(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

當(dāng)前，薄壁類旋轉(zhuǎn)曲面工件大量應(yīng)用在航空航天、船舶、汽車、醫(yī)療等行業(yè)中，工件的壁厚決定了整個(gè)工件的材料分布，直接影響工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、抗彎、抗扭等特性，甚至決定了整個(gè)工件的工作特性。

壁厚的測(cè)量是精密加工質(zhì)量的保證，測(cè)量點(diǎn)位的分布情況、測(cè)量點(diǎn)的矢法線方向決定了檢測(cè)效果。然而，大部分薄壁類旋轉(zhuǎn)曲面工件的表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式已無(wú)法滿足高精度、大批量的檢測(cè)任務(wù)。

關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人的自由度高、動(dòng)作靈活，幾乎滿足任何姿態(tài)和軌跡的工作，同時(shí)動(dòng)作慣性小、定位精度高；通過(guò)集成所需傳感器，即可滿足多種自動(dòng)化檢測(cè)類型的需求。

在薄壁類工件的壁厚測(cè)量中，接觸式超聲測(cè)厚的指向性好、測(cè)量速度快、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、精度高、無(wú)污染，適用于金屬及非金屬等多種材料，特別是在只有單側(cè)裸露工件的壁厚檢測(cè)中具有不可替代的作用。因此，接觸式超聲測(cè)厚是目前薄壁類工件壁厚測(cè)量的主要選擇。

目前，國(guó)內(nèi)在工件壁厚自動(dòng)化測(cè)量方面取得了很大的進(jìn)展，但大多都是對(duì)平板型、管型等簡(jiǎn)單工件的檢測(cè)；而S型、類球形等變曲率復(fù)雜工件則幾乎都是依靠工人手動(dòng)檢測(cè)，工作量大且檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性差。

為了實(shí)現(xiàn)工件壁厚的自動(dòng)測(cè)量，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。尹鋒等[1]將超聲測(cè)厚與車削加工相結(jié)合；凌海軍等[2]將激光測(cè)徑與超聲測(cè)厚相結(jié)合。但上述兩種方法只針對(duì)均勻管材、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、表面曲率相同的工件。劉海波等[3]設(shè)計(jì)了接觸式超聲探頭裝置，并提出接觸測(cè)量后的角度補(bǔ)償測(cè)量方法，但該方法僅針對(duì)圓弧件工件的等間距采樣測(cè)厚。

為此，筆者立足于傳統(tǒng)曲面重構(gòu)方法和自適應(yīng)布點(diǎn)策略，在六自由度機(jī)械臂的基礎(chǔ)上研究了針對(duì)薄壁類自由旋轉(zhuǎn)曲面工件壁厚的自動(dòng)檢測(cè)方法。先對(duì)回轉(zhuǎn)體工件特征曲線重構(gòu)的原理及方法進(jìn)行闡述，再對(duì)重構(gòu)的特征曲線自適應(yīng)布點(diǎn)策略進(jìn)行研究，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法下壁厚自動(dòng)測(cè)量的可行性。

1 測(cè)量原理

自由旋轉(zhuǎn)曲面工件的壁厚自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，為了方便描述，建立了世界坐標(biāo)系{W}，工具坐標(biāo)系{T}，工件坐標(biāo)系{B}。

圖1 自由旋轉(zhuǎn)曲面工件的壁厚自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

待測(cè)回轉(zhuǎn)體工件與回轉(zhuǎn)臺(tái)同軸固定，工業(yè)機(jī)器人先帶動(dòng)末端的激光位移傳感器，沿著ZB軸對(duì)整個(gè)回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行掃描，得到工件旋轉(zhuǎn)曲面的輪廓線，即特征曲線。通過(guò)機(jī)器人末端的軌跡對(duì)特征曲線進(jìn)行補(bǔ)償，并去噪、平滑，從而實(shí)現(xiàn)自由曲面工件特征曲線的重構(gòu)。對(duì)特征曲線進(jìn)行自適應(yīng)布點(diǎn)，得到測(cè)量點(diǎn)的位置、傾角；根據(jù)所得布點(diǎn)的位置、傾角，控制工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)末端超聲測(cè)厚結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)該特征曲線上布點(diǎn)的厚度測(cè)量，即完成了自由旋轉(zhuǎn)曲面工件單列的壁厚測(cè)量。如需對(duì)回轉(zhuǎn)體工件的其他列進(jìn)行測(cè)量，只需控制工業(yè)回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，進(jìn)行相同點(diǎn)位的測(cè)量即可。

按圖1所示的測(cè)厚系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)了一套自由旋轉(zhuǎn)曲面工件壁厚自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)，系統(tǒng)主要由以下部分組成：運(yùn)動(dòng)控制部分包括六自由度工業(yè)機(jī)械臂、回轉(zhuǎn)臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制卡；測(cè)厚主體部分包括激光位移傳感器、微型壓力傳感器、TIME2170高精度超聲波測(cè)厚儀，以及耦合、緩沖、曲面自適應(yīng)貼合等裝置。自由旋轉(zhuǎn)曲面工件壁厚自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)流程如圖3所示。

圖2 自由旋轉(zhuǎn)曲面工件壁厚自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物

圖3 自由旋轉(zhuǎn)曲面工件壁厚自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)流程

2 特征曲線重構(gòu)原理及補(bǔ)償

2.1 特征曲線重構(gòu)原理

使用激光位移傳感器沿著工件回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量激光位移傳感器與工件外表面輪廓的距離實(shí)現(xiàn)特征曲線的重構(gòu)，其原理示意如圖4所示。

圖4 特征曲線重構(gòu)原理示意

激光位移傳感器選用松下HG-C1200微型激光位移傳感器：測(cè)量中心距為200 mm，采樣頻率為0.6 kHz，檢測(cè)精度為3 μm；激光位移傳感器安裝于工業(yè)機(jī)械臂末端，測(cè)量軸與ZT軸重合，調(diào)整機(jī)械臂末端姿態(tài)，使ZT與ZB共面且相互垂直，6自由度機(jī)械臂帶動(dòng)激光位移傳感器保持姿勢(shì)直線運(yùn)動(dòng)方式，即機(jī)械臂末端姿態(tài)保持不變。從p1點(diǎn)沿ZB軸正向移動(dòng)直至激光位移傳感器超出測(cè)量范圍。將激光位移傳感器采樣得到的機(jī)械臂末端距工件外表面距離d與機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行補(bǔ)償，最終得到自由旋轉(zhuǎn)曲面工件特征曲線S。

2.2 特征曲線重構(gòu)及補(bǔ)償

與單軸滑臺(tái)不同，多自由度機(jī)械臂在姿勢(shì)直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受多自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的影響，機(jī)械臂末端不可避免地存在運(yùn)動(dòng)速度不一致以及機(jī)械臂末端在姿勢(shì)直線運(yùn)動(dòng)中的跳動(dòng)問(wèn)題。這些偏差將直接影響特征曲線的重構(gòu)，因此有必要先對(duì)激光位移傳感器的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償修正。

文中工業(yè)機(jī)器人選用6自由度機(jī)械臂，該機(jī)械臂為關(guān)節(jié)型6自由度工業(yè)機(jī)械臂：其中J1，J2，J3為手臂關(guān)節(jié)編號(hào)；J4，J5，J6為手腕關(guān)節(jié)編號(hào)；末端安裝激光位移傳感器，激光位移傳感器測(cè)量方向與J6軸線平行。工業(yè)機(jī)器人參數(shù)如表1所示(其中：J為各關(guān)節(jié)編號(hào)；θ范圍為關(guān)節(jié)變量；d為連桿偏移量；a為連桿長(zhǎng)度；α為連桿扭角)。

表1 6自由度工業(yè)機(jī)器人參數(shù)

根據(jù)機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)激光位移傳感器的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，再通過(guò)小波去噪，3次B樣條曲線近似擬合，最終得到特征曲線。

3 特征曲線自適應(yīng)布點(diǎn)策略

在薄壁類工件的加工過(guò)程中，曲率大處的加工難度較大，加工精度相對(duì)較低，因此在厚度檢測(cè)過(guò)程中，往往需要在曲率大處分布較多的檢測(cè)點(diǎn)；而對(duì)于均勻曲率處的布點(diǎn)可相對(duì)較少，且趨于均勻分布。考慮到對(duì)各類工件的檢測(cè)要求不同，在布點(diǎn)要求上也存在差異，不可盲目地追求高曲率自適應(yīng)性。參照等矩法布點(diǎn)策略[4-6]，對(duì)于較為平緩的特征曲線，采用弱自適應(yīng)度布點(diǎn)策略；對(duì)曲率較大的特征曲線，則采用強(qiáng)自適應(yīng)度的布點(diǎn)策略，根據(jù)不同的曲線特性進(jìn)行布點(diǎn)。

以布單點(diǎn)為例，等矩法布點(diǎn)策略即在AB兩點(diǎn)之間取點(diǎn)O，定義曲線AB對(duì)點(diǎn)O的r次矩為

(1)

式中：矩次r控制其曲率自適應(yīng)度；k(x)為該點(diǎn)的曲率；S(x)為點(diǎn)x至點(diǎn)A的弧長(zhǎng)。

(2)

(3)

對(duì)于曲線段中所布的任意相鄰3點(diǎn)Oi-1，Oi，Oi+1(i=2,3,4,…,n)都有

(4)

最終通過(guò)輪換逼近法求得所有分段點(diǎn)。

按照曲率自適應(yīng)的布點(diǎn)策略，以sin函數(shù)0到π區(qū)間為例，i=4，分別進(jìn)行r為0，4，10的等矩法布點(diǎn)。不難發(fā)現(xiàn)，布點(diǎn)隨曲率的自適應(yīng)性隨r的升高而降低，當(dāng)r=0時(shí)，曲率自適應(yīng)性強(qiáng)，r=10時(shí)，曲率自適應(yīng)性弱，結(jié)果趨于均布，但布點(diǎn)效果均不理想，r為4時(shí)的自適應(yīng)布點(diǎn)效果較為理想，仿真圖如圖5所示。針對(duì)不同的自由曲面工件，曲率自適應(yīng)度和布點(diǎn)數(shù)均可根據(jù)具體檢測(cè)要求而定。

圖5 曲率自適應(yīng)布點(diǎn)仿真圖

4 試驗(yàn)過(guò)程與分析

4.1 特征曲線的重構(gòu)及布點(diǎn)試驗(yàn)

以某型鋁制薄壁類旋轉(zhuǎn)曲面工件為例，通過(guò)機(jī)械臂帶動(dòng)激光位移傳感器對(duì)自由曲面工件進(jìn)行掃描并補(bǔ)償，平滑后得到工件特征曲線(見(jiàn)圖6)。按照工件厚度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的自適應(yīng)布點(diǎn)，得到待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(xi,yi)。布點(diǎn)位置滿足該類型工件厚度的檢測(cè)布點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)精度為3 μm的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)試重構(gòu)曲線，特征曲線重構(gòu)誤差如圖7所示。

圖6 某型鋁制薄壁類旋轉(zhuǎn)曲面工件的特征曲線重構(gòu)

圖7 特征曲線重構(gòu)誤差

利用激光位移傳感器與機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)了工件的特征曲線重構(gòu)，重構(gòu)曲線尺寸誤差產(chǎn)生原因很多[7]，其中主要包括：激光位移傳感器的性能指標(biāo)；工業(yè)機(jī)器人多軸串聯(lián)聯(lián)動(dòng)，使檢測(cè)過(guò)程中末端存在微弱姿態(tài)調(diào)整及跳動(dòng)；工件表面的粗糙度。

4.2 厚度自動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)

為了消除特征曲線重構(gòu)中的誤差對(duì)后續(xù)厚度檢測(cè)所造成的影響，在厚度自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中，機(jī)械臂末端激光位移傳感器、壓力傳感器始終對(duì)機(jī)器人的位姿進(jìn)行補(bǔ)償。末端探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用緩沖、自適應(yīng)貼合結(jié)構(gòu)，以保證接觸式厚度測(cè)量時(shí)測(cè)量中心始終與測(cè)量點(diǎn)法向量重合。

機(jī)械臂利用上述特征曲線自適應(yīng)布點(diǎn)的點(diǎn)位進(jìn)行自動(dòng)厚度檢測(cè)，得到單列一組4個(gè)測(cè)點(diǎn)厚度，根據(jù)該類型工件檢測(cè)需求，回轉(zhuǎn)臺(tái)依次旋轉(zhuǎn)90°，180°，360°，完成剩余3列測(cè)點(diǎn)的厚度測(cè)量，共16個(gè)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)測(cè)厚儀均為耦合良好狀態(tài)，回轉(zhuǎn)臺(tái)可控最小轉(zhuǎn)角為0.1°，精度為0.1°。

具有檢測(cè)資格且長(zhǎng)期從事超聲厚度檢測(cè)的熟練工人利用TIME2170測(cè)厚儀，對(duì)所有檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行每個(gè)點(diǎn)5次的重復(fù)有效厚度測(cè)量，取平均值，計(jì)算測(cè)量誤差，結(jié)果如表2所示。測(cè)厚儀采用15 MHz單晶延時(shí)探頭，最高分辨率為0.001 mm，測(cè)量范圍可達(dá)0.1520 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

提出了一種自由旋轉(zhuǎn)曲面工件壁厚的自動(dòng)檢測(cè)方法，利用檢測(cè)所需的激光位移傳感器進(jìn)行回轉(zhuǎn)體特征曲線重構(gòu)，研究了針對(duì)自由曲面厚度測(cè)量的自適應(yīng)布點(diǎn)法，該布點(diǎn)方法自適應(yīng)能力強(qiáng)且曲率自適應(yīng)度可調(diào)，滿足壁厚測(cè)量的布點(diǎn)需求，最后通過(guò)機(jī)械臂帶動(dòng)末端測(cè)厚結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自由回轉(zhuǎn)曲面工件壁厚的自動(dòng)檢測(cè)。測(cè)厚系統(tǒng)與工件表面自適應(yīng)貼合效果好，厚度測(cè)量耦合成功率達(dá)100%，驗(yàn)證了自動(dòng)測(cè)厚系統(tǒng)替代傳統(tǒng)人工對(duì)工件厚度檢測(cè)的可行性，為回轉(zhuǎn)體工件的自動(dòng)化測(cè)厚提供了解決方案。

表2 典型回轉(zhuǎn)件厚度測(cè)量結(jié)果 mm