接觸式激光傳感器集成測量方法的研究

魏雙羽，白躍偉，劉凱

上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院

1 引言

以三坐標(biāo)測量系統(tǒng)(CMM)為代表的精密幾何測量技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)保證零件加工質(zhì)量的支撐技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等制造業(yè)，CMM技術(shù)及其應(yīng)用問題也成為了該領(lǐng)域的研究熱點之一。

在飛機(jī)、風(fēng)電葉片等大尺度零部件安裝領(lǐng)域，有學(xué)者提出了用電容式間隙測量裝置與傳統(tǒng)測量工具和激光掃描測量集成的方法，來解決飛機(jī)復(fù)合材料裝配間隙補償問題[1]；采用激光跟蹤儀對曲面離散點進(jìn)行測量，然后通過數(shù)值擬合來判斷零件型面的精度，以解決風(fēng)電葉片大尺度測量問題[2]。

為了解決復(fù)雜多變的測量應(yīng)用問題，學(xué)者們采用多種測量傳感器融合的復(fù)合測量方法，實現(xiàn)多技術(shù)要求條件下的精密幾何測量。王亮等[3]提出了在現(xiàn)代制造業(yè)測量對象多樣化、智能化背景下的“接觸式-光學(xué)”復(fù)合式CMM教學(xué)課程開發(fā)方法，以解決提高機(jī)械工程類專業(yè)課程實踐教學(xué)質(zhì)量的問題。吳俊杰等[4]和畢超等[5]專門針對復(fù)合測量技術(shù)問題開展了專題研究。其中，文獻(xiàn)[4]針對微納米測量中存在的大范圍高精度測量及復(fù)雜微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)表征問題，提出了基于白光干涉和原子力顯微鏡測頭的復(fù)合型微納米測量儀，討論了基于臺階標(biāo)準(zhǔn)樣板的傳感器標(biāo)定方法及其空間位置關(guān)系確定方法，并完成了樣機(jī)制作；文獻(xiàn)[5]對葉片截面型線進(jìn)行了高效精確地測量，將激光測量傳感器安裝于通用三坐標(biāo)測量機(jī)框架，通過測頭外參數(shù)標(biāo)定，將三坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)的坐標(biāo)值與激光測頭一維距離值融合后轉(zhuǎn)化為測量點坐標(biāo)，建立了一套非接觸式的光學(xué)坐標(biāo)測量機(jī)，最后選取某航空發(fā)動機(jī)葉片作為被測零件，對截面型線進(jìn)行了掃描測量。

除上述針對CMM及其復(fù)合測量系統(tǒng)的研究外，國內(nèi)專家還對該領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究。楊海成等[6]針對發(fā)動機(jī)葉片的前緣、后緣曲線段測量進(jìn)行了討論，介紹了光學(xué)投影法、光切法測量、三坐標(biāo)型面掃描法及四坐標(biāo)激光測量法等先進(jìn)測量技術(shù)。李學(xué)哲等[7]較為全面地分析了航空發(fā)動機(jī)葉片型面測量技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢，認(rèn)為高精度、高效率、高可靠、低成本、全信息和一體化是葉片測量的基本要求，采用新型高精度光學(xué)測頭并結(jié)合多軸測量技術(shù)將是未來的發(fā)展方向。

由上述討論可以看出，雖然航空發(fā)動機(jī)葉片的復(fù)合測量是近年來研究的熱點，但是這方面的研究尚少，特別是在航空發(fā)動機(jī)葉片四軸復(fù)合測量系統(tǒng)開發(fā)方面還缺乏實踐性技術(shù)指導(dǎo)。盡管魏雙羽等[8]討論了基于CMM的激光葉片測量問題，但是關(guān)于如何確保激光傳感器坐標(biāo)與MCS空間坐標(biāo)一致性問題分析不多。為此，本文針對“接觸-非接觸”復(fù)合測量傳感器集成測量問題，給出復(fù)合測量傳感器標(biāo)定及其空間位置關(guān)系建立方法，結(jié)合航空發(fā)動機(jī)葉片測量實例探討該方法的可行性。

2 復(fù)合測量傳感器空間位置關(guān)系標(biāo)定

CMM系統(tǒng)開機(jī)后初始化連接運動控制器(例如Renishaw的UCC系列)，先用接觸式傳感器(Touch Probe，后續(xù)簡稱Probe)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)球，建立Probe與機(jī)器坐標(biāo)系MCS的關(guān)系，標(biāo)定通過后，CMM系統(tǒng)運動控制器將向測量軟件(例如PC-DMIS、DIRECT-DMIS等)發(fā)送以Probe測球中心點坐標(biāo)為基礎(chǔ)的CMM運動數(shù)據(jù)，建立Probe與CMM在MCS下的空間關(guān)系(見圖1)。

圖1 CMM標(biāo)定Probe流程

已知標(biāo)定球半徑R，手動測量標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)球，獲得至少4個測量點(見圖2的p11，p12，p13，p14點)，建立標(biāo)準(zhǔn)球坐標(biāo)系PCS1(x1，y1，z1)。

圖2 接觸與非接觸傳感器標(biāo)定關(guān)系

計算出標(biāo)準(zhǔn)球中心o1(xo1，yo1，zo1)，從而確定了標(biāo)準(zhǔn)球在MCS下的空間位置，公式為

(x01-x11)2+(y01-y11)2+(z01-z11)2=R2
(x01-x12)2+(y01-y12)2+(z01-z12)2=R2
(x01-x13)2+(y01-y13)2+(z01-z13)2=R2
(x01-x14)2+(y01-y14)2+(z01-z14)2=R2

(1)

由于激光傳感器(Laser Sensor，后續(xù)簡稱Laser)此時在MCS下的位置不確定，可以利用Laser對當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行重復(fù)測量，以標(biāo)準(zhǔn)球為基礎(chǔ)，間接建立Laser與Probe在MCS下的空間位置關(guān)系。由于CMM系統(tǒng)此時向測量軟件發(fā)送的Probe測尖中心坐標(biāo)，因此，在測量軟件顯示的Laser測球坐標(biāo)系PCS2(x2，y2，z2)與PCS1(x1，y1，z1)不會重合，形成如圖2所示關(guān)系。

用Laser對標(biāo)定球測量至少4個點(見圖2中的p21，p22，p23，p24點)，計算偏置球中心o2(xo2，yo2，zo2)，公式為

(x02-x21)2+(y02-y21)2+(z02-z21)2=R2
(x02-x22)2+(y02-y22)2+(z02-z22)2=R2
(x02-x23)2+(y02-y23)2+(z02-z23)2=R2

(2)

(x02-x24)2+(y02-y24)2+(z02-z24)2=R2

在不考慮不同傳感器測量誤差的情況下，根據(jù)o1(xo1，yo1，zo1)和o2(xo2，yo2，zo2)，可以求出Probe和Laser在MCS下的空間位置偏差δ(Δx，Δy，Δz)為

Δx=xo2-xo1
Δy=yo2-yo1
Δz=zo2-zo1

(3)

使用Laser測量時，測量軟件需要對運動控制器發(fā)來的CMM坐標(biāo)點(x，y，z)進(jìn)行補償，公式為

xp=x+Δx
yp=y+Δy
zp=z+Δz

(4)

根據(jù)式(4)即可建立Laser與Probe在MCS空間下的位置關(guān)系，支持兩種復(fù)合傳感器交替測量，實現(xiàn)集成測量。

3 實例驗證

項目自主研發(fā)了一臺四軸葉片測量系統(tǒng)、三個移動軸和一個旋轉(zhuǎn)工作臺(見圖3)。其中，Z軸上安裝有Probe和Laser兩套傳感器，運動控制器采用UCC Lite。聯(lián)機(jī)啟動后，在UCC界面中用直徑為25.5mm的標(biāo)定球標(biāo)定Probe。

(a)接觸與非接觸復(fù)合測量系統(tǒng)

3.1 復(fù)合測量傳感器標(biāo)定

運行自主開發(fā)的DIRECT-DMIS幾何測量軟件(見圖4a)，加載葉片測量模塊，選擇I + +協(xié)議連接UCC。打開接觸式與激光傳感器設(shè)置對話框(見圖4b)，選擇Probe為當(dāng)前激活測頭。

(a)DIRECT-DMIS軟件界面

用Probe測量標(biāo)定球上5個點，獲得測量數(shù)據(jù)(見表1)。利用DIRECT-DMIS擬合功能可得到標(biāo)定球的中心坐標(biāo)及直徑數(shù)據(jù)(見表2)。

表1 Probe測量標(biāo)定球數(shù)據(jù)

表2 Probe測量擬合數(shù)據(jù)(標(biāo)定球中心+直徑)

打開接觸式與激光傳感器設(shè)置對話框(見圖4b)，選擇Laser為當(dāng)前激活測頭。用Laser測量標(biāo)定球上5個點，獲得數(shù)據(jù)見表3。利用DIRECT-DMIS擬合功能可得標(biāo)定球中心坐標(biāo)及其直徑數(shù)據(jù)(見表4)。

表3 Laser測量標(biāo)定球數(shù)據(jù)

表4 Laser測量擬合數(shù)據(jù)(標(biāo)定球中心+直徑)

根據(jù)式(4)可以建立Laser與Probe在MCS空間的位置關(guān)系(見表5)。根據(jù)使用要求，可以切換當(dāng)前測量傳感器并對其進(jìn)行配置。如果當(dāng)前使用Laser測量時，DIRECT-DMIS測量軟件可根據(jù)表5對齊并進(jìn)行位置偏置修正，從而實現(xiàn)Probe與Laser的復(fù)合測量。

表5 Laser與Probe在MCS空間的關(guān)系

3.2 葉片安裝及測量

將葉片安裝到旋轉(zhuǎn)工作臺(見圖3c)后，根據(jù)需要設(shè)置葉片測量屬性參數(shù)(見圖5)；打開接觸式與激光傳感器設(shè)置對話框(見圖4b)，選擇Probe為當(dāng)前激活測頭。根據(jù)葉片在發(fā)動機(jī)中安裝的榫頭部位小平面特征，創(chuàng)建測量對象，利用3-2-1方法建立零件坐標(biāo)系，然后即可將數(shù)模與安裝在四軸測量系統(tǒng)的零件對齊。

用DIRECT-DMIS軟件打開截面封閉曲線創(chuàng)建對話框(見圖5b)，設(shè)置曲線屬性后建立輪廓測量任務(wù)，建立測量曲線離散點(圖見5c)，啟動系統(tǒng)自動測量。通過調(diào)用“葉片圖形報告查看”命令菜單查看點的測量結(jié)果數(shù)據(jù)(見圖5d)。

圖5 葉片測量設(shè)置窗口

4 結(jié)語

采用接觸式與激光復(fù)合傳感器標(biāo)定方法，建立四軸葉片復(fù)合測量系統(tǒng)，開展了葉片檢測實踐。結(jié)果表明：直接測量葉片截面的輪廓數(shù)據(jù)可靠，利用軟件還可以提取葉片截面曲線技術(shù)參數(shù)，對提高葉片加工質(zhì)量提供了一種新思路。

在葉片截面型線測量過程中，DIRECT-DMIS軟件控制激光傳感器在輪廓封閉線上采點測量，回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)一周后即可完成截面曲線段測量，可分別對葉盆和葉背等曲線段進(jìn)行評價。

此外，通過對葉片十幾個截面進(jìn)行測試實驗可以看出，截面測量點個數(shù)對測量結(jié)果及擬合曲線有一定影響。對葉片某截面分別進(jìn)行了200點、150點和100點測量后發(fā)現(xiàn)，隨著測量點個數(shù)增多，曲線參數(shù)提取和擬合結(jié)果越接近理論值?？紤]到實際測量效率問題，實際測量采集150點能基本可以滿足曲線參數(shù)分析、擬合和評價要求。