CN111913188A - 一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置及方法 - Google Patents

一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置，包括第一导轨、第二导轨、壁板、激光传感器，所述第一导轨底部垂直悬挂有可沿第一导轨移动的壁板，两个所述第二导轨竖直设置在第一导轨的前方和后方，每个所述第二导轨上均可移动连接有上下分布的第一激光传感器和第二激光传感器，且两个所述第二导轨上的第一激光传感器和第二激光传感器分别对称设置，所述第二导轨的上下两端均可移动连接在第三导轨中。本发明有益效果：实现了激光三角测厚技术在航天大型壁板厚度测量的应用，既替代了原有超声人工手动测量实现了自动测量，又满足了航天壁板检测精度高的要求；在实现提高检测效率的同时保证了检测的准确性。

Description

一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置及方法
技术领域
本发明属于壁板厚度测量技术领域，尤其是涉及一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置及方法。
背景技术
壁板作为运载火箭贮箱主要零件，应具备较高的刚度和强度。壁板厚度作为壁板性能的核心指标，设计要求重点监控。
目前采用人工测量方式进行检测，检测过程需要两名检验人员配合，其中一名检验人员手持超声测厚仪逐点采集壁板厚度，另一名检验人员在纸质简图上实时记录检测结果。检测过程中，按照工艺文件要求，需要对每个网格100％检测，检测密度较高。若检查过程中发现超差数据，需要反复排除，避免错检及漏检，检测时间长，测量效率低，检验人员劳动强度大。然而，使用激光三角测距技术，可实现壁板厚度的自动测量，现基本用在原材料厚度等对精度要求较低的领域。但直接应用于航天大型壁板的测量又存在其不适应性，由于壁板尺寸较大，对于部分壁板的边角区域容易产生弯曲变形，导致测量数据存在一些偏差，壁板表面质量也会对数据可靠性产生不良影响。传感器采集到的数据包含偶发超差杂点，缺乏全面有效的排除算法，人工排除耗费大量时间，并且测量时，传感器移动速度慢、取点数据量大，导致数据采集和数据处理效率低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置及方法，以解决上述问题的不足之处。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置，包括第一导轨、第二导轨、壁板、激光传感器，所述第一导轨底部垂直悬挂有可沿第一导轨移动的壁板，两个所述第二导轨竖直设置在第一导轨的前方和后方，每个所述第二导轨上均可移动连接有上下分布的第一激光传感器和第二激光传感器，且两个所述第二导轨上的第一激光传感器和第二激光传感器分别对称设置，所述第二导轨的上下两端均可移动连接在第三导轨中，所述第一激光传感器和第二激光传感器均连接至中控机，通过中控机实时获得第一激光传感器和第二激光传感器的数据。
进一步的，所述壁板通过销孔结构固定。
进一步的，所述壁板长度为5m、宽度为2.5m。
进一步的，所述激光传感器的曝光时间为0.25ms。
进一步的，所述壁板采用铝合金板材通过机械铣切完成，粗糙度范围为Ra0.1～0.9。
本申请还提出另一实施例，一种航天大尺寸壁板厚度自动测量方法，包括以下步骤：
A.在中控机中建立测量装置的模型，在测量装置中装卡壁板，将模型与壁板实物对齐；
B.壁板沿正X方向运动，进入测量区域；
C.牵引壁板沿X方向行进，采集测量区域内壁板正反两个面各点分别到对应方向激光传感器的距离(Z方向)及各点X方向与Y方向的坐标值；
D.计算壁板厚度；
E.判断整张壁板是否采集完成，如果没有采集完，则重新进入步骤C；如果全部采集完，则进入步骤F；
F.剔除杂点区域数据，进行厚度二次计算；
G.人工复检非杂点区域的超差数据；
H.牵引壁板沿负X方向运动，退出测量区域，生成测量报告。
进一步的，所述步骤C中牵引壁板沿X方向行进，行进一个步长，同时移动第一激光传感器和第二激光传感器，所述第一激光传感器和第二激光传感器整体向X方向移动一个竖直测量区域，再沿-Y方向完成下个竖直区域测量，如此循环往复形成第一激光传感器和第二激光传感器的移动路径。
进一步的，所述步骤D中壁板厚度是通过两个第一激光传感器或两个第二激光传感器之间的距离减去两个第一激光传感器或两个第二激光传感器到壁板对应侧面之间的距离得到的。
进一步的，步骤F中通过补偿算法进行厚度二次计算，具体过程如下：将壁板区域按照40mm×40mm单元进行划分，使用单侧激光传感器采集到的坐标数据，选择区域单元边缘和中心的9个数据点，用于计算壁板变形角度，将算法通过编程嵌入数据处理软件，系统通过读取角度变量，自动换算出厚度补偿值，用于补偿变形引起的测量误差。
进一步的，所述步骤F中，补偿算法计算模型为：
R总＝D×(1/cosαx-1)+D×(1/cosαy-1)，
其中，D为壁板厚度，αx为激光与壁板平面在XOZ方向夹角，αy为激光与壁板平面在YOZ方向夹角。
进一步的，所述步骤G中，选择超差数据点周围24个数据点用于超差数据点的评判依据，若至少存在8个数据点也为超差点，则认定其为真实超差点，否则认定为伪超差点，将其去掉，然后按照周围24个数据点的均值进行填补。
相对于现有技术，本发明所述的航天大尺寸壁板厚度自动测量装置及方法具有以下优势：
本发明所述的航天大尺寸壁板厚度自动测量装置及方法实现了激光三角测厚技术在航天大型壁板厚度测量的应用，既替代了原有超声人工手动测量实现了自动测量，又满足了航天壁板检测精度高的要求；在实现提高检测效率的同时保证了检测的准确性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的航天大尺寸壁板厚度自动测量装置结构示意图；
图2为本发明实施例所述的第一激光传感器和第二激光传感器在壁板一侧的运动路径图；
图3为本发明实施例所述的航天大尺寸壁板厚度自动测量方法流程图；
图4为本发明实施例所述的补偿算法的模型图；
图5为本发明实施例复检非杂点区域的超差数据的流程图。
附图标记说明：
1-壁板；2-第一导轨；3-第二导轨；4-第一激光传感器；5-第二激光传感器；6-第三导轨；7-伺服电机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置，包括第一导轨2、第二导轨3、壁板1、激光传感器，所述第一导轨2底部垂直悬挂有可沿第一导轨2移动的壁板1，两个所述第二导轨3竖直设置在第一导轨2的前方和后方，每个所述第二导轨3上均可移动连接有上下分布的第一激光传感器4和第二激光传感器5，且两个所述第二导轨3上的第一激光传感器4和第二激光传感器5分别对称设置，所述第二导轨3的上下两端均可移动连接在第三导轨6中，所述第一激光传感器4和第二激光传感器5均连接至中控机，通过中控机实时获得第一激光传感器4和第二激光传感器5的数据。
所述壁板1通过销孔结构固定。
所述壁板1通过销轴结构固定于T型横梁上，横梁在第一导轨上运动，横梁通过由双排滚子链、链轮、减速机和伺服电机总成的牵引机构带动行进。
所述第一激光传感器4和第二激光传感器5间距1.25m固定在滑板上，滑板通过伺服电机7驱动在第二导轨上移动，进而实现两组激光传感器在Y方向行进。
所述壁板1通过多个气缸进行定位夹紧，气缸分三组(每组六个等间距)，分别固定在本系统的进口、出口及中间测位置附近竖直支撑立梁上。
所述壁板1长度为5m、宽度为2.5m。
所述激光传感器的曝光时间为0.25ms，粗糙度不同，激光传感器接收漫反射光量也不一样，若接收到的漫反射光量过强或过弱，会导致读数不准确，降低测量精度，为此设置曝光参数为0.25ms可最大减少传感器的示值误差。
所述壁板1采用铝合金板材通过机械铣切完成，粗糙度范围为Ra0.1～0.9。
本申请还提出另一实施例，一种航天大尺寸壁板厚度自动测量方法，包括以下步骤：
A.建立测量装置的模型，在测量装置中装卡壁板1，将模型与壁板1实物对齐；
B.壁板1沿正X方向运动，进入测量区域；
C.牵引壁板1沿X方向行进，采集策略区域内壁板1正反两个面各点分别到对应方向激光传感器的距离(Z方向)及各点X方向与Y方向的坐标值；；
D.计算壁板1厚度；
E.判断整张壁板1是否采集完成，如果没有采集完，则重新进入步骤C；如果全部采集完，则进入步骤F；
F.剔除杂点区域数据，进行厚度二次计算；
G.人工复检非杂点区域的超差数据；
H.牵引壁板1沿负X方向运动，退出测量区域，生成测量报告。
所述步骤C中牵引壁板1沿X方向行进，行进一个步长，同时移动第一激光传感器4和第二激光传感器5，所述第一激光传感器4和第二激光传感器5整体向X方向移动一个竖直测量区域，再沿-Y方向完成下个竖直区域测量，如此循环往复形成第一激光传感器4和第二激光传感器5的移动路径，如图2所示。
所述步骤D中壁板1厚度是通过两个第一激光传感器4或两个第二激光传感器5之间的距离减去两个第一激光传感器4或两个第二激光传感器5到壁板1对应侧面之间的距离得到的。
步骤F中通过补偿算法进行厚度二次计算，具体过程如下：将壁板1区域按照40mm×40mm单元进行划分，使用单侧激光传感器采集到的坐标数据，选择区域单元边缘和中心的9个数据点，用于计算壁板1变形角度，将算法通过编程嵌入数据处理软件，系统通过读取角度变量，自动换算出厚度补偿值，用于补偿变形引起的测量误差。
所述步骤F中，补偿算法计算模型为：
R总＝D×(1/cosαx-1)+D×(1/cosαy-1)，
其中，D为壁板1厚度，αx为激光与壁板1平面在XOZ方向夹角，αy为激光与壁板1平面在YOZ方向夹角。
所述步骤G中，单个加工壁板铣刀刀头直径D范围内数据不会出现偏差，其刀头圆角为R，所以数据处理算法中，在D-2R范围内(数据点横纵间隔为0.5mm)，选择超差数据点周围24个数据点用于超差数据点的评判依据，若至少存在8个数据点也为超差点，则认定其为真实超差点，否则认定为伪超差点，将其去掉，然后按照周围24个数据点的均值进行填补，流程图如图5所示。
测量过程中，壁板1从零位沿X方向向前移动一米，通过在该系统内的多个气缸对壁板1进行定位夹紧，然后第一激光传感器4或第二激光传感器5沿Y方向移动完成壁板1数据采集，完成单个竖直区域测量后，第一激光传感器4或两个第二激光传感器5整体向X方向移动一个竖直测量区域d，第一激光传感器4或两个第二激光传感器5再沿-Y方向完成下个竖直区域测量，循环往复，最终完成整个壁板1区域厚度测量。
本方案实现了激光三角测厚技术在航天大型壁板1厚度测量的应用，既替代了原有超声人工手动测量实现了自动测量，又满足了壁板1检测精度高的要求。在实现提高检测效率的同时保证了检测的准确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置，其特征在于：包括第一导轨、第二导轨、壁板、激光传感器，所述第一导轨底部垂直悬挂有可沿第一导轨移动的壁板，两个所述第二导轨竖直设置在第一导轨的前方和后方，每个所述第二导轨上均可移动连接有上下分布的第一激光传感器和第二激光传感器，且两个所述第二导轨上的第一激光传感器和第二激光传感器分别对称设置，所述第二导轨的上下两端均可移动连接在第三导轨中。
2.根据权利要求1所述的一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置，其特征在于：所述壁板通过销孔结构固定。
3.根据权利要求1所述的一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置，其特征在于：所述激光传感器的曝光时间为0.25ms。
4.根据权利要求1所述的一种航天大尺寸壁板厚度自动测量装置，其特征在于：所述壁板采用铝合金板材通过机械铣切完成，粗糙度范围为Ra0.1～0.9。
5.一种航天大尺寸壁板厚度自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.建立测量装置的模型，在测量装置中装卡壁板，将模型与壁板实物对齐；
B.壁板沿正X方向运动，进入测量区域；
C.牵引壁板沿X方向行进，采集测量区域内壁板正反两个面各点分别到对应方向激光传感器的距离(Z方向)及各点X方向与Y方向的坐标值；
D.计算壁板厚度；
E.判断整张壁板是否采集完成，如果没有采集完，则重新进入步骤C；如果全部采集完，则进入步骤F；
F.剔除杂点区域数据，进行厚度二次计算；
G.人工复检非杂点区域的超差数据；
H.牵引壁板沿负X方向运动，退出测量区域，生成测量报告。
6.根据权利要求5所述的一种航天大尺寸壁板厚度自动测量方法，其特征在于：所述步骤C中牵引壁板沿X方向行进，行进一个步长，同时移动第一激光传感器和第二激光传感器，所述第一激光传感器和第二激光传感器整体向X方向移动一个竖直测量区域，再沿-Y方向完成下个竖直区域测量，如此循环往复形成第一激光传感器和第二激光传感器的移动路径。
7.根据权利要求5所述的一种航天大尺寸壁板厚度自动测量方法，其特征在于：所述步骤D中壁板厚度是通过两个第一激光传感器或两个第二激光传感器之间的距离减去两个第一激光传感器或两个第二激光传感器到壁板对应侧面之间的距离得到的。
8.根据权利要求5所述的一种航天大尺寸壁板厚度自动测量方法，其特征在于：步骤F中通过补偿算法进行厚度二次计算，具体过程如下：将壁板区域按照40mm×40mm单元进行划分，使用单侧激光传感器采集到的坐标数据，选择区域单元边缘和中心的9个数据点，用于计算壁板变形角度，将算法通过编程嵌入数据处理软件，系统通过读取角度变量，自动换算出厚度补偿值，用于补偿变形引起的测量误差。
9.根据权利要求8所述的一种航天大尺寸壁板厚度自动测量方法，其特征在于：所述步骤F中，补偿算法计算模型为：
R总＝D×(1/cosαx-1)+D×(1/cosαy-1)，
其中，R总表示壁板自身形变引起的总误差，D为壁板厚度，αx为激光与壁板平面在XOZ方向夹角，αy为激光与壁板平面在YOZ方向夹角。
10.根据权利要求5所述的一种航天大尺寸壁板厚度自动测量方法，其特征在于：所述步骤G中，选择超差数据点周围24个数据点用于超差数据点的评判依据，若至少存在8个数据点也为超差点，则认定其为真实超差点，否则认定为伪超差点，将其去掉，然后按照周围24个数据点的均值进行填补。
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