基于反射法的推力室激光掃描測(cè)量技術(shù)研究

王新永 郭力振 陳旭輝 徐 亮 韓 軍 宋 楠 陳道勇

(1.航天材料及工藝研究所，北京100076；2.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076)

1 引言

推力室身部是決定航天器發(fā)動(dòng)機(jī)性能與助推矢量精度的重要部件，一般采用旋壓工藝加工而成。此類薄壁結(jié)構(gòu)件加工形位精度控制難度大，其中身部同軸度與垂直度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一[1]，該指標(biāo)的測(cè)量問題一直未能得到很好的解決，一般的測(cè)量方法有非接觸式與接觸式兩種。

影像式測(cè)量屬于非接觸式測(cè)量，一般采用工具顯微鏡，測(cè)量范圍小且僅為二維平面測(cè)量[2]，無法適應(yīng)推力室身部零件尺寸較大、回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)屬于接觸式測(cè)量設(shè)備，由于接觸式測(cè)頭而存在接觸力[3]，易對(duì)推力室身部此類薄壁結(jié)構(gòu)造成表面形變，影響測(cè)量結(jié)果，同時(shí)由于零件回轉(zhuǎn)腔體結(jié)構(gòu)限制，通常以測(cè)量零件外表面代替內(nèi)壁測(cè)量，因旋壓工藝的壁厚不均勻性，以外表面代替內(nèi)壁測(cè)量并不能如實(shí)反映內(nèi)壁面形，同時(shí)推力室身部表面涂層易因接觸式測(cè)量造成表面涂層劃傷，對(duì)產(chǎn)品造成損壞。

為避免引入接觸應(yīng)力的測(cè)量方式，解決大尺寸結(jié)構(gòu)件的測(cè)量遮擋問題，需要探索新的測(cè)量工藝原理。

本文提出基于反射法的激光掃描測(cè)量方法，即解決了接觸式測(cè)量受力較大問題，又可解決內(nèi)腔及遮擋類結(jié)構(gòu)掃描測(cè)量中因“移站”帶來的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化誤差問題。

2 測(cè)量原理

激光掃描測(cè)量為非接觸測(cè)量方式，對(duì)被測(cè)物體表面沒有破壞和影響[4]。為解決推力室身部尺寸較大、薄壁結(jié)構(gòu)且存在內(nèi)腔測(cè)量要求的測(cè)量難點(diǎn)，探索應(yīng)用反射法激光掃描測(cè)量。

2.1 激光掃描測(cè)量

激光掃描測(cè)量方式通過接收照射在工件表面并反射回的調(diào)制激光信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，該方法不接觸工件，可以設(shè)置掃描區(qū)域和測(cè)量點(diǎn)間距，測(cè)量的數(shù)據(jù)量大，形成由大量測(cè)量點(diǎn)組成的點(diǎn)的集合，即點(diǎn)云[5]。點(diǎn)云反映了物體被測(cè)形面的輪廓，可以用作形面的擬合或逆向。某形面的點(diǎn)云測(cè)量示意如圖1所示。

圖1 激光掃描點(diǎn)云示意圖Fig.1 A schematic diagram of a laser scan point cloud

2.2 反射法

反射法是在被測(cè)工件的另一側(cè)放置一個(gè)反射鏡，儀器通過反射鏡可以觀測(cè)到工件被遮擋部分在反射鏡中的虛像。測(cè)量激光通過平面反射鏡對(duì)光路的反射，來對(duì)被遮擋部分進(jìn)行測(cè)量。

反射法測(cè)量原理如圖2所示。反射法測(cè)量首先要確定反射鏡的位置，利用一個(gè)測(cè)量球靶標(biāo)放置于鏡前，使其在平面鏡內(nèi)的成像也可被激光雷達(dá)掃描儀觀測(cè)到，利用激光雷達(dá)掃描儀測(cè)量球靶標(biāo)可得到測(cè)量球坐標(biāo)P1={x1，y1，z1}，然后再通過反射鏡測(cè)量球靶標(biāo)的虛像，可以得到該虛像的坐標(biāo)P2={x2，y2，z2}，求出兩坐標(biāo)中點(diǎn)坐標(biāo)P0即為反射鏡平面所在位置，兩點(diǎn)坐標(biāo)連線方向即表示反射鏡的法向方向。這樣就得到兩個(gè)特征參量，在對(duì)工件測(cè)量測(cè)得被測(cè)工件虛像坐標(biāo)A2后，虛像坐標(biāo)點(diǎn)到對(duì)應(yīng)工件坐標(biāo)點(diǎn)連線方向平行于法向，而且兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)與P1P2中點(diǎn)連線方向垂直于法向，根據(jù)兩個(gè)已知的特征參量和測(cè)得的虛像點(diǎn)坐標(biāo)可求解出被測(cè)工件實(shí)際坐標(biāo)值。

圖2 反射法原理示意簡(jiǎn)圖Fig.2 Illustrative diagram of reflectance principle

3 測(cè)量工藝步驟

3.1 基準(zhǔn)面獲取

采用基準(zhǔn)面模擬法，用精度等級(jí)高的花崗巖平臺(tái)臺(tái)面來模擬燃燒室段端面。將推力室身部的燃燒室端面與平臺(tái)貼合，激光雷達(dá)掃描儀測(cè)量花崗巖平臺(tái)臺(tái)面，進(jìn)而模擬燃燒室段端面。

3.2 形面直接掃描

激光三維形貌測(cè)量?jī)x通過激光絕對(duì)測(cè)距，配合俯仰角方位角測(cè)量，得到空間測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，采用非接觸、掃描測(cè)量的方式。在儀器的測(cè)量坐標(biāo)系下，由激光三維形貌測(cè)量?jī)x對(duì)儀器視野內(nèi)形面進(jìn)行掃描測(cè)量。

3.3 反射法測(cè)量

由于推力室身部為回轉(zhuǎn)體，測(cè)試設(shè)備固定于一個(gè)測(cè)量工位無法測(cè)量整個(gè)工件的表面。對(duì)于此類工件的測(cè)試，常規(guī)方法一般采用“移站”測(cè)量方式。

利用儀器先測(cè)量工件可見的部分，然后移動(dòng)儀器到工件的另一側(cè)測(cè)量剩下的部分。當(dāng)儀器移動(dòng)后，其測(cè)量坐標(biāo)系發(fā)生變化，那么“移站”前后測(cè)得數(shù)據(jù)不在相同坐標(biāo)系下，必須進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)接，將兩個(gè)位置的坐標(biāo)系通過轉(zhuǎn)換到相同坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)對(duì)被遮擋目標(biāo)在同一坐標(biāo)系下的測(cè)量，然而坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)接需要建立公共基準(zhǔn)，此種方法優(yōu)點(diǎn)是直接利用現(xiàn)有條件解決測(cè)量問題，缺點(diǎn)是效率較低，測(cè)量精度由于坐標(biāo)系多次轉(zhuǎn)換而降低[6]。

相比“移站”方法，采用反射法測(cè)量的所有測(cè)量工作是在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行的，反射鏡位置標(biāo)定時(shí)間短于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)接時(shí)間，效率高。一般被測(cè)目標(biāo)較大時(shí)，平面反射鏡也應(yīng)隨之增大，即可使鏡像測(cè)量范圍增大。

其測(cè)量工藝如圖3所示。由于噴管延伸段為回轉(zhuǎn)體，必然有一部分儀器無法直接觀測(cè)到，采用反射鏡輔助測(cè)量。通過參照物的測(cè)量設(shè)置，儀器可以確定反射鏡的位置。

掃描激光經(jīng)過反射鏡反射可以掃描到推力室身部被遮擋的部分，相當(dāng)于儀器通過掃描被遮擋形面的鏡像進(jìn)行直接測(cè)量。因此，用反射法就可以實(shí)現(xiàn)儀器單一工位的測(cè)量，有效提高測(cè)量效率和測(cè)量精度。

3.4 數(shù)據(jù)分析

按照推力室身部的形狀理論方程對(duì)推力室身部的測(cè)量點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

將擬和的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出推力室身部軸線相對(duì)身部燃燒室段基準(zhǔn)的同軸度和對(duì)端面的垂直度[7，8]。

圖3 反射法測(cè)量工藝圖Fig.3 Process diagram of reflectance measurement

3.5 測(cè)量結(jié)果

掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)及處理如圖4所示。

圖4 測(cè)量比對(duì)分析Fig.4 Measurement comparison analysis

將反射法激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)分析結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果對(duì)比表Tab.1 Comparison of measurement results mm

反射法激光掃描測(cè)量方式的同軸度測(cè)量一致性優(yōu)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。初步分析，原因?yàn)榉墙佑|式測(cè)量方式與三坐標(biāo)測(cè)量相比，無探頭物理接觸，對(duì)弱剛度部件不產(chǎn)生局部接觸力，從而無零件變形引入的偏差。

由于數(shù)據(jù)處理方法為多截面選取，兩種測(cè)量方式的垂直度測(cè)量結(jié)果相近。通過此項(xiàng)對(duì)比，也可說明反射法激光掃描測(cè)量方式的整體測(cè)量精度與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量相當(dāng)，本零件所采用的測(cè)量方法完全適用。

4 結(jié)束語

本文采用反射激光掃描法探索研究了推力室身部零件的形位尺寸測(cè)量方案。通過非接觸式測(cè)量避免了弱剛度零件在測(cè)量中因外力導(dǎo)致變形而產(chǎn)生偏差。利用反射測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了形面零件的形位尺寸的直接、快速測(cè)量，避免了傳統(tǒng)“移站”法引入坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換而降低精度的問題。

反射測(cè)量方法為零件尺寸光學(xué)掃描檢測(cè)存在的遮擋問題提供了解決方法，后續(xù)可通過布局反射鏡、設(shè)置鏡面尺寸等設(shè)置，解決大量零件內(nèi)腔的測(cè)量需求。該測(cè)量方法可推廣應(yīng)用于其他大尺寸、弱剛度、存在遮擋特征的類似產(chǎn)品的幾何尺寸測(cè)量中。