基于激光快速測量的大型薄壁殼體在機找正方法

王衛(wèi)玲，李俊峰，李 瑛，王永青，華小渝，馬延楓，李 特

(1.西安航天動力機械有限公司，西安 710038；2.火箭軍裝備部駐西安地區(qū)第一軍事代表室，西安 710038；3.大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024)

0 引言

大型薄壁殼體是宇航運載火箭及戰(zhàn)略導彈的燃料儲箱和燃燒室，也是固體發(fā)動機的主要承力部件，具有制造成本高、加工周期長、幾何精度高等特點。大型薄壁殼體在精加工前(最終熱處理后)，需測量并調(diào)整殼體相對于機床的裝配位置姿態(tài)，以保證殼體精加工后的幾何精度。大型薄壁殼體因其幾何尺寸大、重量重、熱處理變形大等特性，精加工前找正調(diào)整困難?，F(xiàn)有的找正方法采用手工打表、經(jīng)驗分析測算、反復試錯調(diào)整的方式，存在殼體位置姿態(tài)調(diào)整效率低、工人勞動強度高、殼體位姿找正精度差等問題。因此，需研究一種針對大型薄壁殼體的在機測量系統(tǒng)及快速找正方法，以實現(xiàn)大型薄壁殼體的快速測量和精確找正[1]。

目前，常用的在機測量方法有接觸式和非接觸式測量[2]兩種。接觸式測量方法主要包括基于三坐標測量[3]、觸發(fā)式測量[4]等；非接觸式測量方法主要包括基于超聲傳感器測量法[5]、基于激光位移傳感器測量法[6]等。接觸式測量設(shè)備的接觸力可能會對精密測量器具和零件表面造成變形和劃痕，且測量速度慢、效率低，不適合大型結(jié)構(gòu)件的高效測量。激光傳感器等非接觸式測量在能夠保證精度的前提下，提升測量效率，但需要進一步考慮激光傳感器數(shù)據(jù)與數(shù)控系統(tǒng)的嵌入和融合問題。

本文基于激光測量的方式提出了大型薄壁殼體快速測量，裝配姿態(tài)數(shù)據(jù)處理與分析的裝配找正方法。利用840D開放式數(shù)控平臺，開發(fā)專用軟件，實現(xiàn)了方法的驗證。產(chǎn)品裝配精度與效率的提升驗證了本文所提出的方法有效、可靠。

1 大型薄壁殼體精準測量與找正系統(tǒng)

1.1 在機測量與找正系統(tǒng)方案設(shè)計

大型薄壁殼體直徑約2 m，長度在4～8 m之間不等，殼體因最終熱處理產(chǎn)生較大變形，設(shè)計對殼體精加工后幾何精度(母線直線度、半徑尺寸等)提出較高要求。因此，測量系統(tǒng)應滿足大測量行程、高精度要求。

根據(jù)以上測量系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)以現(xiàn)有的加工設(shè)備某型數(shù)控車床為基礎(chǔ)，在車刀架左側(cè)集成傳感器的整體工裝，如圖1所示。

具體的操作原理如下：

(1)如圖2所示，測量時卸下刀具，在刀架側(cè)面利用一面兩銷的方式安裝可拆卸的激光傳感器支架，以固定傳感器；

(2)在電氣控制柜中安裝一塊模擬量采集模塊，實現(xiàn)激光數(shù)據(jù)及坐標數(shù)據(jù)采集；

(3)設(shè)定測量基準后，將采集的基準截面數(shù)據(jù)傳遞到上位機的測量軟件中；

(4)在上位機中，進行數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)薄壁殼體截面圓心偏移量的計算、半徑的擬合，解算出對應過渡環(huán)螺栓編號應旋進的圈數(shù)；

(5)根據(jù)上位機顯示的殼體位姿狀態(tài)及調(diào)整方案，操作者手動調(diào)整均布4個象限上緊定螺栓，最終使薄壁殼體的軸線與機床軸線在誤差范圍內(nèi)，達到裝配要求。

圖1 大型薄壁殼體的快速測量-找正裝置

圖2 傳感器工裝

1.2 基于840D數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)原理

二次開發(fā)(OEM)是在開放式數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)新的功能。在840D數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用了數(shù)控機床本身的特性開發(fā)測量功能、數(shù)據(jù)采集及處理功能[7]。在上位機中，實現(xiàn)界面設(shè)計、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊等功能；下位機(NCK)主要依靠NC代碼控制測量功能的軌跡運動，NC代碼由上位機選擇或生成。

測量控制系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖3所示，測控系統(tǒng)的硬件由伺服模塊，CNC單元，激光信號采集模塊，PC單元，MCP控制面板等部分構(gòu)成，采用了“NC+PC”的控制模式[8]。

大型薄壁殼體測量系統(tǒng)的通訊方式如圖4所示。西門子840D提供了多種系統(tǒng)通訊方式，以滿足用戶多樣化的需求。NCDDE直接通訊方式，該方式簡單實用，但部分通訊環(huán)節(jié)繁雜，效率低；基于OPC的通訊方式，該方式基于工業(yè)標準，通用性較好，但編程較復雜，對編程人員要求較高；基于DCTL控件方式，該控件是西門子專用控件，具有多種優(yōu)越性，本文選用該通訊方式作為二次開發(fā)的支持工具。

圖3 測量控制系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

圖4 大型薄壁殼體測量系統(tǒng)的通訊方式

基于DCTL控件的通訊方式，建立了大型薄壁殼體快速找正系統(tǒng)的通訊架構(gòu)，如圖5所示。

從機床的控制角度看，分為實時控制層和非實時控制層，實時層數(shù)控單元主要完成激光掃描測量、機床的插補等功能，非實時控制層主要完成數(shù)據(jù)的測量與精簡，測量軌跡的規(guī)劃，監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，讀寫CNC的參數(shù)等功能[9]。

2 大型薄壁殼體的姿態(tài)分析與找正

2.1 激光數(shù)據(jù)去噪

噪點通常是由于大型薄壁殼體進行熱處理后，表面不光潔和測量環(huán)境變化造成的。在數(shù)據(jù)進行曲線擬合處理時，數(shù)據(jù)中的噪點對擬合的結(jié)果影響較大。因此，測量數(shù)據(jù)的預處理首先是從數(shù)據(jù)點集中找出可能存在的噪點。如果在同一截面的數(shù)據(jù)掃描中，存在一個點與其相鄰的點偏距較大，可認為這樣的點是噪點，本文采用等弦高差法進行判斷和剔除。等弦高差的原理是：在弧長相等情況下，弦高與曲率成正比。通過不斷的計算弦高h，即當前采樣點Ai+n與上一個記錄點Ai的連線到兩點間實際曲線軌跡的最大弦高hmax。h弦高可通過式(1)計算：

(1)

式中C=yi+n-yi,D=xi+n-xi，點(xi,yi)，(xi+m,yi+m)，(xi+n,yi+n)分別為點Ai,Ai+m,Ai+n的坐標值。

計算所有弦高hi+1,hi+2,…，hi+m，并進行比較，求得最大的弦高hmax，并將其與所設(shè)的允差ε進行比較。如果hmax<ε，則與hmax相對應的采樣點不會被記錄。令j+1→j按下一個采樣計算求解閾值對應的hmax，直至hmax>ε，則將Ai-1點記錄，并作為下一個周期求解最大弦高的參考記錄點。重復上述過程，直至整個測量過程結(jié)束，從而實現(xiàn)測量采集點的精簡處理。

圖5 測控系統(tǒng)的通訊架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)處理與薄壁殼體姿態(tài)調(diào)整

數(shù)據(jù)的處理和曲線的擬合是基于優(yōu)化后的最小二乘法進行的，對于最小二乘法進行曲線擬合來說，其誤差平方的優(yōu)化目標函數(shù)為

(2)

式中 (xi,yi),i=1,2,3,…,n為截面圓弧上的點坐標；n為激光采集的點數(shù)。

為了保證優(yōu)化目標函數(shù)特征的前提下，對式(2)進行改進，在避免了平方根的同時可得到一個最小化問題的直接解，改進如下：

(3)

式(3)進一步處理，可得：

(4)

由最小二乘原理，參數(shù)A,B,C應使E取得極小值。根據(jù)極值求得最佳擬合圓的圓心坐標(x0,y0),半徑r的擬合值為

然后，通過將擬合圓與理想圓的圓心比較得出前后基準截面圓的圓心在X和Y方向上的偏移量Δx、Δy，螺栓編號與機床主軸角度對應算法原理如下：假設(shè)定位螺栓編號為l1，其對應的機床主軸角度為c1，則螺栓編號為lk，則其對應的機床主軸軸角度ck為

ck=c1+(lk-l1)×360/16

(5)

其中,k=1,2,3,…,16。

如果ck≥360°,則ck=ck-360°；

如果ck<360°,則ck=ck。

根據(jù)上述螺栓編號與機床主軸角度對應算法，將四象限螺栓編號1,5,9,13均布在擬合圓的四周。利用以下公式求解出對應編號的螺栓應調(diào)整的圈數(shù)n:

X方向上螺栓應調(diào)整的圈數(shù)n1=Δx/p

(6)

Y方向上螺栓應調(diào)整的圈數(shù)n2=Δy/p

(7)

式中p為螺栓的螺距(螺栓螺紋為單螺紋)。

3 試驗驗證

根據(jù)所提方法，采用西門子提供的OEM軟件開發(fā)環(huán)境，通過VB編寫系統(tǒng)界面，VC++編寫與數(shù)控系統(tǒng)相聯(lián)系的語言動態(tài)鏈接庫和數(shù)據(jù)處理算法[10]，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，?gòu)建了大型薄壁殼體快速找正系統(tǒng)，其用戶界面HMI如圖6所示。

以某型大型薄壁金屬殼體為實例，驗證所提出在機檢測與找正方法。大型薄壁殼體半徑R=1000 mm，兩端使用過渡環(huán)將殼體與臥式機床固定連接，過渡環(huán)圓周均布16個螺栓，如圖7所示。經(jīng)在機檢測及調(diào)整后，需滿足殼體軸心與機床主軸同軸度小于0.25 mm的精度要求。

圖6 測控系統(tǒng)HMI界面

圖7 過渡環(huán)示意圖

首先，利用在線檢測系統(tǒng)的激光傳感器(量程為35～85 mm)測得大型薄壁殼體前后兩端基準a和b處的圓輪廓數(shù)據(jù)。然后，在HMI界面中進行數(shù)據(jù)處理，得出殼體相對于機床主軸的偏心距離Δxa=0.152 mm,Δya=-0.092 mm;Δxb=0.173 mm,Δyb=-0.109 mm。此時的同軸度誤差為0.371 mm。此時，可根據(jù)界面顯示，調(diào)整四象限螺栓，a基準處對應四象限螺栓1, 5, 9, 13, 應分別調(diào)整的圈數(shù)為-2,+1,-2,+1；b基準處對應四象限螺栓1,5,9,13，應分別調(diào)整的圈數(shù)為-3，-1，-2，-1(其中+代表順時針，-代表逆時針)，如圖8所示。

調(diào)整結(jié)束后，再次在機檢測調(diào)整后的薄壁殼體，復檢結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，調(diào)整后，薄壁殼體的同軸度誤差為0.214 mm，同軸度誤差有效地控制在了0.25 mm范圍內(nèi)，滿足了該型號大型薄壁殼體的裝配精度要求，驗證了本文所提出方法的有效性。

圖8 數(shù)據(jù)處理界面

圖9 復檢數(shù)據(jù)處理界面

4 結(jié)論

(1)基于西門子840D平臺構(gòu)建了基于激光測量的大型薄壁殼體在機找正系統(tǒng)的通訊構(gòu)架，并開發(fā)了多功能用戶操作界面。

(2)提出了一種基于裝配工裝緊定螺栓編號和角度對應的快速找正方法。

(3)以某型號大型薄壁殼體為典型零件，對本文所提出的方法和開發(fā)的在機測量系統(tǒng)進行了應用驗證。結(jié)果表明，找正效率，由原來的10 h縮短為現(xiàn)在的3 h以內(nèi)，殼體軸線與機床主軸同軸度控制在0.25 mm以內(nèi)，較大幅度地提升了殼體的裝配效率和裝配質(zhì)量。