CN106767290B - 一种薄壁壳体无损综合测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，具体为一种薄壁壳体无损综合测量装置。该测量装置包括：传感器、运动机构、基座、龙门架；其中，传感器采用双头精密位移传感器，包括上测头和下测头的双测头测量；运动机构为七自由度机构，包括四个移动自由度机构以及三个转动自由度机构；该装置针对变曲率薄壁壳体，通过更换传感器，以用于不同的测量需求，包括，内轮廓测量、外轮廓的测量、全局表面缺陷的测量等，可实现大尺寸、高陡度、深内腔的薄壁壳体的形位误差（内外表面形状误差、壁厚）及全局表面缺陷的高精度测量。

Description

一种薄壁壳体无损综合测量装置

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种薄壁壳无损超精密测量装置。

背景技术

大尺寸高陡度薄壁壳体，广泛应用于各个与领域，包括石油、电子、食品、医药、机械、建筑、化工核电、航空航天、军工国防等行业。图1所示为部分应用的实例。

这种大尺寸、高陡度、深内腔的薄壁壳体的形位误差及表面缺陷测量一直是一个非常有挑战性的课题，目前尚无完善的测量解决方案。现有的表面轮廓测量仪和其他测量设备存在的不足有: 接触式测量会对软质材料样件表面产生划伤破坏；难以实现高陡度的深内腔测量；测量精度不高；难以实现壁厚的精确测量；不适用于各种变曲率的壳体测量等。

发明内容

本发明的目的在于提出一种无损伤、高精度的综合测量变曲率薄壁壳体的形位及表面缺陷的装置。

本发明提供的综合测量装置，针对变曲率薄壁壳体，实现其形位误差（壳体厚度，内外表面形状误差）及表面微观形貌和缺陷的测量。为实现变曲率薄壁壳体的形位及表面缺陷测量，需要精密运动机构及控制，尤其是薄壁壳体的厚度测量，除了运动机构的精准度外，还要确保传感器沿样件表面的法线方向进行数据测量。测量装置结构示意图见图2所示。其包括：传感器、运动机构、测量系统基座7、龙门架4；其中，传感器采用双头精密位移传感器，即双测头测量：包括上测头11和下测头12；运动机构为七自由度机构，包括四个移动自由度机构：移动轴X 31、移动轴Z1 32、移动轴Z2 81、移动轴W 83，以及三个转动自由度机构：转动轴B1 33、转动轴B2 82、中空式气浮转台 C 5；传感器的上测头11安装于转动轴B133，转动轴B1 33安装于竖直移动轴Z1 32，而移动轴Z1安装于横向移动轴X 31，移动轴X安装于龙门架4的顶部，龙门架4的下部固定于测量系统基座7；传感器的下测头12安装于移动轴W 83，移动轴W安装于转动轴B2 82，转动轴B2安装于竖直移动轴Z2 81， 移动轴Z2 81安装于测量系统的基座7；测量系统基座通常采用大理石基座；中空式气浮转台5包括气浮转台动子51和气浮转台定子52，中空式气浮转台5安装在转台支架6上，转台支架固定于龙门架4的中下部。

当测量曲面薄壁壳体样件21时，将被测件21固定于中空式气浮转台5的转动台（即气浮转台的动子51上），通过精密数控，使上测头11和下测头12沿着被测件对应点的法向，并调整至测头的工作距离内，即可测量测头所对位置的薄壁的厚度值；然后气浮转台5带动被测件做转动，实现连续采样，从而测得薄壁壳体所对应的一圈厚度值；然后，上下测头沿曲面壳体的纬度方向移动一个既定距离，按上述流程测量，获得下一圈的薄壁壳体的厚度。依此类推，最后，即可测量得到整个曲面壳体全局范围内的厚度值。

当测量平面薄壁样件22时，见图3，将下测头12逆时针调整90度，与移动轴W 83垂直，而移动轴W 83则通过转动轴B2 82调整至水平（与被测平面平行）；上测头11通过转动轴B1 33调整与被测平面薄壁样件22上表面垂直；调整上测头11和下测头12与被测件的距离到工作距离内，即可测量所对应位置的薄壁厚度值；随后，被测件由气浮转台5带动转动，从而测量一圈的厚度值；然后，上下测头沿着被测面按既定距离移动到下一个位置，按上述方式，测量下一圈的薄壁厚度；依此方法，可实现平面薄壁样件全局厚度的测量。

本发明设计的综合测量装置，可实现同心圆、螺旋线以及旋转母线等测量策略及路径规划，如图4所示。而同心圆路径是本系统主要采用的测量方式。上述对曲面薄壁壳体及平面薄壁样件测量的方式，采用的即是同心圆的方式。其他两种测量规划，测量原理与同心圆方式类似，只是路径不同。

因此，该测量装置可实现各种曲面壳体（包括变曲率、定曲率曲面、平面等）厚度的测量。

由于测头采用的是非接触式位移传感器，因此相当于一个测距测头，结合精密部件运动的位置信息，可以获得被测件的轮廓数据信息，即空间位置坐标信息。

此外，通过更换测头，例如红外干涉传感器，内测头更换为红外干涉传感器，可快速实现内轮廓测量；外测头更换为红外干涉法，并结合本发明的运动机构，通过数据拼接算法，可实现外轮廓的测量。若测头更改为其他局部测量传感器（微观放大成像或干涉），配合本发明的运动机构，可实现全局表面缺陷的测量等。

所以，本装置系统不局限于测量厚度，但测量厚度是其典型应用之一。通过更换不同传感器，如上所述，基于本发明所提出的七自由度运动机构，可以测量被测件的形状、轮廓信息，以及表面缺陷等信息。特别的，本发明，可实现大尺寸、高陡度、深内腔的薄壁壳体的形位误差（内外表面形状误差、壁厚）及全局表面缺陷的高精度测量，尤其是在国防军工及其他高端领域都具有重要应用价值。

测量有关算法

对于软质材料的样件，为避免表面划伤带来测量误差以及对工件表面的破坏，采用高精度非接触式位移传感器（例如色散共焦位移传感器，电容式位移传感器等）进行非接触式测量。可采用双测头沿曲面法向测量壁厚；或利用单测头扫描测量得到内外表面轮廓形状。在进行误差评定方面，可利用数据融合和坐标匹配重构内外表面，并利用理想面形进行最佳拟合（例如最小二乘法），评价内外表面轮廓与厚度均匀性的定量误差。

厚度测量算法，采用非接触传感器（色散共焦位移传感器），首先通过测量标准件进行测量校准，然后测量被测样件，如图5所示。获得测量件的厚度S，如下式：

（1）

其中，S是被测件厚度，S ₀是标准件厚度，S ₀₁, S ₀₂是校准时传感器测量值，S ₁, S ₂是测量被测样件时的传感器测量值。

根据测量运动轴的位置信息，即测头位置（以柱坐标形式D(R,z,θ)，或笛卡尔坐标形式D（x,y,z））,可以得到被测件的任意位置的厚度信息（R,z,θ,S）或（x,y,z,S）.其中，柱坐标和笛卡尔坐标转换为：

（2）。

数据拼接算法

如果采用的测量传感器（如红外传感干涉）不能对被测件整体测量，则需要进行数据拼接。本装置对测量数据采用软硬件结合的高精快速拼接算法。如图6所示，结合装置的运动特点和测量规划，按被测件周向扫描径向进给的路径，进行测量数据的拼接。假定被测样件口径为，子孔径半径为。沿周向(轴方向) 采样间距为，径向（X轴方向）采样间距为。单次采样的子区域，为沿径向的序号，为沿周向的序号。 拼接算法取, 做以说明，其余子区域可以此类推。

（1）的拼接运算:和的位移由转动轴轴的转动形成，因此，相对的位置移动可通过刚体运动变换来实现，即的测量数据绕C轴回转中心旋转角度来确定。因此而确定相对的相对位置，进而确定重合区域，最后通过布尔运算可实现和的数据拼接，生成的拼接数据。以此类推，完成沿周向的所有数据拼接。

（2）的拼接运算:和的位移则是由移动轴平移实现，所以相对只是在工件径向产生一个平移距离，可通过刚体的平移运动来确定相对于的位置，平移量为。通过刚体变换实现的位置和姿态，继而计算重合区域，通过布尔运算完成的拼接。以此类推，可完成沿径向的所有数据拼接。

（3）测量数据的软件优化拼接：考虑到运动误差的影响，在由硬件信息完成数据拼接后，可进一步通过软件拼接的优化拼接效果。因为硬件信息拼接提供了良好的初始位置和姿态，软件拼接不会陷入局部最优解。通过计算相邻测量区域的重合区最佳相似度，即

（3）

式(3)中，为相似度函数，根据最小二乘最佳匹配实现优化求解。从而完成姿态和位置的调整，尤其是在样件沿旋转轴方向上的拼接，从而进一步实现拼接的最佳效果，保证拼接数据的准确性。软硬件结合的数据拼接保证了测量数据的最大完整性和准确性。

附图说明

图1：半球、类半球或椭圆球壳的应用举例。

图2：测量系统结构示意图（测量曲面壳体）。

图3：测量系统结构示意图（测量薄壁平面件）。

图4：测量路径规划示意图。

图5：采用非接触式测头测厚原理。

图6：子孔径数据拼接算法示意图。

图7：弱刚性高陡度变曲率薄壁壳体测量件。

图8：弱刚性高陡度变曲率薄壁壳体厚度测量实施方案。

图中标号：11-上测头；12-下测头；21-曲面薄壁壳体样件；31-移动轴X；32-移动轴Z1；33-转动轴B1；4-龙门架；51-中空式气浮转台C（动子）；5-中空式气浮转台C；52-中空式气浮转台C（定子）；6-气浮转台支架；7-测量系统基座；81-移动轴Z2;82-转动轴B2；83-移动轴W。

具体实施方式

针对一款实际测量对象，如图7所示，薄壁厚度约2mm，口径240mm，高150mm,由纯铁制成的弱刚性变曲率薄壁壳体，进行全局薄壁厚度的测量。由于材质软，接触式测量会对表面造成损伤，要求非接触式的无损测量；此外，测量精度要求高，厚度测量误差不超过0.5µm。

针对这一测量目标和要求，对现有技术和能力首先进行调研。通过调研发现，有研究者提出一种类球曲面薄壁回转壳体的壁厚测量设计[1]，但该测量方案采用的是标准球，并通过接触式测量，势必对弱刚性被测件表面造成损伤。此外，有研究单位通过设计一种几何厚度测量钳[2,3]，使测量钳一端直接与内壁接触，实现薄壁壳体厚度的测量，因此，依然不能满足非接触测量的要求；此外，由于受测量钳的限制，难以实现大陡度、变曲率的薄壁壳体的厚度测量，同时也不能实现全局域的任意测量。早期有研究者尝试采用非接触式测量厚度,例如采用白光干涉法、气动位移及变压器式位移传感器测量[4,5]。但研究仅仅局限于对平面样件或简单的薄壁柱面进行测厚，不能实现对变曲率、大陡度的曲面壳体进行测厚，同时，精度也不能满足要求。因此，现有技术和设备，都难以实现图7所示样件壁厚的高精无损测量。

基于本发明的系统装置，采用色散共焦位移传感器（精度85nm,光斑尺寸6µm）,安装于所开发的系统机构，通过精密运动机构（直线运动误差小于0.1µm/100mm, 转动误差跳动小于50nm）及中空式气浮转台（径向跳动小于50nm,轴向跳动小于20nm）的运动控制，以及同心圆的测量路径规划，可实现该样件的测量。测量方案如图8所示。

参考文献

[1]蒋家东，袁道成，王保瑞。类球曲面薄壁回转壳体的壁厚测量设计。制造技术与机床，2010年第7期，91-93.

[2]李旭，薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究，大连理工大学硕士论文，2007.12.

郝宏大，薄壁回转体几何参数精密测量的轨迹规划，大连理工大学硕士论文，2007.12.

[3]张益，林彬。导弹整流罩壁厚测量控制系统的研究。计算机测量与控制，2005.13（4）：349-351.

[4]陈计金，非接触白光干涉法测量圆柱筒壁厚，仪器仪表学报，1994，15（1）：94-96，

[5]梁悦平，孙键，夏士智，厚度测量及厚度分选仪，华中理工大学学报，1996，24（7）：37-29。

Claims (6)

1.一种薄壁壳体无损综合测量装置，用于对变曲率薄壁壳体的形位误差及表面微观形貌和缺陷的测量，其特征在于，包括：传感器、运动机构、测量系统基座（7）、龙门架（4）；其中，传感器采用双头精密位移传感器，包括外测头（11）和内测头（12）的双测头测量；运动机构为七自由度机构，包括四个移动自由度机构：移动轴X（31）、移动轴Z1（32）、移动轴Z2（81）、移动轴W（83），以及三个转动自由度机构：转动轴B1（33）、转动轴B2（82）、中空式气浮转台 C（5） ；传感器的外测头（11）安装于转动轴B1（33），转动轴B1(33)安装于竖直移动轴Z1（32），而移动轴Z1安装于移动轴X（31），移动轴X安装于龙门架（4）的顶部，龙门架（4）的下部固定于测量系统基座（7）；传感器的内测头（12）安装于移动轴W（83），移动轴W安装于转动轴B2（82），转动轴B2安装于竖直移动轴Z2（81）， 移动轴Z2(81)安装于测量系统的基座（7）；中空式气浮转台C（5）包括气浮转台动子（51）和气浮转台定子（52），中空式气浮转台C（5）安装在转台支架（6）上，转台支架固定于龙门架（4）的中下部。

2.根据权利要求1所述的薄壁壳体无损综合测量装置，其特征在于，通过更换传感器，以适用不同的测量要求，包括，内测头更换为红外干涉传感器，用于实现内轮廓测量；外测头更换为红外干涉传感器，通过数据拼接算法，用于实现外轮廓的测量；内、外测头更改为局部测量传感器，用于实现全局表面缺陷的测量。

3.基于权利要求1所述的薄壁壳体无损综合测量装置的测量方法，其特征在于，当测量曲面薄壁壳体样件（21）时，将被测曲面薄壁壳体样件（21）固定于中空式气浮转台C（5）的转动台即气浮转台的动子（51）上，通过精密数控，使外测头（11）和内测头（12）沿着被测件对应点的法向，并调整至测头的工作距离内，即测得测头所对位置的薄壁的厚度值；然后中空式气浮转台 C（5）带动被测件做转动，实现连续采样，从而测得薄壁壳体所对应的一圈厚度值；然后，上、内测头沿曲面壳体的纬度方向移动一个既定距离，按上述流程测量，获得下一圈的薄壁壳体的厚度；依此类推，即可测量得到整个曲面壳体全局范围内的厚度值；

当测量平面薄壁样件（22）时，将内测头（12）逆时针调整90度，与移动轴W(83)垂直，而移动轴W（83）则通过转动轴B2（82）调整至水平，与被测平面平行；外测头（11）通过转动轴B1（33）调整与被测平面薄壁样件（22）上表面垂直；调整外测头（11）和内测头（12）与被测件的距离到工作距离内，即可测量得到所对位置的薄壁厚度值；然后，被测件由中空式气浮转台C（5）带动转动，从而测量一圈的厚度值；然后，上、内测头沿着被测面按既定距离移动到下一个位置，按上述方式，测量下一圈的薄壁厚度；依此类推，即可实现平面薄壁样件全局厚度的测量。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，对于厚度测量的算法如下，首先通过测量标准件进行测量校准，然后测量被测件，获得被测件的厚度，如下式：

（1）

其中，S是被测件厚度，S ₀是标准件厚度，S ₀₁, S ₀₂是校准时传感器测量值，S ₁, S ₂是测量被测件时的传感器测量值；

根据测量运动轴的位置信息，即测头位置：以柱坐标形式D（R,z,θ），或笛卡尔坐标形式D（x,y,z），得到被测件的任意位置的厚度信息（R,z,θ,S）或（x,y,z,S）；其中，柱坐标和笛卡尔坐标转换为：

（2）。

5.基于权利要求2所述的薄壁壳体无损综合测量装置的测量方法，其特征在于，传感器采用红外传感干涉，需要进行数据拼接，数据拼接算法如下：

结合装置的运动特点和测量规划，按被测件周向扫描径向进给的路径，进行测量数据的拼接；假定被测件口径为R，子孔径半径为r，沿周向即轴方向采样间距为，径向采样间距为；单次采样的子区域，i为沿周向的序号，j为沿径向的序号； 拼接算法以, 为例说明，其余子区域此类推：

（1）的拼接运算:和的位移由转动轴轴的转动形成，因此，相对的位置移动通过刚体运动变换来实现，即的测量数据绕主轴回转中心旋转角度来确定；因此确定相对的相对位置，进而确定重合区域，最后通过布尔运算实现和的数据拼接，生成的拼接数据；

以此类推，完成沿周向的所有数据拼接；

（2）的拼接运算:和的位移则是由移动轴平移实现，所以相对只是在工件径向产生一个平移距离，通过刚体的平移运动来确定相对于的位置，平移量为；通过刚体变换实现的位置和姿态，继而计算重合区域，通过布尔运算完成的拼接；以此类推，完成沿径向的所有数据拼接。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，对测量数据进行软件优化拼接；考虑到运动误差的影响，在由硬件信息完成数据拼接后，进一步通过软件拼接以优化拼接效果；具体是通过计算相邻测量区域的重合区最佳相似度，即

（3）

式(3)中，为相似度函数，根据最小二乘最佳匹配实现优化求解，从而完成姿态和位置的调整。