毛強(qiáng)　蔣志強(qiáng)

摘要：為實(shí)現(xiàn)純鉛、純錫等軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件平面度及壁厚的高精度、非接觸式無損測量，本文提出一種基于雙激光位移傳感器的非接觸式測量方法，采用CL-3000型雙激光位移傳感器以及高精度兩維氣浮運(yùn)動平臺構(gòu)建了非接觸測量裝置，基于Qt開發(fā)環(huán)境和MATLAB程序，開發(fā)了運(yùn)動控制與平面度、壁厚測量數(shù)據(jù)采集、處理程序。與三坐標(biāo)測量比對結(jié)果表明，研制的非接觸測量裝置能夠滿足軟質(zhì)金屬材料平面構(gòu)件平面度及壁厚的高精度非接觸式測量需求。

關(guān)鍵詞：平面構(gòu)件；平面度；壁厚；非接觸測量；不確定度分析

中圖分類號：TH-39?????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.010

文章編號：1006-0316 （2023） 08-0069-06

Development of a High-Precision Non-Contact Measurement Device for Flatness andWall Thickness of Planar Components

MAO Qiang，JIANG Zhiqiang

（ Institute of Mechanical Manufacturing Technology， China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999， China ）

Abstract：In order to realize the high-precision， non-contact and non-destructive measurement of flatness and wall thickness of soft metal planar components such as pure lead and pure tin， a non-contact measurement method based on dual laser displacement sensor is proposed in this paper. A non-contact measuring device is constructed by using CL-3000 dual laser displacement sensor and a high-precision two-dimensional air floating motion platform. Based on Qt development environment and MATLAB program， we developed the motion control， flatness and wall thickness measurement data acquisition， and processing program. The comparison results with CMM show that the non-contact measuring device can meet the high-precision non-contact measuring requirements for the flatness and wall thickness of soft metal planar components.

Key words：planar components；flatness；wall thickness；non-contact measurement；uncertainty analysis

由純銅、純鋁、純錫等軟質(zhì)純高塑性金屬材料加工形成的高精度薄壁平面零件，常用于材料斷裂力學(xué)性能測試等實(shí)驗(yàn)，其平面度、壁厚以及表面質(zhì)量等技術(shù)參數(shù)，對該類實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重要影響。針對該類構(gòu)件，通常采用超精密切削方式進(jìn)行加工，而如何對其平面度、壁厚等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精確測量與表征，對于提高構(gòu)件制造質(zhì)量進(jìn)而提升物理實(shí)驗(yàn)的置信度具有重要意義^[1-7]。

當(dāng)前，三坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machine，CMM）是應(yīng)用最廣泛的測量裝備，具有較高的效率與精準(zhǔn)度，可以準(zhǔn)確得出平面構(gòu)件平面度及壁厚等參數(shù)。但對于經(jīng)過超精密加工的軟質(zhì)平面構(gòu)件，基于三坐標(biāo)的接觸式測量方式，在接觸力的作用下會劃傷工件表面，從而影響后續(xù)的物理實(shí)驗(yàn)。采用動態(tài)激光干涉儀可以實(shí)現(xiàn)平面構(gòu)件平面度的非接觸式測量，但無法用于厚度測量^[8-9]。因此，本文針對上述軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件平面度及壁厚的高精度測量需求，提出一種基于雙激光位移傳感器的非接觸式測量方法，進(jìn)行非接觸測量裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計并完成裝置構(gòu)建，基于研制的裝置，進(jìn)行了平面構(gòu)件平面度和壁厚的測試試驗(yàn)。

1 非接觸測量裝置總體設(shè)計

1.1 軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件技術(shù)要求

物理實(shí)驗(yàn)常用的純錫、純銅等軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件直徑≤Φ200 mm、壁厚≤5 mm，平面度誤差≥3 μm、壁厚測量誤差≤5 μm。

1.2 非接觸測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)軟質(zhì)金屬平面構(gòu)件平面度、壁厚的測量，設(shè)計的平面構(gòu)件非接觸測量裝置總體方案如圖1所示，主要由xy方向移動平臺及驅(qū)動系統(tǒng)、兩個高精度非接觸式激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析軟件三部分組成。為減小地面振動等環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，將移動平臺及激光位移傳感器放置于氣浮平臺。待測工件安裝在x軸上，隨xy軸移動，兩個激光位移傳感器固定安裝在氣浮平臺上，通過xy軸的平移運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工件上下表面平面面型及厚度數(shù)據(jù)的測量，將工件xy坐標(biāo)信息以及傳感器測得的z向坐標(biāo)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，進(jìn)而完成平面構(gòu)件平面度與壁厚的計算與分析。

1.3 非接觸測量裝置運(yùn)動及測量組件選擇

根據(jù)待測平面構(gòu)件的尺寸大小及精度要求，擬采用WFTS-250x250 XY型氣浮平臺作為本測量系統(tǒng)xy向移動組件，xy軸行程范圍均為250 mm，定位精度為±1 μm，重復(fù)定位精度為±0.5 μm，直線度誤差為±1 μm，最大可承載工件質(zhì)量為20 kg，能夠滿足平面構(gòu)件平面度及厚度測量對xy軸運(yùn)動精度的技術(shù)需求。

選用CL-3000型高精度非接觸式激光位移傳感器。這是一種無需選擇安裝方法、場所、用途的超小型激光同軸位移計，采用直上直下的測量方法，可高精度測量曲面、凹坑等。采用專用夾具和PC軟件上的光軸調(diào)整功能，可準(zhǔn)確調(diào)整光軸，實(shí)現(xiàn)在雙頭對射厚度測量時具有高精度測量能力。在測量高度為30±3.7 mm時，測量分辨率為0.25 μm，能夠滿足平面構(gòu)件對平面度及厚度測量誤差的技術(shù)需求。

1.4 驅(qū)動及數(shù)據(jù)采集程序的集成設(shè)計

設(shè)計的非接觸測量裝置主要由xy運(yùn)動軸以及z向雙激光位移傳感器兩部分組成，需要將xy運(yùn)動軸的控制系統(tǒng)和激光位移傳感器的采集數(shù)據(jù)集成到一個系統(tǒng)中，進(jìn)行運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集。因此，基于Qt6.0.0開發(fā)環(huán)境并結(jié)合MATLAB程序，開發(fā)了運(yùn)動控制與數(shù)據(jù)采集程序，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得平面構(gòu)件的平面度和壁厚誤差。集成流程如圖2所示，為：根據(jù)待測工件大小，啟動程序控制移動平臺與激光位移傳感器開始測量。按逐行掃描的策略輸入合適的xy軸移動參數(shù)，并對激光位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在待測區(qū)域內(nèi)，程序會按固定間距進(jìn)行采樣，并實(shí)時判斷是否滿足參數(shù)條件，在滿足參數(shù)條件后會對該點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并記錄。由程序自動控制完成整個設(shè)定區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)總體設(shè)計思路以及選擇的運(yùn)動與測量部件，設(shè)計的非接觸式平面構(gòu)件平面度、厚度測量系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

2 非接觸測量裝置數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)

2.1 平面構(gòu)件平面度測量流程及數(shù)據(jù)采集

為保證測量精度，需要對激光位移傳感器進(jìn)行精確對焦。測量時，將工件安裝在xy軸上的固定夾具上，移動xy軸，采用逐點(diǎn)掃描方式進(jìn)行面型測量。根據(jù)上述測量方式，采集到的數(shù)據(jù)為一個矩形區(qū)域。由于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征為圓形薄壁構(gòu)件，需要判斷采集到的數(shù)據(jù)是否在工件實(shí)際范圍之內(nèi)。因此需要在確定工件圓心的基礎(chǔ)上，判斷采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)是否符合構(gòu)件的尺寸及結(jié)構(gòu)特征要求，即：

在對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上，需要校驗(yàn)保留的數(shù)據(jù)，檢查是否出現(xiàn)因測量導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)，計算測量數(shù)據(jù)高度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，并舍去所有超出數(shù)據(jù)平均值三倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)，只保留在誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述方法，完成數(shù)據(jù)的校驗(yàn)后需要將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值與均化，使其從離散的點(diǎn)圖生成連續(xù)的平面圖，并最后將其測量到的高度差以顏色的方式表示出來，如圖5所示。

2.2 平面構(gòu)件壁厚測量流程及數(shù)據(jù)采集

壁厚測量為平面度測量方式的拓展，其基本測量流程是將兩個型號相同的激光位移傳感器相向放置在載物平面的對稱位置，設(shè)置好焦距，使兩個位移傳感器的測量點(diǎn)重合。然后通過移動平臺移動工件使得待測工件多個點(diǎn)被傳感器測量其在不同方向上的偏移，將兩個方向上的位移數(shù)據(jù)相加即是該點(diǎn)的厚度數(shù)據(jù)。通過該方法測量工件多個點(diǎn)的壁厚數(shù)據(jù)即可計算出整個工件的壁厚狀況。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及誤差分析

3.1 平面度誤差測量與驗(yàn)證

將一件經(jīng)過超精密加工的直徑120 mm圓形純銅薄壁件通過本測量裝置進(jìn)行測量，其結(jié)果與司看科技AM-CELL C200型三坐標(biāo)測量結(jié)果相互驗(yàn)證，以此驗(yàn)證本測量裝置精度能否滿足超精密加工薄壁件平面度及壁厚的測量需求。通過平面放置在兩種測量裝置測量臺上直接測量的方式，來避免夾具與裝夾方式不同對工件造成的變形影響測量，如圖6所示。

對兩個相同工件分別使用三坐標(biāo)測量儀與本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測量。測量工件為直徑120 mm的純銅圓形薄壁件，測量方式為沿中軸線等間隔采集數(shù)據(jù)繪圖。測量結(jié)果如圖7所示。可以看出，本裝置與三坐標(biāo)測量儀平面度測量結(jié)果總體一致，但仍存在一定不同。經(jīng)過計算得到，本裝置測得平面度為0.0101，三坐標(biāo)測量儀測得平面度為0.0095，相差0.0006。本裝置測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量儀結(jié)果相比，本裝置選取的基準(zhǔn)平面更低，因此總體測量結(jié)果數(shù)值偏高但反應(yīng)的面型仍然一致。且根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)，測量結(jié)果不是最平坦?fàn)顟B(tài)，與真實(shí)數(shù)據(jù)存在一定的偏差。但本裝置可以反應(yīng)整體的面型情況，在不要求超高精度的測量時，可以替代三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行平面度測量。

3.2 壁厚誤差測量與驗(yàn)證

對同一直徑120×5 mm的純銅平面構(gòu)件，分別使用本裝置以及三坐標(biāo)測量儀沿同一直徑進(jìn)行對比測量。本裝置測量方式如圖6所示，三坐標(biāo)測量儀測量時，將該平面構(gòu)件立式裝夾，通過移動測頭測量兩個表面的對應(yīng)點(diǎn)位，進(jìn)而獲得構(gòu)件的壁厚。測量結(jié)果如圖8所示，可以看出，兩種測量方式下的壁厚誤差具有相同規(guī)律。將兩種測量方式所得厚度結(jié)果相減得到誤差結(jié)果如圖9所示，其最大誤差范圍為±2 μm，可知本裝置能夠滿足平面構(gòu)件的測量需求。

3.3 誤差分析

4 結(jié)語

本文研制了一種基于雙激光位移傳感器的非接觸測量裝置，可以實(shí)現(xiàn)直徑≤Φ200mm、壁厚≤5 mm平面構(gòu)件平面度及壁厚的非接觸式測量、可視化數(shù)據(jù)表示以及誤差評定。

該裝置與三坐標(biāo)測量儀平面度測量結(jié)果間的誤差為0.6 μm，測量不確定度為1.17 μm，壁厚測量誤差最大為1.8 μm，平均誤差為0.8 μm，測量不確定度為0.15 μm，滿足平面度及壁厚的高精度非接觸測量需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]柳占立，初東陽，王濤，等. 爆炸和沖擊載荷下金屬材料及結(jié)構(gòu)的動態(tài)失效仿真[J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2021，42（1）：1-14.

[2]楊揚(yáng)，彭志強(qiáng)，郭昭亮，等. 滑移爆轟條件下高純銅的層裂行為[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報，2016，34（1）：32-37，58.

[3]袁帥，文尚剛，李平，等. 強(qiáng)爆轟驅(qū)動飛片的數(shù)值模擬研究[J]. 爆炸與沖擊，2015，35（2）：197-202.

[4]秦志，李斌，張涵，等. 金屬表面強(qiáng)化后梯度顯微結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響[J]. 航空制造技術(shù)，2022，65（15）：41-50.

[5]劉若絮，毛西秦，歐梅桂，等. 冷拉拔變形對純銅組織及性能的影響[J]. 有色金屬科學(xué)與工程，2022，13（2）：67-75.

[6]劉屹，林有希，俞建超. T2純銅高速銑削刀具磨損對表面形貌的影響[J]. 表面技術(shù)，2022，51（10）：301-309，369.

[7]齊書韜，閆舒洋，孫玉文. 純銅車削加工殘余應(yīng)力的仿真及試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程師，2022（1）：15-17，20.

[8]朱莉，邢鑫，孟兆新，等. 基于柔性薄膜傳感器木板平面度測量方法[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（11）：143-145，149.

[9]鄒春龍，黃浩，王生懷，等. 平面度誤差三維測量系統(tǒng)的研究[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2014（9）：93-96.

[10]姚興宇. 基于移相式激光干涉儀的平晶平面度測量方法分析[J]. 計測計術(shù)，2016，36（S1）：78-79.

[11]鐘賴司，衛(wèi)征，郭文波. 激光干涉儀在平面度檢測中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2015，44（10）：123-124.

[12]王文超. 最小二乘法分析工作臺平面度誤差[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（34）：132-134.

[13]何偉銘，焦會萌，賈江森，等. 基于逐次二點(diǎn)法的平面度誤差測量方法研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2016（4）：147-151.

[14]萬文. 平面度誤差可視化評定系統(tǒng)研究[J]. 制造業(yè)自動化，2011，33（24）：33-35.

[15]馬書紅，吳呼玲，薛帥. 基于MATLAB的平面度誤差評定程序設(shè)計[J]. 微型電腦應(yīng)用，2021，37（10）：77-80.

[16]婁建起. 不連續(xù)平面的平面度誤差計算方法研究[D]. 鞍山：遼寧科技大學(xué)，2021.

[17] Li X，Zhang X，Du Z，et al. Evaluation of flatness error based on two upper points and two lower points[J]. Measurement，2021，183（2）：109901.

[18]王漢斌. CMM平面度測量不確定度評定[J]. 計量與測試技術(shù)，2019，46（3）：98-99.

[19]呂寶華，王鵬，周舵. 基于條紋投影技術(shù)的工業(yè)零件平面度測量方法[J]. 電光與控制，2021，28（6）：105-109，113.

[20] Ye R F，Cui C C，Huang F G，et al. Minimum Zone Evaluation of Flatness Error Using an Adaptive Iterative Strategy for Coordinate Measuring Machines Data[J]. Advanced Materials Research，2012（472-475）：25-29.

[21]Li P，Ding X M，Tan J B，et al. A hybrid method based on reduced constraint region and convex-hull edge for flatness error evaluation[J]. Precision Engineering，2016（45）：168-175.