楊林林,譚駿,楊維川

中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所

1 引言

波形彈簧在空調(diào)壓縮機(jī)主機(jī)、航天電器連接頭、工業(yè)制動(dòng)器、浮動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)等裝置中均應(yīng)用廣泛。波形彈簧通常是由沖壓成型,自由高度作為一項(xiàng)重要尺寸參數(shù),會(huì)對(duì)其最終的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響[1,2],在產(chǎn)品制造過程中需要精確控制。特別在制造過程中的熱處理階段,需要根據(jù)其自由高度尺寸進(jìn)行分組熱處理,并采用不同的工藝參數(shù)進(jìn)行性能調(diào)控,從而使其最終的力學(xué)性能滿足使用要求,因此波形彈簧自由高度的精確測(cè)量至關(guān)重要。

波形彈簧通常是由壁厚為0.2～1.6mm的冷軋彈簧鋼帶經(jīng)沖壓成型的彈簧元件(見圖1),其沿圓周方向帶有若干個(gè)正弦波形,具有減振、儲(chǔ)能、降噪與補(bǔ)償?shù)茸饔?。傳統(tǒng)的波形彈簧自由高度測(cè)量方法主要采用游標(biāo)卡尺、深度尺或量規(guī)等通用量具進(jìn)行接觸式測(cè)量,例如JB 13296—2017《波形彈簧 技術(shù)條件》中介紹了波形彈簧自由高度的檢測(cè)方法[3],即采用分度值≤0.02mm的游標(biāo)深度尺或?qū)Ｓ脵z具測(cè)量彈簧的最高點(diǎn)作為其自由高度值;HG/T 2479—2020《機(jī)械密封用波形彈簧技術(shù)條件》介紹波形彈簧自由高度可用彈簧試驗(yàn)機(jī)(精度5%)或通用量具(精度值0.05mm)測(cè)量,并且對(duì)同一波形彈簧各波高度偏差有明確要求[4]。

圖1 波形彈簧結(jié)構(gòu)

由于波形彈簧屬于彈性元件,厚度薄且易變形,上述接觸式測(cè)量存在誤差較大、測(cè)量重復(fù)性差等問題,并且波形彈簧在制造過程中(熱處理、表面處理等工序前后)表面顏色會(huì)從銀白色變?yōu)楹诤稚?這種表面顏色變化容易對(duì)激光三角法等[5,6]光學(xué)測(cè)量方法產(chǎn)生較強(qiáng)干擾,因而難以滿足高性能制造對(duì)測(cè)量精度的要求。

光譜共焦位移傳感器利用光學(xué)色散原理建立位移與波長之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,其測(cè)量結(jié)果不受被測(cè)件材料、顏色及表面粗糙度等因素影響[7,8],非常適合用于波形彈簧自由高度的精確測(cè)量。因此,本文提出一種基于光譜共焦原理的波形彈簧自由高度測(cè)量方法,以彩色共焦位移傳感器+精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)組成旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量系統(tǒng),通過輪廓掃描、輪廓濾波及峰值提取等步驟,完成波形彈簧所有波峰峰值的非接觸精密測(cè)量,從而提高波形彈簧自由高度的檢測(cè)效率及精度。

2 波形彈簧自由高度測(cè)量方法

2.1 基本原理

光譜共焦位移傳感器是基于光學(xué)色散原理來建立位移與波長的數(shù)學(xué)關(guān)系,其原理見圖2。復(fù)色光經(jīng)過分光鏡后進(jìn)入色散鏡頭,經(jīng)過色散鏡頭后發(fā)生光譜色散,不同波長的光在光軸的不同位置處聚焦,只有焦點(diǎn)在被測(cè)物體表面上且特定波長的光才能被反射并通過光闌,其余波長的光由于不滿足共焦關(guān)系而被光闌濾除,通過光譜儀的光譜分布即可分析出被測(cè)物體的位移信息。

圖2 光譜共焦測(cè)量原理

為了對(duì)波形彈簧的自由高度進(jìn)行高效精確測(cè)量,基于光譜共焦測(cè)量原理建立光譜共焦位移傳感器+精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量方法,其原理見圖3。該方法以精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)表面作為測(cè)量基準(zhǔn),將波形彈簧置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心,利用平臺(tái)帶動(dòng)波形彈簧旋轉(zhuǎn),并利用光譜共焦傳感器實(shí)時(shí)采集波形彈簧上表面輪廓高度數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)濾波、峰值提取等過程,最終得到波形彈簧各波峰的峰值點(diǎn)高度,并以其中最大峰值高度作為波形彈簧的自由高度值。

圖3 波形彈簧自由高度測(cè)量方法

2.2 波形彈簧輪廓數(shù)據(jù)濾波

由于模具制造誤差、環(huán)境噪聲、振動(dòng)及表面材質(zhì)等因素影響,實(shí)際獲得的波形彈簧輪廓并非理想正弦波型,且輪廓數(shù)據(jù)受噪聲影響較大(見圖4a),這將對(duì)波峰高度的評(píng)定造成極大干擾。為此,需要對(duì)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,采用移動(dòng)平均濾波算法濾除原始信號(hào)中的噪聲信號(hào),濾波窗口為1×5,經(jīng)過濾波后,原始輪廓噪聲信號(hào)得到極大抑制(見圖4b)。

(a)原始輪廓

2.3 提取波形彈簧輪廓數(shù)據(jù)峰值

經(jīng)過濾波后的波形彈簧輪廓在波峰處仍然不是單調(diào)變化,在波峰部位可能存在多個(gè)極值點(diǎn),常規(guī)峰值提取算法以輪廓的極大值點(diǎn)作為波峰的峰值點(diǎn),可能會(huì)提取到錯(cuò)誤極值點(diǎn),導(dǎo)致高度測(cè)量結(jié)果發(fā)生較大偏差(見圖5)。

圖5 常規(guī)峰值提取算法

針對(duì)上述情況提出等步距窗口移動(dòng)的峰值提取算法,用于快速精確提取波形彈簧各個(gè)波峰峰值點(diǎn),有效提高峰值提取結(jié)果的抗干擾性,其原理見圖6。

圖6 波峰峰值提取算法

算法的峰值提取步驟為:

①設(shè)定峰值提取的閾值T,即波形彈簧的峰值應(yīng)大于閾值T;

②根據(jù)閾值T,搜索輪廓數(shù)據(jù)中高度為閾值T的上升沿點(diǎn)位a及下降沿點(diǎn)位b;

③在上升沿a與下降沿b的范圍內(nèi)搜索波形彈簧的初始波峰值Peak及其位置c;

④根據(jù)波形彈簧的輪廓數(shù)據(jù)特征,設(shè)置搜索窗口大小W及搜索步距S;

⑤對(duì)波形彈簧的輪廓數(shù)據(jù)繼續(xù)搜索閾值T的下一個(gè)上升沿d,則ad間的距離即設(shè)置為搜索步距S,搜索窗口設(shè)置為ab/k,根據(jù)波形彈簧輪廓數(shù)據(jù)的密集程度k可設(shè)為2,3,4,…;

⑥按照搜索步距及搜索窗口大小搜索輪廓數(shù)據(jù)中8個(gè)波峰峰值點(diǎn)Peaks;

⑦通過搜索8個(gè)峰值點(diǎn)中的最大值作為該波形彈簧的自由高度H。

利用峰值提取算法實(shí)現(xiàn)波形彈簧8個(gè)波峰峰值點(diǎn)的精確提取,峰值點(diǎn)提取結(jié)果見圖7。

圖7 波形彈簧峰值提取結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 搭建旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量系統(tǒng)

為了驗(yàn)證本文提出的檢測(cè)方法及相關(guān)算法,使用精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)、光譜共焦傳感器、直線送料機(jī)構(gòu)、傳感器位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)等搭建了旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量系統(tǒng)(見圖8)。其中,精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的端面跳動(dòng)及徑向跳動(dòng)均小于5μm,定位精度以及重復(fù)定位精度均優(yōu)于0.05°;光譜共焦傳感器為基恩士CL-L030的彩色共焦位移傳感器,測(cè)量范圍為±3.7mm,分辨率0.25μm,直線性±0.94μm。通過位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)傳感器的位姿進(jìn)行調(diào)節(jié),使傳感器的光軸與精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的平面保持垂直。

圖8 旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量時(shí),將波形彈簧逐件放置到滑軌上,由滑軌將單件波形彈簧送到直線送料機(jī)構(gòu)的圓弧定位工裝前端;光電傳感器檢測(cè)到波形彈簧的存在,驅(qū)動(dòng)直線送料機(jī)構(gòu)將波形彈簧推送到精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的中心;由精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)波形彈簧繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心進(jìn)行回轉(zhuǎn),同時(shí)光譜共焦傳感器實(shí)時(shí)采集波形彈簧的輪廓數(shù)據(jù);當(dāng)波形彈簧完成一周掃描后,系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,計(jì)算出其自由高度值;直線送料機(jī)構(gòu)根據(jù)波形彈簧的自由高度值對(duì)其進(jìn)行分揀。

3.2 測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)

系統(tǒng)搭建完成后,使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)多個(gè)位置進(jìn)行校準(zhǔn),其校準(zhǔn)結(jié)果見表1。由表可知,對(duì)于0.000～3.000mm高度范圍內(nèi),旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差在0.003mm以內(nèi),表明測(cè)量系統(tǒng)具有非常高的測(cè)量精度。

表1 旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果 (mm)

3.3 測(cè)量方法對(duì)比

為了驗(yàn)證波形彈簧的測(cè)量效果,以某件波形彈簧作為試驗(yàn)件,分別采用人工檢測(cè)方法和旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量法對(duì)同一件零件進(jìn)行10次測(cè)量。其中,人工測(cè)量采用JB/T 13296—2017《波形彈簧 技術(shù)條件》中介紹的測(cè)量方法,使用百分表+二級(jí)精密平臺(tái)的方法測(cè)量波形彈簧的多個(gè)波峰的最高點(diǎn)作為其自由高度。根據(jù)百分表的示值誤差可知,人工測(cè)量方法的測(cè)量精度約為0.01mm。兩種測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量與人工檢測(cè)結(jié)果對(duì)比 (mm)

由表2可知,人工測(cè)量法的結(jié)果在0.82～0.85mm的范圍內(nèi)波動(dòng),平均值為0.831mm,均方根誤差為0.0094mm;而旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量法的自由高度測(cè)量值在0.870～0.874mm的范圍內(nèi)波動(dòng),平均值為0.872mm,均方根誤差為0.0013mm,旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量法的測(cè)量重復(fù)性更好。根據(jù)測(cè)量平均值可知,人工測(cè)量過程產(chǎn)生的測(cè)量力會(huì)使波形彈簧沿高度方向有0.03mm的壓縮量,此壓縮量受檢測(cè)人員對(duì)最高點(diǎn)判斷等主觀因素影響。此外,與人工測(cè)量效率相比(60s/件),旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)效率為16s/件,檢測(cè)效率提升200%以上,有利于降低檢驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.4 測(cè)量不確定度分析

影響波形彈簧自由高度測(cè)量不確定度來源主要包括機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的端面跳動(dòng)、傳感器的示值誤差、測(cè)量重復(fù)性、傳感器光軸與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面垂直度誤差等方面。

(1)機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)端面跳動(dòng)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μ1

根據(jù)精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的出廠證書,精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的端面跳動(dòng)最大限值為0.005mm,假設(shè)端面跳動(dòng)按照正態(tài)分布估計(jì),則包含因子為2,由端面跳動(dòng)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(2)傳感器示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μ2

在傳感器的出廠手冊(cè)中可以查到彩色共焦位移傳感器的示值誤差(直線性)為0.94μm,檢定合格。

(3)測(cè)量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度μ3

測(cè)量同一件波形彈簧波峰平均值10次,測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 波形彈簧波峰重復(fù)性測(cè)量結(jié)果 (mm)

對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值為

由貝塞爾公式計(jì)算測(cè)量的波峰平均值標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(4)傳感器光軸與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面垂直度誤差μ4

光軸與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的垂直度誤差(見圖9)將導(dǎo)致測(cè)得值的誤差,當(dāng)被測(cè)長度為L、光軸與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的夾角為θ時(shí),測(cè)量誤差為

圖9 光軸與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面垂直度誤差

ΔL=L(1-cosθ)

式中,θ最大限值為5°,波峰高度差值≤0.2mm,則測(cè)量誤差ΔL≤7.612×10-4mm。

按正態(tài)分布估計(jì),則其引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(5)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于各輸入量之間相互獨(dú)立,則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(6)擴(kuò)展不確定度

在工程應(yīng)用中包含因子k=2,其置信水平約為0.95,則擴(kuò)展不確定度U為

U=kμc=6.276×10-3mm

(7)測(cè)量結(jié)果

T=(0.872±0.006)mm

4 結(jié)語

針對(duì)當(dāng)前波形彈簧自由高度的人工測(cè)量效率低、誤差大的問題,提出了基于光譜共焦測(cè)量原理的波形彈簧旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量方法,利用光譜共焦位移傳感器與精密機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)組成旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)波形彈簧表面輪廓的掃描測(cè)量,獲取波形彈簧表面大量輪廓數(shù)據(jù),并提出一種基于等步距窗口移動(dòng)的峰值提取算法,實(shí)現(xiàn)了波形彈簧所有波峰峰值點(diǎn)的精確提取,最終有效提高波形彈簧自由高度的檢測(cè)效率及精度。