鄭 杰 陳志剛 文 學(xué) 朱梅玉 劉志輝 朱科軍

（1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，邵陽(yáng) 422000；2.高效動(dòng)力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，邵陽(yáng) 422000）

薄壁筒旋壓成形過(guò)程中，相應(yīng)的外徑、內(nèi)徑、長(zhǎng)度及壁厚都是時(shí)變的狀態(tài)。壁薄、易變形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)增加了制造過(guò)程中尺寸精度控制的難度，同時(shí)為薄壁筒成形精度的檢測(cè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在薄壁筒形件的成形精度檢測(cè)中，因接觸式檢測(cè)方式易造成工件變形無(wú)法得到真實(shí)的輪廓數(shù)據(jù)，促使非接觸式檢測(cè)方式逐漸受到研究學(xué)者的青睞。譚志強(qiáng)等設(shè)計(jì)了薄壁筒形零件超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)薄壁藥筒金屬缺陷的在線、定量、定位自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)[1]。李邦義等將光柵投影到薄壁殼體上，并用電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機(jī)采集投影光柵，通過(guò)圖像處理得到工件圓度和外徑信息[2]。這兩種非接觸式檢測(cè)中超聲波法主要應(yīng)用于工件的探傷及壁厚檢測(cè)，而機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)受光照及景深問(wèn)題，對(duì)使用環(huán)境和工作場(chǎng)合的要求較高。結(jié)合薄壁筒形件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與測(cè)量需求，激光檢測(cè)成為一種有效的手段。SCHALK 等利用激光位移傳感器和集成現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），提出一種基于激光三角法的管道偏心測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)估算管道上切點(diǎn)的位置來(lái)估計(jì)管道的偏心度，并將其作為直線度的度量[3]。趙士磊等提出了一種激光非接觸式大尺寸內(nèi)徑自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，并與FARO 激光跟蹤儀測(cè)量結(jié)果比較，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)徑幾何參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量[4]。郝金超等提出了一種薄壁筒形零件徑向尺寸測(cè)量方法，使得薄壁筒壁厚的測(cè)量精度可達(dá)20 μm[5]。朱建杰等提出了一種基于激光三角法的高準(zhǔn)確度管狀物內(nèi)輪廓測(cè)量方法，打破了傳統(tǒng)定心測(cè)徑的桎梏，使得內(nèi)徑檢測(cè)結(jié)果誤差控制在±5 μm 范圍內(nèi)[6]。

關(guān)于筒形件的激光檢測(cè)主要采用點(diǎn)激光位移傳感器，單點(diǎn)激光旋轉(zhuǎn)掃描受回轉(zhuǎn)誤差的影響較大。結(jié)合薄壁筒形件的結(jié)構(gòu)特性和現(xiàn)有檢測(cè)方法，采用線激光位移傳感器可以減小回轉(zhuǎn)誤差，且更易于測(cè)量頭的定心流程。因此，以旋壓成形后的薄壁筒形件為研究對(duì)象，利用激光三角法原理，提出基于線激光位移傳感器的非接觸式激光檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 薄壁筒結(jié)構(gòu)特性與檢測(cè)方法

1.1 薄壁筒結(jié)構(gòu)特性

旋壓工藝由于其先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，廣泛用于薄壁筒形件成形。文章以旋壓成形后的薄壁筒形件為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)薄壁筒的靜應(yīng)力分析，對(duì)比薄壁筒臥式放置一端裝夾和兩端裝夾時(shí)受自重影響的靜應(yīng)力參數(shù)，為設(shè)計(jì)合理的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。薄壁筒仿真模型材質(zhì)選用普通碳鋼，設(shè)置薄壁筒壁厚為2 mm，長(zhǎng)為1 000 mm，內(nèi)徑為600 mm。薄壁筒一端固定裝夾的靜應(yīng)力分析圖，如圖1 所示。薄壁筒的最大應(yīng)力為5.97×105N·m-2，出現(xiàn)在薄壁筒左端裝夾固定區(qū)域；最大靜態(tài)位移為2.19×10-3mm，位于薄壁筒的右端；薄壁筒的最大應(yīng)變?yōu)?.82×10-6。薄壁筒兩端固定裝夾的靜應(yīng)力分析圖，如圖2 所示。薄壁筒的最大應(yīng)力為1.67×105N·m-2，出現(xiàn)在薄壁筒兩端裝夾固定區(qū)域；最大靜態(tài)位移為2.81×10-4mm，位于薄壁筒的中間；薄壁筒的最大應(yīng)變?yōu)?.71×10-7。對(duì)比分析兩者的靜態(tài)位移量、應(yīng)力、應(yīng)變值，當(dāng)采取兩端固定裝夾時(shí)，薄壁筒的最大靜態(tài)位移量由2.19×10-3mm降到2.81×10-4mm，相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變值都降低，薄壁筒的變形量更小，更利于檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 兩端裝夾的薄壁筒靜應(yīng)力分析圖

1.2 檢測(cè)方法

結(jié)合薄壁筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與測(cè)量需求，激光檢測(cè)因具有非接觸檢測(cè)、高精度、高速度、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，成為此類零件檢測(cè)的首選。激光三角法的工作原理如圖3 所示[7]，被測(cè)物體處于S0位置，激光光束經(jīng)過(guò)聚光透鏡垂直投射在H0位置，并在S0表面發(fā)生漫反射，其中一部分漫反射被成像透鏡匯聚到線陣CCD 的M0區(qū)域。如果被測(cè)物體產(chǎn)生從S0到S1的位移時(shí)，CCD上的成像點(diǎn)會(huì)從M0位移到M1。通過(guò)成像位移和實(shí)際位移之間的三角關(guān)系，可以計(jì)算出實(shí)際位移。

圖3 激光三角法原理

由幾何光學(xué)關(guān)系，可知

式中：A為H0的成像物距；B為H0的成像相距；α為入射光線H1H0與反射光線H0M0的夾角；β為反射光線H0M0與線陣CCD 成像面M0M1的夾角。

2 檢測(cè)裝置總體方案

結(jié)合檢測(cè)方法，檢測(cè)裝置的測(cè)量原理是通過(guò)柱面物鏡將激光擴(kuò)散為線激光，然后投射在目標(biāo)物表面形成漫反射，使反射光在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）上成像，隨后通過(guò)檢測(cè)位置和形狀的變化測(cè)量位移和形狀。檢測(cè)裝置的總體方案為線激光位移傳感器發(fā)出條狀的激光光束，每次可采集一條一定寬度的輪廓曲線，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)其沿筒身勻速軸向掃描，得到被測(cè)表面3 個(gè)維度的數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)軸向掃描流程完成后，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將傳感器頭帶回零點(diǎn)位置，通過(guò)伺服旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)傳感器頭旋轉(zhuǎn)一定角度，再沿筒身軸向?qū)Ρ砻娴南乱粚挾葏^(qū)域進(jìn)行勻速掃描。依次循環(huán)掃描，直到旋轉(zhuǎn)360°為止，完成對(duì)薄壁筒的整周輪廓測(cè)量。

3 檢測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)薄壁筒檢測(cè)裝置的測(cè)量方案，對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由機(jī)械傳動(dòng)組件、內(nèi)外測(cè)量臂組件、工件夾持組件以及支撐組件等組成。運(yùn)用SolidWorks 建立檢測(cè)裝置的三維模型，并對(duì)具體部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖4 檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)

3.1 傳動(dòng)組件設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)組件結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。傳動(dòng)組件主要由電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、磁力驅(qū)動(dòng)輪、磁力從動(dòng)輪、安裝板、環(huán)形導(dǎo)軌以及導(dǎo)軌滑塊等組成?？紤]檢測(cè)的輪廓數(shù)據(jù)涉及拼接，電機(jī)需準(zhǔn)確定位不能出現(xiàn)丟步或過(guò)沖現(xiàn)象，且要有較好的低頻振動(dòng)抑制和一定的轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。經(jīng)過(guò)綜合分析，傳動(dòng)組件的電機(jī)采用伺服電機(jī)，搭配旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)精確控制旋轉(zhuǎn)角度。由于卡盤(pán)安裝環(huán)需與安裝板連接以固定夾持組件，傳動(dòng)軸無(wú)法通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)直接使外壁測(cè)量臂實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，外壁測(cè)量臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用磁力驅(qū)動(dòng)，磁力驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)磁力從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，磁力從動(dòng)輪機(jī)械連接測(cè)量臂通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)外壁測(cè)量臂實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖5 機(jī)械傳動(dòng)組件結(jié)構(gòu)

磁力傳動(dòng)是基于電磁學(xué)的基本理論，利用磁性物質(zhì)同性相斥、異性相吸的原理，通過(guò)磁耦合實(shí)現(xiàn)力和力矩的非接觸傳遞。為實(shí)現(xiàn)徑向同軸結(jié)構(gòu)的無(wú)接觸式同步動(dòng)力傳輸，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用主動(dòng)磁組件和從動(dòng)磁組件同心的圓環(huán)體結(jié)構(gòu)。磁力驅(qū)動(dòng)模型如圖6 所示，永磁鐵分別鑲嵌在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的圓周方向，采用徑向充磁。驅(qū)動(dòng)輪排列著與從動(dòng)輪相同數(shù)量的N、S 極，以確保兩輪的同步運(yùn)動(dòng)。當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在交互磁力矩影響下會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，從而帶動(dòng)從動(dòng)輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖6 磁力驅(qū)動(dòng)模型

3.2 測(cè)量臂組件設(shè)計(jì)

測(cè)量臂組件由導(dǎo)軌絲杠、絲杠電機(jī)、傳感器安裝支架和激光位移傳感器等組成。在絲杠電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，測(cè)量頭沿導(dǎo)軌絲杠勻速軸向掃描，獲取工件的輪廓數(shù)據(jù)，并傳輸給傳感器控制器?？紤]導(dǎo)軌絲杠的行程較長(zhǎng)，懸臂結(jié)構(gòu)的自重和測(cè)量頭運(yùn)行在不同位置會(huì)使測(cè)量臂產(chǎn)生形變，影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度。因此，測(cè)量臂采取兩端受力結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。內(nèi)壁測(cè)量臂右側(cè)通過(guò)連接板與連接桿連接。夾持組件可移動(dòng)三爪卡盤(pán)的軸心處安裝有活動(dòng)軸承。連接桿與活動(dòng)軸承裝配做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)測(cè)量臂起支撐作用。

圖7 內(nèi)壁測(cè)量臂組件結(jié)構(gòu)

3.3 夾持組件設(shè)計(jì)

夾持組件用以裝夾薄壁圓筒工件，結(jié)合薄壁筒的結(jié)構(gòu)特性，通過(guò)靜應(yīng)力分析薄壁筒采取兩端裝夾固定。夾持組件結(jié)構(gòu)由卡盤(pán)安裝環(huán)、左側(cè)的固定三爪卡盤(pán)、右側(cè)的可移動(dòng)三爪卡盤(pán)、兩向移動(dòng)滑臺(tái)、滑臺(tái)手動(dòng)轉(zhuǎn)柄、X軸滑動(dòng)導(dǎo)軌以及Y軸滑動(dòng)導(dǎo)軌等組成。工件裝夾時(shí)，先由左端的固定三爪卡盤(pán)固定工件的一端，然后通過(guò)滑臺(tái)手動(dòng)轉(zhuǎn)柄調(diào)節(jié)兩向移動(dòng)滑臺(tái)至合適的位置，使右端可移動(dòng)三爪卡盤(pán)固定夾持工件。

3.4 支撐組件設(shè)計(jì)

支撐組件承擔(dān)整個(gè)檢測(cè)裝置的全部重量并保持工作臺(tái)處于平穩(wěn)狀態(tài)。支撐組件由支撐框架、底座腳架、主安裝板、電機(jī)安裝板和導(dǎo)軌安裝板組成。支撐框架下部設(shè)有4 個(gè)底座腳架，通過(guò)調(diào)整底座腳架保持工作臺(tái)的平穩(wěn)。主安裝板固定安裝在支撐框架上。電機(jī)安裝板與主安裝板固定連接，承托機(jī)械傳動(dòng)部件。導(dǎo)軌安裝板與主安裝板固定連接，承托軸向大導(dǎo)軌以及上面的夾持組件。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用SolidWorks 對(duì)薄壁筒檢測(cè)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合旋后薄壁筒壁薄、易變形的結(jié)構(gòu)特性，提出基于激光三角法的線激光位移傳感器檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了檢測(cè)裝置的整體方案。利用線激光位移傳感器的條狀線光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的點(diǎn)光源，能極大地提高數(shù)據(jù)采集的速度和效率。設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置可以同時(shí)掃描薄壁筒工件的內(nèi)外壁輪廓，簡(jiǎn)化了薄壁筒的檢測(cè)流程，提高了檢測(cè)效率。檢測(cè)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，可以解決旋后薄壁筒因自身柔性大、穩(wěn)定性差等成形特點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)方法不適用的問(wèn)題。