貯箱壁板激光測厚數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

鄭 驥 陳乃玉 姚 輝 韓 晉 高顯勝 姚亞超

(①首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076;② 天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

運(yùn)載火箭貯箱需要通過最小的重量傳遞推力載荷，并承受燃料帶來的內(nèi)部壓力，為此，我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭貯箱壁板通常采用蒙皮加筋結(jié)構(gòu)，以平衡減輕重量與保證強(qiáng)度的雙重需求。新一代運(yùn)載火箭長征五號、長征七號采用先平板機(jī)械銑削后滾彎成形的新工藝方案，替代了先滾彎為弧板再化學(xué)銑切的傳統(tǒng)工藝方案，將壁板厚度公差從0～+0.3 mm減小到0～+0.2 mm。由于占壁板絕大部分面積的蒙皮區(qū)域厚度通常在1.2 mm到3 mm之間，按照厚度中位數(shù)計(jì)算，精度提高將使該區(qū)域的重量減輕1.6%～3.8%，是緩解前述需求沖突的重要手段。

制造精度的提升對檢測的效率、精度和可追溯性提出了更高的要求。該背景下，研究人員基于激光三角測距原理，設(shè)計(jì)了壁板厚度激光檢測系統(tǒng)，取代了人工逐點(diǎn)測量[1]。

1 壁板厚度激光檢測系統(tǒng)

1.1 總體方案

貯箱壁板厚度激光檢測系統(tǒng)主要由激光測量子系統(tǒng)、機(jī)械定位子系統(tǒng)、電氣控制子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

其中，激光測量子系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的測量與采集；機(jī)械定位子系統(tǒng)的主要功能是對激光測量子系統(tǒng)提供機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐，并實(shí)現(xiàn)貯箱壁板的快速裝夾與定位；電氣控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械定位、激光測量子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與節(jié)拍控制，同時(shí)與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進(jìn)行通訊；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對激光測量子系統(tǒng)采集的距離數(shù)據(jù)及機(jī)械定位子系統(tǒng)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合后處理，然后將處理后的厚度數(shù)據(jù)與貯箱壁板厚度基本尺寸進(jìn)行對比，并以不同顏色顯示。

1.2 激光測量子系統(tǒng)

激光測量子系統(tǒng)采用間接測量的方式獲得待測壁板厚度數(shù)據(jù)。如圖2所示，將一組激光輪廓傳感器分置待測壁板前后兩側(cè)，待測壁板的厚度值d，即為前、后傳感器絕對距離L減去各自示數(shù)L1、L2的差d=L-(L1+L2)。

激光輪廓傳感器作為激光測量子系統(tǒng)的核心功能部件，是整個(gè)系統(tǒng)的主要直接數(shù)據(jù)采集源，其測量精度對系統(tǒng)精度有著決定性影響。本文選用的德國米銥Scan Control compact 2600-50型激光輪廓傳感器，是一種基于直射式三角法測距原理的距離傳感器。直射式三角法測距原理如圖3所示。

激光發(fā)生器1發(fā)出的光線，經(jīng)會(huì)聚透鏡2聚焦后垂直入射到待測工件4表面上，其散射光經(jīng)接收器鏡片組5聚焦后在傳感器6上成像。當(dāng)激光束光軸與接收器鏡片組光軸之間的夾角θ1和傳感器平面與接收器鏡片組光軸之間的夾角θ2滿足Scheimpflug條件tanθ1=βtanθ2(式中β為橫向放大率)時(shí)，散射光可以在感光元件上準(zhǔn)確聚焦，且被測工件相對基準(zhǔn)面的偏離量x可以通過感光元件上聚焦點(diǎn)偏離基準(zhǔn)點(diǎn)的位移x′求得[2-4]

式中：a為激光束光軸和接收透鏡的交點(diǎn)到接收透鏡前主面的距離；b為接收透鏡后主面到成像面中心點(diǎn)的距離。

激光輪廓傳感器通過精密楔形透鏡將激光點(diǎn)擴(kuò)展為照度平均的激光線，并采用COMS矩陣傳感器接收散射光，使得激光輪廓傳感器可以計(jì)算并輸出一組二維坐標(biāo)值，該二維坐標(biāo)的縱坐標(biāo)反映傳感器與待測工件的距離值，橫坐標(biāo)反映線激光打在待測工件上的點(diǎn)相對中軸的偏轉(zhuǎn)角度。

1.3 機(jī)械定位子系統(tǒng)

為保證測量精度，減少機(jī)床運(yùn)動(dòng)引入的誤差，將待檢測壁板以1 m為間隔劃分為若干區(qū)域。檢測時(shí)，由鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)1帶動(dòng)待測壁板2，使壁板局部待測區(qū)域移動(dòng)至檢測范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)檢測范圍兩側(cè)的氣缸，將壁板鎖緊至穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)域檢測完成后，重復(fù)上述過程直至全部檢測完成。

在X向行程略大于1 m的局部檢測范圍內(nèi)，4個(gè)激光輪廓傳感器分置在Y向前滑板9、Y向后滑板5上，由電氣控制子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，沿Y向同步移動(dòng)，上下兩組激光輪廓傳感器同步工作，可以提高檢測效率近1倍。Y向前導(dǎo)軌8、后導(dǎo)軌6在底部連接固定，構(gòu)成一個(gè)大型的U型框，并通過滑塊4沿X向上側(cè)導(dǎo)軌3、X向下側(cè)導(dǎo)軌7水平移動(dòng)。

機(jī)械定位子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

2 誤差補(bǔ)償

貯箱壁板厚度激光檢測系統(tǒng)的壁板檢測設(shè)計(jì)極限尺寸為5 500 mm×3 000 mm×30 mm，同時(shí)要求測量極限誤差≤0.03 mm。為實(shí)現(xiàn)該精度，通過數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)對各種來源的誤差進(jìn)行補(bǔ)償是一種常見做法。

2.1 誤差組成

激光測量子系統(tǒng)測量精度、工件在系統(tǒng)中的位置精度、機(jī)械定位子系統(tǒng)制造及裝配精度是檢測系統(tǒng)系統(tǒng)誤差的主要來源，它們產(chǎn)生的誤差分別稱為傳感器示數(shù)誤差、工件偏轉(zhuǎn)誤差、傳感器間距誤差，詳述如下。

(1)傳感器示數(shù)誤差

受激光輪廓傳感器自身精度及待檢測壁板表面質(zhì)量影響，激光輪廓傳感器示數(shù)會(huì)偏離其真實(shí)值。待測壁板粗糙度約Ra6.3 μm，其表面波峰及波谷的高低差約6.3 μm，米銥Scan Control Compact 2600-50型激光輪廓傳感器測量精度為4 μm，激光輪廓傳感器理論示數(shù)誤差約為兩者的和，即0.01 mm。

(2)工件偏轉(zhuǎn)誤差

蒙皮加筋結(jié)構(gòu)的貯箱壁板，其主要加工手段為將某一側(cè)面吸附在高精度真空吸盤上，而對另外一面進(jìn)行材料銑切去除，由于該過程中材料去除并不均勻，卸除裝夾后，應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致貯箱壁板存在一定程度的翹曲變形。將待測壁板放置在測量系統(tǒng)中，該翹曲變形體現(xiàn)為壁板局部平面相對前、后激光輪廓傳感器連線的偏轉(zhuǎn)。

在Y向，由于壁板自重會(huì)抵消大部分翹曲變形帶來的影響，同時(shí)激光輪廓傳感器測量寬度狹窄，工件傾斜帶來的誤差非常微小，可以忽略不計(jì)。但在X向，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壁板傾角最大可以達(dá)到2°，產(chǎn)生0.7～6 μm的厚度誤差，如圖6所示。

(3)傳感器間距誤差

傳感器間距誤差是指一組激光輪廓傳感器中，前、后兩個(gè)傳感器之間的絕對距離L在XOY平面運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的變動(dòng)量。滑塊在直線導(dǎo)軌上的行走平行度誤差約0.01 mm/m，即使采用了分區(qū)域局部測量的方式，每組激光傳感器的移動(dòng)行程依然有1 000 mm×1 400 mm，僅單傳感器沿Y軸一個(gè)維度移動(dòng)帶來的變動(dòng)量就可能達(dá)到0.014 mm。作為大型設(shè)備，壁板厚度激光測量系統(tǒng)有X向、Y向?qū)к壐鲀蓷l，直線導(dǎo)軌行走平行度帶來的傳感器偏移、扭轉(zhuǎn)復(fù)合誤差，最終體現(xiàn)在壁板厚度測量誤差上，至少產(chǎn)生與目標(biāo)測量精度0.03 mm相同量級的系統(tǒng)誤差。

2.2 誤差補(bǔ)償

針對傳感器示數(shù)誤差、工件偏轉(zhuǎn)誤差、傳感器間距誤差等主要測量誤差設(shè)計(jì)補(bǔ)償流程如圖7所示。

(1)噪點(diǎn)過濾

由于激光三角法測距根據(jù)反射光在感光元件上的聚焦點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位置計(jì)算距離值，這要求散射光強(qiáng)度足夠且光斑光能質(zhì)心與幾何中心重合[3]。通過設(shè)置曝光時(shí)間、濾波參數(shù)等變量，可以獲得較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸出，但無法兼顧待測工件光潔度過高引起強(qiáng)鏡面發(fā)射的情形。

強(qiáng)鏡面反射現(xiàn)象是激光輪廓傳感器光信號接收過程中最主要的噪點(diǎn)源，因?yàn)樵摤F(xiàn)象會(huì)在感光元件上產(chǎn)生不規(guī)則大光斑并造成示數(shù)值大幅度跳動(dòng)，或者由于將光線反射至其他方向(少數(shù)情況下)使得感光元件接收到的光能不足而無示數(shù)。圖8為待測壁板反射激光的宏觀圖像，圖9為與之對應(yīng)的傳感器瞬時(shí)示數(shù)。

針對本文所述特定對象運(yùn)載火箭貯箱壁板，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)鏡面反射現(xiàn)象均發(fā)生在銑削接刀痕處，由二次銑削在接刀處產(chǎn)生了類似拋光效果造成，但采用超聲測厚儀測量、手觸感受等手段驗(yàn)證，該位置厚度數(shù)據(jù)與兩側(cè)一致無突變。

線性數(shù)據(jù)去噪方法主要包括均值濾波法、中值濾波法和高斯濾波法等[5]?？紤]實(shí)際對象特征，本文采用了更為簡便的“突變點(diǎn)閥值濾波法”，即如果某一點(diǎn)與鄰近兩點(diǎn)的示數(shù)差值均超過特定閥值，則判定該點(diǎn)為突變點(diǎn)，予以清除。取激光輪廓傳感器理論示數(shù)誤差0.01 mm為閥值，濾波效果如圖10所示。

(2)數(shù)據(jù)精簡

米銥Scan Control Compact 2600-50型激光輪廓傳感器以每毫米6個(gè)點(diǎn)(近似值，由于是角度的轉(zhuǎn)換值，每點(diǎn)之間的間隔并不均勻)的密度采集數(shù)據(jù)，假如對全部采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理并存儲，需要耗用大量的內(nèi)存和存儲空間，但測量精度幾乎沒有改善。為提高運(yùn)算效率，降低存儲需求，需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。以某一指定值p為間隔，保留距線激光中心基準(zhǔn)點(diǎn)np(n為整數(shù))附近±0.1p范圍內(nèi)最近點(diǎn)的二維坐標(biāo)，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。噪點(diǎn)過濾、數(shù)據(jù)精簡與數(shù)據(jù)采集過程同步進(jìn)行，數(shù)據(jù)處理過后立即釋放原始采集數(shù)據(jù)。圖11為按照p=0.5 mm精簡后的數(shù)據(jù)圖像。

(3)標(biāo)定補(bǔ)償

標(biāo)定補(bǔ)償?shù)哪康脑谟谙齻鞲衅鏖g距誤差帶來的影響。標(biāo)定時(shí)，在前、后激光輪廓傳感器之間放置一個(gè)高精度塞尺，該塞尺與后側(cè)傳感器通過支架固定，標(biāo)定裝置如圖12所示。在全行程內(nèi)采集數(shù)據(jù)，可以獲得前、后激光輪廓傳感器在行程范圍內(nèi)各點(diǎn)實(shí)際間距相對標(biāo)準(zhǔn)間距的變化量。多次采集并計(jì)算平均值，得到消除偶然誤差后XOY平面各點(diǎn)的標(biāo)定補(bǔ)償量。

實(shí)際檢測待測工件時(shí)，將各點(diǎn)標(biāo)定補(bǔ)償量疊加到對應(yīng)的激光輪廓傳感器測量數(shù)據(jù)中，即可消除傳感器間距誤差中的系統(tǒng)誤差分量。

(4)數(shù)據(jù)回歸

由于壁板厚度測量的目的在于獲取壁板厚度的宏觀尺寸，不必關(guān)注由粗糙度及傳感器精度帶來的微觀誤差，因此可以通過數(shù)據(jù)回歸的方式平滑掃描線數(shù)據(jù)。最小二乘法是最常用的線性數(shù)值回歸算法，經(jīng)數(shù)據(jù)回歸處理并以±20 mm為界線截取后的數(shù)據(jù)圖像如圖13所示。

(5)傾角補(bǔ)償

傾角補(bǔ)償消除的是工件偏轉(zhuǎn)誤差，補(bǔ)償量Δd′由前述補(bǔ)償后該位置的厚度d′及線性回歸方程的斜率k計(jì)算獲得，

2.3 剩余誤差

環(huán)境溫度、風(fēng)和振動(dòng)等貯箱壁板厚度激光檢測系統(tǒng)所處的外部環(huán)境因素的波動(dòng)，也會(huì)帶來成因復(fù)雜的誤差，這些誤差共同構(gòu)成了檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)補(bǔ)償后的剩余誤差。外部環(huán)境產(chǎn)生誤差的作用機(jī)制及誤差的外在規(guī)律復(fù)雜多變、難以摸清，但是可以通過人為構(gòu)建封閉、半封閉空間將誤差影響因素保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到控制誤差的目的。

3 結(jié)果分析

以主要特征為小三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的某貯箱壁板為例，該壁板板幅4 200 mm×2 450 mm，最大厚度11 mm，最小厚度1.8 mm，厚度公差均為0～0.2 mm。檢測該貯箱壁板，并以前處理(噪點(diǎn)過濾、數(shù)據(jù)精簡)后的厚度數(shù)據(jù)相對厚度基本尺寸的差值繪制厚度點(diǎn)云，如圖14所示。在圖14厚度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償，繪制差值點(diǎn)云如圖15所示。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)完全補(bǔ)償后的厚度差值點(diǎn)云如圖16所示。

結(jié)果顯示，由標(biāo)定補(bǔ)償消除的傳感器間距誤差寬度最大，上側(cè)傳感器組間距誤差寬度為0.166 mm(-0.039～+0.127 mm)，下側(cè)傳感器組間距誤差寬度為0.208 mm(-0.047～+0.161 mm)，全行程范圍內(nèi)傳感器間距誤差總寬度為0.208 mm。

由于數(shù)據(jù)回歸、傾角補(bǔ)償消除的傳感器示數(shù)誤差、工件偏轉(zhuǎn)誤差復(fù)合誤差寬度較小，兩者影響疊加誤差寬度為0.022 mm(-0.014～+0.008 mm)，僅傳感器間距誤差的10.6%。

借助直尺和壁板特征定位，以超聲測厚儀抽檢40個(gè)隨機(jī)選取的點(diǎn)(如圖17所示，該位置基本尺寸4.5 mm)，結(jié)果顯示，最大誤差0.017 mm，平均誤差0.006 mm，滿足≤0.03 mm的測量精度要求。

為避免由于抽檢方式定位精度較低導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)誤差小于實(shí)際誤差的風(fēng)險(xiǎn)，超聲測厚時(shí)對隨機(jī)點(diǎn)四周半徑約20 mm的區(qū)域進(jìn)行了全測并評估風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為小區(qū)域內(nèi)厚度變化幾乎可以忽略，結(jié)論有效。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了貯箱壁板厚度激光檢測系統(tǒng)的工作原理，分析了主要系統(tǒng)誤差的作用機(jī)制，并結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品狀態(tài)及目標(biāo)要求，給出了簡便、高效的數(shù)據(jù)處理、補(bǔ)償方案。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性，并給出了傳感器間距誤差、傳感器示數(shù)與工件偏轉(zhuǎn)復(fù)合誤差的影響大小。