，并能得到較工藝A和C均勻的毛刺(比較圖中Wa和Wq值)。

圖12 孔毛刺評價系統(tǒng)界面Fig.12 Interface of hole burr evaluation system

圖13 三種不同鉆削工藝示意Fig.13 Graphical representation of three different drilling processes

(a)工藝A毛刺高度

(a)工藝B毛刺高度

(a)工藝B毛刺高度

5 結 論

現有通過專用設備的非接觸式測量模式不能快速實現對孔全域的毛刺高度及根厚度的測量，并且不能自動給出量化的評價指標。本文提出基于線激光位移傳感器的孔毛刺檢測方法，并基于該方法搭建了測量平臺，然后對測量過程的誤差來源進行了分析和解決，進一步提出了毛刺高度及根厚度測量算法和毛刺評價指標及其量化形式，最后對測量系統(tǒng)的重復度和準確度進行了實驗，并將其應用到以減小毛刺為目標的鉆孔工藝優(yōu)化中。結果表明，該系統(tǒng)不僅可以實現孔全域毛刺3D形貌和2D波動的可視化，還可量化毛刺及其評價指標，其測量重復度小于0.8 μm，毛刺高度測量精度為5 μm，能夠滿足孔毛刺的精密測量和鉆削工藝評價。