CN112697056A - 一种曲面薄壁件厚度的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种曲面薄壁件厚度的检测方法，属于精密测量技术领域。首先，测量曲面薄壁件内外曲面数据，对曲面薄壁件的内外曲面规划测量轨迹，记为a、b。其次，基于精密测量机对曲面薄壁件的测量基准面以及内外曲面进行测量：获得测量基准面数据C；采用外曲面测量轨迹a测量曲面薄壁件外曲面，获得外曲面的数据A；翻转曲面薄壁件，获得测量基准面数据C’；采用内曲面测量轨迹b测量曲面薄壁件内曲面，获得内曲面的数据B。最后，对测量数据A、B、C以及C’进行处理，对处理结果进行评价。本发明可以克服人工测量时测量效率低下，测量结果受到技术工人水平限制的缺点；能够提高测量精度和测量效率，同时降低测量成本。

Description

一种曲面薄壁件厚度的检测方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，涉及一种曲面薄壁件厚度的测量和评价方法。

背景技术

随着军事工业和民用行业的高速发展，对产品的美观性、实用性和可靠性要求提高，机械产品开始向“轻、薄、小”的方向发展，产品结构越来越紧凑。曲面薄壁零件作为“曲面化”和“轻量化”趋势的代表，空间利用率较高，在现代工程特别是精密加工领域的应用越来越普遍。但是薄壁零件刚度低，成型过程中容易变形，导致加工精度很难保证。随着对产品的要求越来越高，对零件的精度也提出了更高的要求。由于薄壁曲面零件的壁厚很大程度上会影响零件的工作性能，所以如何能够准确测量壳体壁厚来判断零件是否合格成为一个亟待解决的关键问题。

目前，操作人员主要使用超声波测厚仪逐点测量壳体壁厚值。在处理过程中需要不断蘸涂耦合剂，测量效率低下，而且受到技术工人水平的影响，测量结果差异较大；同时由于人工测量点数有限，难以覆盖壳体的全部表面，容易存在检测盲区。专利CN 108801109B公开了一种PET瓶胚壁厚测量装置，利用光纤可以实现对不同曲度PET瓶胚的壁厚测量，但是测量装置复杂，而且只适用于筒状零件的壁厚测量。专利CN 105737746 A公布了一种圆形壳体的壁厚测量装置与测量方法，利用放置在壳体内外的两个传感器测得与工件内外表面的距离，再利用两传感器之间的距离进行相减得到壁厚信息，此种方法虽然布置简单，但是为了保证测量的精确性需要放置在壳体的内外传感器始终处于工件的法向方向，而且受到测量工件类型的限制，不适用于变曲率的曲面零件壁厚测量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种曲面薄壁件厚度测量和评价方法，主要结合曲面薄壁件厚度的测量方法以及数据处理技术对曲面薄壁件厚度进行检测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种曲面薄壁件厚度的检测方法，主要结合曲面薄壁件厚度的测量方法以及数据处理技术对曲面薄壁件厚度进行检测，该方法在精密测量机上实现，以减少测量带来的误差。具体包括以下内容：

第一步，测量曲面薄壁件内外曲面数据时，根据曲面薄壁件的特征，选取曲面薄壁件上的面作为测量基准面。选择作为测量基准面原则是不得妨碍内外面的数据采集，例如曲面薄壁件的法兰圆柱面以及侧面。

所述的曲面薄壁件包括球壳类构件、自由曲面类光学元器件等，所述曲面薄壁件对壁厚差有严格的要求，壁厚差的尺度一般在几到几十微米之间；曲面薄壁件内外曲面的表面粗糙度在微纳米级。

第二步，对曲面薄壁件的外曲面规划测量轨迹，测量轨迹主要分为两种：单一式测量轨迹、组合式测量轨迹；针对于回转类曲面薄壁件，其外曲面测量轨迹采用单一式测量轨迹；针对于非回转类曲面薄壁件，其外曲面测量轨迹采用组合式测量轨迹；外曲面测量轨迹记为a。曲面薄壁件的内曲面的测量轨迹类型与外曲面测量轨迹的类型保持一致，内曲面测量轨迹记为b。

所述的单一式测量轨迹的类型包括光栅式测量轨迹、子午线式测量轨迹、“Z”字型测量轨迹、同心圆式测量轨迹、螺旋线式测量轨迹以及等弧长式测量轨迹等；所述的组合式测量轨迹的类型包括同心圆+光栅式测量轨迹以及螺旋线式+光栅式测量轨迹等。

第三步，基于精密测量机对曲面薄壁件的测量基准面以及内外曲面进行测量，步骤如下：

(1)将曲面薄壁件放于测量机的测量平台上或者曲面薄壁件的测量夹具上，使得曲面薄壁件的外曲面朝上，对第一步中的曲面薄壁件的测量基准面进行测量，获得测量基准面数据，记为C。测量夹具是指用于固定以及放置曲面薄壁件的夹具，其作用是用于辅助支撑曲面薄壁件或者为工件提供定位作用。

(2)在保持曲面薄壁件位置不变的情况下，采用外曲面测量轨迹a测量曲面薄壁件外曲面，获得外曲面的数据，记为A。

(3)翻转曲面薄壁件，并将曲面薄壁件放于测量机的测量平台上或者曲面薄壁件的测量夹具上，使得曲面薄壁件的内曲面朝上，对第一步中的曲面薄壁件中的测量基准面再次进行测量，再次获得测量基准面数据，记为C’。

(4)在保持曲面薄壁件位置不变的情况下，采用内曲面测量轨迹b测量曲面薄壁件内曲面，获得内曲面的数据，记为B。

第四步，对第三步中的测量数据A、B、C以及C’进行处理，步骤如下：

(1)对测量数据A、B、C以及C’进行预处理，预处理包括剔除数据中的奇异项及并对测量数据进行平滑处理；数据中的奇异项是指采样数据中有极大误差的个别数据，其对数据处理结果的影响较大，在对数据进一步处理前必须剔除；在进行数据平滑处理时，要保持原有曲线变化特性的同时削弱干扰成分。

(2)对数据C’进行平移、转换得到数据C”，使得数据C”与数据C重合，即测量外曲面的测量基准面与测量内曲面的测量基准面重合；此时的平移量为h，转换角为θ。

(3)对数据B按照平移量h以及转换角θ进行平移、转换，得到数据B’；

(4)进行数据拟合或者数据插值；

若进行数据拟合，首先根据数据A进行数据拟合，得到外曲面拟合方程，其次根据数据B’进行数据拟合，得到内曲面拟合方程，并根据内外曲面的拟合方程计算得到曲面构件的壁厚差；

若进行数据插值，首先根据数据A进行外曲面插值，得到插值数据AA，其次根据数据B’进行内曲面插值，插值方式与外曲面的插值方式一致，并得到插值数据BB，计算得到曲面薄壁件在对应的插值数据点的壁厚，最后绘制曲面薄壁件的壁厚差分布图；其中插值数据AA与插值数据BB的数据个数保持一致；

第五步，对处理结果进行评价，如果满足要求则完成曲面薄壁件厚度的测量；否则，对测量轨迹进行优化，重复以上步骤，直到满足要求。

本发明的有益效果为：本发明可以克服人工测量时测量效率低下，测量结果受到技术工人水平限制的缺点；测量时不需要依赖于过于复杂的装置；适用于复杂变曲率曲面薄壁构件的壁厚测量；测量精度和效率得到了提高；同时降低了测量成本。

附图说明

图1为本发明的操作步骤流程图；

图2为单一式测量轨迹，图2(a)为光栅式测量轨迹，图2(b)为子午线式测量轨迹；图2(c)为“Z”字型测量轨迹，图2(d)为同心圆式测量轨迹，图2(e)为螺旋线式测量轨迹；

图3为组合式测量轨迹，图3(a)为同心圆+光栅式测量轨迹，图3(b)为螺旋线式+光栅式测量轨迹；

图4为此发明的数据处理流程图；

图5为球壳类构件图，图5(a)为三维示意图，图5(b)为二维示意图；

图6为内外球壳的子午线式测量轨迹，图6(a)为外球壳子午线式测量轨迹，图6(b)为内球壳子午线式测量轨迹；

图7为等弧长式测量轨迹，图7(a)等弧长的划分角度，图7(b)外球壳等弧长测量轨迹三维示意图；

图8为内外球壳螺旋线式测量轨迹，图8(a)为外球壳螺旋线式测量轨迹，图8(b)为内球壳螺旋线式测量轨迹；

图9为测量球壳示意图，图9(a)为测量外球壳图，图9(b)为测量内球壳图；

图10为测量球壳法兰示意图，图10(a)为第一次测量球壳法兰示意图，图10(b)为第二次测量球壳法兰示意图；

图11为球壳数据处理后的示意图；

图12为圆柱曲面薄壁构件三维示意图；

图13为内外圆柱面的组合式测量轨迹，图13(a)为外圆柱面同心圆+光栅式测量轨迹，图13(b)为内圆柱面同心圆+光栅式测量轨迹；

图14为测量圆柱曲面薄壁构件示意图，图14(a)为测量外球壳图，图14(b)为测量内球壳图；

图中：1内球壳面；2球壳法兰下端面；3球壳法兰圆柱面；4球壳法兰上端面；5外球壳面；6测量平台；7球壳夹具；8插值数据AA1；9数据A1；10插值数据BB1；11数据B1’；12外圆柱曲面；13测头；14法兰侧面；15夹具定位面；16内圆柱曲面；17夹具。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1：

对薄壁球壳构件进行壁厚测量；

第一步，测量薄壁球壳构件内外曲面数据时，选取球壳法兰圆柱面3作为测量基准面；

第二步，针对于球壳薄壁件构件，由于其为回转类构件，测量轨迹采用单一式测量轨迹，并采用三种并行的测量轨迹对构件进行壁厚评价；即子午线式测量轨迹、等弧长式测量轨迹、螺旋线式测量轨迹；

(1)子午线式测量轨迹的规划；测量外球壳面5时的子午线式测量轨迹a1包括沿外球壳母线测量18条均匀分布的母线轨迹(相邻两条母线夹角为10°)，记为L1、L2……L18；测量内球壳时的子午线式测量轨迹b1包括沿内球壳母线测量18条均匀分布的母线轨迹(相邻两条母线夹角为10°)，记为L19、L20……L36(分别与L1、L2……L18方向相同)，如图6；

(2)等弧长式测量轨迹的规划；测量外球壳面5时的等弧长式测量轨迹a2包括28条、弧长间隔为la＝R*θ，θ为3/2π的圆轨迹；测量内球壳时的等弧长式测量轨迹b2包括29条、弧长间隔为lb＝r*θ，θ为3/2π的圆轨迹，如图7；

(3)螺旋线式测量轨迹的规划；测量外球壳面5时的螺旋线式测量轨迹a3的线型为阿基米德螺旋线，相邻两线圈的距离为2Πmm，圈数为14圈；测量外球壳时的螺旋线式测量轨迹b3的线型为阿基米德螺旋线，相邻两线圈的距离为2Πmm，圈数为16圈，如图8；

第三步，基于精密测量机对球壳薄壁构件的球壳法兰圆柱面3以及内外球壳面进行测量，如图9-图12，步骤如下：

(1)对球壳法兰圆柱面3面进行圆轨迹测量；

外球壳面5朝上将球壳置于测量机平台上，以法兰下端面2(法兰与测量机平台接触平面)为基准，以2mm的间隔逐条向上测量4条圆轨迹，获得球壳法兰圆柱面3的数据，记为C1；

(2)测量外球壳面5；

在保持球壳位置不变的情况下，分别按照步骤二中的测量轨迹测得外球壳面5的数据；

按照子午线式测量轨迹a1测得外球壳面5，获得外球壳面5的数据记为A1；

按照等弧长式测量轨迹a1测得外球壳面5，获得外球壳面5的数据记为A2；

按照螺旋线式式测量轨迹a1测得外球壳面5，获得外球壳面5的数据记为A3；

(3)再次测量球壳法兰圆柱面3；

将球壳翻转使内球壳面1朝上，放置在球壳夹具7上，测量球壳法兰下端面2距离测量平台6的高度，记为H；仍旧以球壳法兰下端面2为基准,以2mm的间隔逐条向下测量4条圆轨迹，再次获得球壳法兰圆柱面3数据，记为C1’；

(4)测量内球壳面1；

在保持球壳位置不变的情况下，分别按照步骤二中的测量轨迹测得内球壳面1的数据；

按照子午线式测量轨迹b1测得内球壳面1，获得内球壳面1的数据记为B1；

按照等弧长式测量轨迹b1测得内球壳面1，获得内球壳面1的数据记为B2；

按照螺旋线式测量轨迹b1测得内球壳面1，获得内球壳面1的数据记为B3；

第四步，对第三步中的测量数据进行处理，具体步骤如下：

对子午母线式进行数据处理；

(1)对测量数据A1、B1、C1以及C1’进行预处理，包括剔除数据中的奇异项及并对测量数据进行平滑处理；

(2)对数据C1’进行平移、转换得到数据C1”，使得数据C1”与数据C1重合，即两次测量的球壳法兰圆柱面3重合；此时的平移量为h，转换角为θ；

(3)对数据B1按照平移量h以及转换角θ进行平移、转换，得到数据B1’；

(4)进行数据插值；首先根据数据A1进行外曲面插值，得到插值数据AA1，其次根据数据B1’进行内曲面插值，插值方式与外曲面的插值方式一致，并得到插值数据BB1，计算得到曲面薄壁件在对应的插值数据点的壁厚，最后绘制曲面薄壁件的壁厚差分布图；其中插值数据AA1与插值数据BB1的数据个数保持一致；

对等弧长式进行数据处理的方式与子午母线式的方式一致，得到的插值数据分别是AA2与BB2；

对螺旋线式进行数据处理的方式与子午母线式的方式一致，得到的插值数据分别是AA2与BB2；

第五步，对处理结果进行评价，如果满足要求则完成薄壁球壳构件厚度的测量；否则，对测量轨迹进行优化，重复以上步骤，直到满足要求。

实施例2：

对圆柱曲面薄壁构件(如图13所示)进行壁厚测量：

第一步，测量圆柱曲面薄壁构件内外曲面数据时，选取法兰侧面14作为测量基准面；

第二步，针对于圆柱曲面薄壁构件，由于其为非回转类构件，测量轨迹采用组合式测量轨迹，测量轨迹采用同心圆+光栅式组合式测量轨迹；

测量圆柱曲面薄壁构件外圆柱曲面12的同心圆+光栅式组合式测量轨迹a4包括沿外圆柱曲面12测量的12条弧长间隔为l＝R*θ，θ为π/60的等弧长圆轨迹与18条在最外圈同心圆对称分布、相邻光栅轨迹的距离为2Πmm的光栅式轨迹的组合，如图13(a)所示；

测量圆柱曲面薄壁构件内圆柱曲面14的同心圆+光栅式组合式测量轨迹b4包括沿内圆柱曲面16测量的12条弧长间隔为l＝R*θ，θ为π/60的等弧长圆轨迹与16条在最外圈同心圆对称分布、相邻光栅轨迹的距离为2Πmm的光栅式轨迹的组合，如图13(b)所示；

第三步，基于测量机对圆柱曲面薄壁构件的法兰侧面14以及内外曲面进行测量，步骤如下：

(1)对圆柱曲面薄壁构件的法兰侧面14进行测量；将圆柱曲面薄壁构件放置在夹具17上，如图14(a)所示，将夹具定位面15与圆柱曲面薄壁构件法兰侧面14配合，测量法兰侧面14的数据，记为C2；

(2)在保持球壳位置不变的情况下，分别按照步骤二中的测量轨迹测a4得外圆柱曲面12的数据，记为A4；

(3)对圆柱曲面薄壁构件的法兰侧面14再次进行测量；将圆柱曲面薄壁构件放置在夹具17上，如图14(b)所示，将夹具定位面15与圆柱曲面薄壁构件法兰侧面14配合，测量法兰侧面14的数据，记为C2’；

(4)在保持球壳位置不变的情况下，分别按照步骤二中的测量轨迹测b4得内圆柱曲面16的数据，记为B4；

第四步，对第三步中的测量数据A4、B4、C1以及C1’进行处理，具体步骤如下：

(1)对测量数据A4、B4、C1以及C1’进行预处理，包括剔除数据中的奇异项及并对测量数据进行平滑处理；

(2)对数据C1’进行平移、转换得到数据C1”，使得数据C1”与数据C1重合，即测量外曲面的测量基准面与测量内曲面的测量基准面重合；此时的平移量为h1，转换角为θ1；

(3)对数据B4按照平移量h1以及转换角θ1进行平移、转换，得到数据B4’；

(4)进行数据拟合；首先根据数据A4进行数据拟合，得到外圆柱曲面拟合方程，其次根据数据B4’进行数据拟合，得到内圆柱曲面拟合方程，并根据内外曲面的拟合方程计算得到曲面构件的壁厚差；

第五步，对处理结果进行评价，如果满足要求则完成薄壁球壳构件厚度的测量；否则，对测量轨迹进行优化，重复以上步骤，直到满足要求。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种曲面薄壁件厚度的检测方法，该方法在精密测量机上实现，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，测量曲面薄壁件内外曲面数据时，根据曲面薄壁件的特征，选取曲面薄壁件上的面作为测量基准面；

第二步，对曲面薄壁件的外曲面规划测量轨迹，测量轨迹主要分为两种：单一式测量轨迹、组合式测量轨迹；针对于回转类曲面薄壁件，其外曲面测量轨迹采用单一式测量轨迹；针对于非回转类曲面薄壁件，其外曲面测量轨迹采用组合式测量轨迹；外曲面测量轨迹记为a；曲面薄壁件的内曲面的测量轨迹类型与外曲面测量轨迹的类型保持一致，内曲面测量轨迹记为b；

第三步，基于精密测量机对曲面薄壁件的测量基准面以及内外曲面进行测量；

(1)将曲面薄壁件放于测量机的测量平台上或者曲面薄壁件的测量夹具上，使得曲面薄壁件的外曲面朝上，对第一步中的曲面薄壁件的测量基准面进行测量，获得测量基准面数据，记为C；

(2)在保持曲面薄壁件位置不变的情况下，采用外曲面测量轨迹a测量曲面薄壁件外曲面，获得外曲面的数据，记为A；

(3)翻转曲面薄壁件，并将曲面薄壁件放于测量机的测量平台上或者曲面薄壁件的测量夹具上，使得曲面薄壁件的内曲面朝上，对第一步中的曲面薄壁件中的测量基准面再次进行测量，再次获得测量基准面数据，记为C’；

(4)在保持曲面薄壁件位置不变的情况下，采用内曲面测量轨迹b测量曲面薄壁件内曲面，获得内曲面的数据，记为B；

第四步，对第三步中的测量数据A、B、C以及C’进行处理；

(1)对测量数据A、B、C以及C’进行预处理，预处理包括剔除数据中的奇异项及并对测量数据进行平滑处理；数据中的奇异项是指采样数据中有极大误差的个别数据，其对数据处理结果的影响较大，在对数据进一步处理前必须剔除；在进行数据平滑处理时，要保持原有曲线变化特性的同时削弱干扰成分；

(2)对数据C’进行平移、转换得到数据C”，使得数据C”与数据C重合，即测量外曲面的测量基准面与测量内曲面的测量基准面重合；此时的平移量为h，转换角为θ；

(3)对数据B按照平移量h以及转换角θ进行平移、转换，得到数据B’；

(4)进行数据拟合或者数据插值；

若进行数据拟合，首先根据数据A进行数据拟合，得到外曲面拟合方程，其次根据数据B’进行数据拟合，得到内曲面拟合方程，并根据内外曲面的拟合方程计算得到曲面构件的壁厚差；

若进行数据插值，首先根据数据A进行外曲面插值，得到插值数据AA，其次根据数据B’进行内曲面插值，插值方式与外曲面的插值方式一致，并得到插值数据BB，计算得到曲面薄壁件在对应的插值数据点的壁厚，最后绘制曲面薄壁件的壁厚差分布图；其中插值数据AA与插值数据BB的数据个数保持一致；

第五步，对处理结果进行评价，如果满足要求则完成曲面薄壁件厚度的测量；否则，对测量轨迹进行优化，重复以上步骤，直到满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种曲面薄壁件厚度的检测方法，其特征在于，所述的单一式测量轨迹的类型包括光栅式测量轨迹、子午线式测量轨迹、“Z”字型测量轨迹、同心圆式测量轨迹、螺旋线式测量轨迹以及等弧长式测量轨迹。

3.根据权利要求1或2所述的一种曲面薄壁件厚度的检测方法，其特征在于，所述的组合式测量轨迹的类型包括同心圆+光栅式测量轨迹以及螺旋线式+光栅式测量轨迹。

4.根据权利要求1或2所述的一种曲面薄壁件厚度的检测方法，其特征在于，所述的曲面薄壁件包括球壳类构件、自由曲面类光学元器件；所述曲面薄壁件内外曲面的表面粗糙度在微纳米级。

5.根据权利要求3所述的一种曲面薄壁件厚度的检测方法，其特征在于，所述的曲面薄壁件包括球壳类构件、自由曲面类光学元器件；所述曲面薄壁件内外曲面的表面粗糙度在微纳米级。

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