CN105806290B - 基于涡流点阵的曲面局部法向矢量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于涡流点阵的曲面局部法向矢量测量方法属于检测技术领域，涉及一种基于涡流点阵的曲面局部法向矢量测量装置与方法。测量方法采用三点法对局部曲面进行法矢量测量，以包络加工位置的三个测量点构成一个微小平面的法向矢量近似代替加工点的法矢量。通过双向旋转台带动标定平板旋转，根据涡流点阵中各个传感器的输出变化，完成传感器在机床坐标系下的相对位置标定。数控机床驱动涡流探头点阵按照预先规划的测量路径扫描测量被测件，通过倾角误差补偿与法矢量计算数据处理操作，完成曲面局部法矢量精确测量。本发明适于精密金属零件的曲面局部法矢的在机扫描测量，装置结构紧凑、测量方法准确、操作简单、方法可靠，测量效率高。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，特别涉及一种基于涡流点阵的曲面局部法向矢量测量装置与方法。
背景技术
表面法矢测量是飞机蒙皮镜像加工系统与飞机壁板自动钻孔加工系统中的关键技术，法矢的测量精度直接影响蒙皮的剩余壁厚与制孔的垂直度、直径参数，而此类参数均是影响加工质量的关键参数。针对以上问题，可通过在末端执行器上安装法矢测量装置，根据测量反馈调整执行器的姿态。目前表面法矢测量往往采用光学测量方法，采用多个激光传感器阵列或多束激光投射器。然而由于光亮金属表面具有严重反光特性，采用光学测量会产生测量失真，且光学测量的环境适应能力较差。因此，需寻求一种适用于加工现场中的光亮金属表面法矢精密测量方法。
研究表明，铝合金精密曲面零件的法矢精确测量具有很大的工程挑战性。考虑到零件表面非破坏性、反光特性、加工现场环境，所采用测量手段需满足非接触、非光学、抗干扰、不受水油介质影响等要求，例如涡流点阵测量等。
2012年北京航空航天大学何田、肖登红等在专利发明CN102797786A中公开了一种阵列式新型高性能电涡流阻尼器，具有阻尼系数可调，高阻尼力与阻尼器整体质量比值，结构紧凑，可靠性高。2004年清华大学丁天怀、陈祥林等在在专利发明CN1356545中公开了一种基于柔性阵列式电涡流传感器的球面层间间隙监测系统，阵列式传感器各路传感器的一致性好，传感器的精度高，可实现对作缓慢相对运动两球面层间间隙的实时监测。然而，上述涡流点阵技术的研究均未涉及法矢测量问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对加工中铝合金精密零件曲面法矢难以精确测量的问题，发明了一种基于涡流点阵的曲面局部法向矢量测量方法，该方法中采用了三个涡流位移传感器，具有测量非接触、不受反射干扰等优势；抑制了涡流阵列中多传感器间互耦干扰影响，提高法矢测量精度。该方法中通过传感器的在机自标定方法，确定工件表面各个测量点的精确相对位置，为法向矢量的精确测量提供数据依据；基于被测对象不同倾角下电涡流位移测量误差补偿模型，提高单个电涡流位移传感器的测量精度，为曲面局部法向精确计算奠定基础；将涡流点阵法矢测量系统安装于机床，可实现加工过程中铝合金精密曲面零件法矢精确测量，操作简单、便于组装，测量效率高；设备集成度高、便于实现自动化。
本发明采用的技术方案是一种基于涡流点阵的曲面局部法矢量测量方法，其特征是：测量方法采用三点法对被测件局部曲面进行法矢量测量，以包络加工位置的三个测量点构成一个微小平面的法向矢量n近似代替加工点M的法矢量；首先通过双向旋转台带动标定平板旋转，根据涡流点阵中各个涡流传感器的输出变化，完成传感器在机床坐标系下的相对位置标定；接着，将被测件夹装夹在机床工作台上，数控机床驱动涡流探头点阵按照预先规划的测量路径扫描测量被测件，上层测量系统自动进行多通道采集、存储测点数据；最后，通过倾角误差补偿与法矢量计算数据处理操作，完成曲面局部法矢量精确测量；方法具体步骤如下：
第一步，组装涡流点阵测量装置
采用三个涡流位移传感器：1#涡流传感器1、2#涡流传感器2和3#涡流传感器3组成涡流点阵，涡流点阵沿数控机床主轴4的圆周方向均匀分布，确定涡流点阵的布置间距a为涡流位移传感器在全量程范围内无互耦干扰的最小距离；三个涡流传感器分别通过3个传感器螺母5与基板6连接，基板6通过弹簧夹头7、螺母8与主轴刀柄9相连，完成测量装置与数控机床主轴的装夹；将标定平板10放置于双轴倾斜工作台11上，并通过两个螺栓压板组件12压紧，完成标定件的定位夹紧；
第二步，涡流点阵中传感器在机相对位置标定
控制数控机床主轴4，使涡流点阵沿z方向远离标定件，调节机床工作台的x与y方向，目测控制涡流点阵中心处于标定件中心附近，移动数控机床主轴4沿z负向降至涡流传感器端面距离标定平面在半量程高度，记录此时的1#、2#、3#涡流传感器1、2、3的测量值分别为P1、P2、P3；调节双轴倾斜台11的螺旋测微头b带动标定平板10绕机床Y向转过角度α，1#、2#、3#涡流传感器1、2、3的测量结果为P1’、P2’、P3’；将标定平板10调回至初始0°位置，调节双轴倾斜台11的螺旋测微头c带动标定平板绕机床X向转过角度β，1#、2#、3#涡流传感器1、2、3的测量位移为P1”、P2”、P3”；
由测得的上述数据计算1#、2#、3#涡流传感器1、2、3之间的相对位置关系，计算公式为：
式中，Δx12为1#、2#涡流传感器1、2沿X向的相对距离，Δx13为1#、3#涡流传感器1、3沿x向的相对距离，Δy12为1#、2#涡流传感器1、2沿Y向的相对距离，Δy13为1#、3#涡流传感器1、3沿Y向的相对距离；
第三步，基于涡流点阵的曲面定向扫描测量
首先，将被测工件13通过夹持框14定位夹紧，涡流点阵在机床主轴4驱动下运动至被测件13的第一截面轨迹L1内起始点；
然后，涡流点阵沿第一截面轨迹L1段扫描测量，同时上位机的数据采集系统高频存储各测点坐标及输出电压信号数据，测量获得第一截面轨迹L1的测量子集Ω1＝(pi1,k,Ui1,k),i∈[1,r],k∈[1,2,3]，k为传感器标号，pi1,k为涡流点阵中传感器k在第一截面轨迹L1第i测点坐标，ui1,k为传感器k在第一截面轨迹L1第i测点输出信号，r为截面轨迹内的测点数；当涡流点阵运动至第二截面轨迹L2段进行扫描测量，获得第二截面轨迹测L2的测量子集Ω2；涡流点阵沿Z字形扫描路径对被测件13双向往复扫描测量，测量获得被测件13的测量总集Ω＝Ωj,j∈[1,s]，s为截面轨迹总数，Ωj为第j截面轨迹Lj的涡流点阵测量子集；
第四步，电涡流传感器输出信号倾角误差补偿
取涡流点阵中传感器k第j截面轨迹Lj第i测点输出信号幅值uij,k；根据被测件的设计模型，计算出传感器k在第j截面轨迹Lj第i测点处切向倾角Ψij,k；基于电涡流传感器倾角误差模型，结合切向倾角与输出信号，计算倾角误差并进行误差补偿；
式中，为传感器k在第j截面轨迹Lj第i测点被测曲面倾角θt＝Ψij时的传感器输出值，为相同提离下测量平面时的传感器输出值，θt为被测面倾角；
按上述操作，对第j截面测量子集Ωj中的涡流点阵中每个传感器的输出信号进行逐点倾角误差补偿处理，得到第j截面的补偿后的测量位移子集pij,k为传感器k在第j截面轨迹第i点坐标；对测量位移总集Ω，按截面轨迹逐条倾角误差补偿处理，得到补偿后的被测件的精确位移测量总集Γ＝Γj,j∈[1,s]；
第五步，曲面局部法矢计算
建立以传感器1为原点的笛卡尔坐标系1-XYZ，涡流点阵中三个传感器在被测件表面第j截面轨迹Lj第i测量点分别为Sij,1、Sij,2、Sij,3，测量点Sij,1、Sij,2、Sij,3在1-xyz坐标系中的坐标为(xij,1,yij,1,zij,1),(xij,2,yij,2,zij,2)，(xij,3,yij,3,zij,3)，根据在机位置标定与位移测量结果，坐标表达式为：
式中，k＝1,2,3；
被测件表面第j截面轨迹Lj第i测点的单位法矢计算公式为：
对第j截面的扫描测量点进行逐点法矢计算得到截面轨迹Lj的法矢测量子集pij为涡流点阵在第一截面轨迹Lj第i测点坐标；最终涡流点阵沿Z字形扫描路径对被测工件13双向往复扫描测量获得法矢测量总集n＝nj,j∈[1,s]，实现了基于涡流点阵的被测零件曲面局部法矢测量。
本发明的有益效果是采用了基于涡流点阵在机测量方法，实现了曲面零件局部法矢的精确测量；方法中涡流点阵测量装置的组装考虑了传感器间干扰影响，通过传感器在机相对位置标定、传感器输出信号倾角误差补偿等一系列技术研究，保证了法矢量测量结果可靠性；本发明可适于精密金属零件的曲面局部法矢的在机扫描测量。
附图说明
附图1-基于涡流点阵的曲面法矢量测量原理图；附图2-曲面法矢量测量装置图，图2a)测量装置主剖视图，图2b)是图2a)的左视图；附图3-涡流点阵在机位置标定原理图，图3a)-安装标定板结构图，图3b)-1#、2#、3#涡流传感器1、2、3倾斜台在0°时的输出和倾斜台绕Y轴倾斜α时的输出比较图，图3c)-1#、2#、3#涡流传感器1、2、3倾斜台在0°时的输出和倾斜台绕x轴倾斜β时的输出比较图；附图4-测量就位与测量轨迹规划示意图。其中：1-1#涡流传感器，2-2#涡流传感器，3-3#涡流传感器，4-数控机床主轴，X、Y、Z为机床坐标系的X坐标轴、Y坐标轴、Z坐标轴，n-法向矢量，M-加工点，5-传感器螺母，6-基板，7-弹簧夹头，8-螺母，9-主轴刀柄，10-标定平板，11-双轴倾斜台，12-压板组件，13-被测件，14-夹持框，a-涡流点阵的布置间距，b-控制Y轴倾斜角度，c-控制X轴倾斜角度，d-Z字形扫描路径，α-绕Y轴倾斜角度，β-绕X轴倾斜角度，P1、P2、P3-1#、2#、3#涡流传感器1、2、3的在倾斜台在0°的输出，P1’、P2’、P3’-1#、2#、3#涡流传感器1、2、3在倾斜台绕Y轴倾斜α时的输出，P1”、P2”、P3”-1#、2#、3#涡流传感器1、2、3在倾斜台绕x轴倾斜β时的输出。
附图5-传感器扫描输出信号倾角误差补偿方法原理图，L1-第1截面轨迹，Ψi1,1-1#涡流传感器1在L1截面轨迹第i测点处切向倾角，1-1#涡流传感器，9-主轴刀柄。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
附图1-基于涡流点阵的曲面法矢量测量原理图，被测件13采用圆柱形铝合金零件，其截面圆弧角度40°、圆弧半径1m、基准母线500mm、壁厚6mm。测量面是零件的外表面。三个涡流传感器的基本参数为：量程10mm、线圈直径20mm、线性度0.3％、分辨率1μm。为便于测量运动规划，截面轨迹沿圆柱形面母线方向，扫描测量方式为双向往复测量，扫描测量速度为200mm/min。
第一步，涡流点阵测量装置的组装。
实施例中采用相同型号的1#、2#、3#涡流传感器1、2、3，传感器之间在满量程10mm的无干扰临界中心轴线距离为33mm，因此涡流点阵的布置间距a＝33mm。基板6为圆形，其直径为39mm的圆周上均匀分布3个圆孔，1#、2#、3#涡流传感器1、2、3分别插入3个圆孔中，并通过3个传感器螺母5与基板6连接，基板6通过弹簧夹头7、螺母8与刀柄9相连，实现测量装置与机床主轴4的连接，如图2所示。
第二步，涡流点阵中各传感器的相对位置在机标定。
标定平板10为铝合金板，尺寸100mm×100mm×8mm，将标定平板10放置在的双轴倾斜台11上，并通过带螺栓的压板组12压紧，如图3所示。调节机床主轴4，使传感器z方向远离标定平板10，调节机床工作台的x与y方向，目测控制涡流点阵中心处于标定平板10的中心附近，移动主轴4沿z负向降至涡流传感器端面距离标定平面在5mm高度，如图3(a)所示。记录此时的1#、2#、3#涡流传感器1、2、3的测量值分别为4.98mm、5.09mm、5.03mm。调节双轴倾斜台11的螺旋侧位头b，带动标定平板绕机床Y向转过角度3°，三个传感器的测量结果为4.46mm、5.44mm、2.83mm，如图3(b)所示。将标定平板调回至初始位置，调节双轴倾斜台11的螺旋侧位头c带动标定平板绕机床x向转过角度3°，三个传感器的测量位移结果为4.65mm、6.27mm、6.23mm，如图3(c)。利用公式(1)～(4)，计算1#、2#、3#涡流传感器1、2、3之间的相对位置关系，Δx12＝16.60mm，Δx13＝32.69mm，Δy12＝29.19mm，Δy13＝29.19mm。
第三步，被测曲面的定向扫描测量。
将被测件13通过夹持框14在机床工作台上定位夹紧，涡流传感器1、2、3沿着预先规划的Z字形截面轨迹对被测件13双向往复扫描测量，如图4所示。涡流传感器1、2、3在机床主轴4驱动下运动至第一截面轨迹L1内的起始点依次扫描测量，同时上位机的数据采集系统高频存储各测点坐标及各传感器的输出数据，即测量获得第一截面轨迹L1的测量子集Ω1。沿Z字形路径对圆柱形铝合金零件13双向往复扫描获得测量总集Ω。
第四步，输出信号倾角误差补偿。
以1#涡流传感器1在第1截面轨迹L1的测量子集Ω1为例。根据被测件13的设计模型，可计算出轨迹L1的测量子集Ω1的第i测点处切向倾角Ψi1,1，如图5所示。结合切向倾角与输出电压信号，利用公式(5)，计算倾角误差补偿值对各个传感器进行逐点倾角误差补偿处理，得到第1截面轨迹L1的涡流点阵测量位移子集对测量位移总集Ω，按截面轨迹逐条倾角误差补偿处理，得到补偿后的被测件13的精确位移测量总集Γ＝{Γj,j∈[1,s]}。
第五步，法矢量计算，建立以传感器1为原点的笛卡尔坐标系1-xyz，利用公式(6)计算被测件13表面第j截面轨迹Lj第i测量点Sij,1、Sij,2、Sij,3在坐标系1-xyz中的三维坐标(xij,1,yij,1,zij,1),(xij,2,yij,2,zij,2)，(xij,3,yij,3,zij,3)，并带入公式(7)计算单位法矢，部分测量结果如表1所示。然后对第j截面的扫描测量点进行逐点法矢计算得到截面轨迹Lj的法矢测量子集最终涡流点阵装置沿Z字形扫描路径对圆柱形铝合金零件13双向往复扫描测量获得法矢测量总集n＝{nj,j∈[1,s]}
表1基于涡流点阵的曲面局部法矢测量结果
本发明实现了基于涡流点阵的铝合金精密零件曲面局部法矢量测量，装置组件较少、结构紧凑，测量结果精确，操作简单、方法可靠。
Claims (1)
1.一种基于涡流点阵的曲面局部法矢量测量方法，其特征是，测量方法采用三点法对局部曲面进行法矢量测量，以包络加工位置的三个测量点构成一个微小平面的法向矢量n近似代替加工点M的法矢量；首先通过双向旋转台带动标定平板旋转，根据涡流点阵中各个传感器的输出变化，完成传感器在机床坐标系下的相对位置标定；将被测件夹装夹在机床工作台上，数控机床驱动涡流探头点阵按照预先规划的测量路径扫描测量被测件，上层测量系统自动进行多通道采集、存储测点数据；最后，通过倾角误差补偿与法矢量计算数据处理操作，完成曲面局部法矢量精确测量；方法的具体步骤如下：
第一步，组装涡流点阵测量装置
采用三个涡流位移传感器：1#涡流传感器(1)、2#涡流传感器(2)和3#涡流传感器(3)组成涡流点阵，涡流点阵沿数控机床主轴(4)的圆周方向均匀分布，确定涡流点阵的布置间距a为涡流位移传感器在全量程范围内无互耦干扰的最小距离；三个涡流位移传感器分别通过3个传感器螺母(5)与基板(6)连接，基板(6)通过弹簧夹头(7)、螺母(8)与主轴刀柄(9)相连，最终完成测量装置与数控机床主轴的装夹；首先将标定平板(10)放置于双轴倾斜台(11)上，并通过两个螺栓压板组件(12)压紧，完成标定件的定位夹紧；
第二步，涡流点阵中传感器的相对位置在机标定
调节机床主轴(4)，使涡流点阵沿z方向远离标定件，调节机床工作台的x与y方向，目测控制涡流点阵中心处于标定件中心附近，移动主轴(4)沿z负向降至涡流传感器端面距离标定平面在半量程高度，记录此时的1#、2#、3#涡流传感器(1、2、3)的测量值分别为P1、P2、P3；调节双轴倾斜台(11)的螺旋测微头b带动标定平面绕机床Y向转过角度α，三个传感器的测量结果为P1’、P2’、P3’；将标定平面调回至初始0°位置，调节双轴倾斜台(11)的螺旋测微头c带动标定平面绕机床X向转过角度β，三个传感器的测量位移为P1”、P2”、P3”；
由测得的上述数据计算1#、2#、3#涡流传感器(1、2、3)之间的相对位置关系，计算公式如下：
式中，Δx12为1#、2#涡流传感器(1、2)沿X向的相对距离，Δx13为1#、3#涡流传感器(1、3)沿x向的相对距离，Δy12为1#、2#涡流传感器(1、2)沿Y向的相对距离，Δy13为1#、3#涡流传感器(1、3)沿Y向的相对距离；
第三步，基于涡流点阵的曲面定向扫描测量
首先，将被测件(13)通过夹持框(14)定位夹紧，涡流点阵在机床主轴(4)驱动下运动至被测件(13)的第一截面轨迹L1内起始点；
然后，涡流点阵沿第一截面轨迹L1段扫描测量，同时上位机的数据采集系统高频存储各测点坐标及输出电压信号数据，测量获得第一截面轨迹L1的测量子集Ω1＝(pi1,k,ui1,k),i∈[1,r],k∈[1,2,3]，k为传感器标号，pi1,k为涡流点阵中传感器k在第一截面轨迹L1第i测点坐标，ui1,k为传感器k在第一截面轨迹L1第i测点输出信号，r为截面轨迹内的测点数；接着，涡流点阵运动至第二截面轨迹L2段进行扫描测量，获得第二截面轨迹L2的测量子集Ω2；
最后，涡流点阵沿Z字形扫描路径对被测件(13)双向往复扫描测量，测量获得被测件(13)的测量总集Ω＝Ωj,j∈[1,s]，s为截面轨迹总数，Ωj为第j截面轨迹Lj的涡流点阵测量子集；
第四步，电涡流传感器输出信号倾角误差补偿
取涡流点阵中传感器k第j截面轨迹Lj第i测点输出信号幅值uij,k；根据被测件(13)的设计模型，计算出传感器k在第j截面轨迹Lj第i测点处切向倾角Ψij,k；基于电涡流传感器倾角误差模型，结合切向倾角与输出信号，计算倾角误差并进行误差补偿；
式中，为传感器k在第j截面轨迹Lj第i测点被测曲面倾角θt＝Ψij时的传感器输出值，为相同提离下测量平面时的传感器输出值，θt为被测面倾角；
按上述操作，对第j截面测量子集Ωj中的涡流点阵中每个传感器的输出信号进行逐点倾角误差补偿处理，得到第j截面的补偿后的测量位移子集pij,k为传感器k在第j截面轨迹第i点坐标；对测量位移总集Ω，按截面轨迹逐条倾角误差补偿处理，得到补偿后的被测件(13)的精确位移测量总集Γ＝Γj,j∈[1,s]；
第五步，曲面局部法矢计算
建立以1#传感器(1)为原点的笛卡尔坐标系1-XYZ，涡流点阵中三个传感器在被测件表面第j截面轨迹Lj第i测量点分别为Sij,1、Sij,2、Sij,3，测量点在1-xyz坐标系中的坐标为(xij,1,yij,1,zij,1),(xij,2,yij,2,zij,2)，(xij,3,yij,3,zij,3)，根据在机位置标定与位移测量结果，坐标表达式为：
式中，k＝1,2,3；
被测件表面第j截面轨迹Lj第i测点的单位法矢计算公式为：
对第j截面的扫描测量点进行逐点法矢计算得到截面轨迹Lj的法矢测量子集pij为涡流点阵在第一截面轨迹Lj第i测点坐标；最终涡流点阵沿Z字形扫描路径对被测件(13)双向往复扫描测量获得法矢测量总集n＝nj,j∈[1,s]，实现了基于涡流点阵的被测零件曲面局部法矢测量。
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