邱 益，張康寧，梁 杰

(鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

鉆孔是一種典型的機(jī)械加工工藝，其加工過(guò)程產(chǎn)生的毛刺會(huì)影響加工件的性能。快速精確地測(cè)量出毛刺的幾何形貌，有助于優(yōu)化鉆孔工藝[1]。目前毛刺檢測(cè)方法可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量易用低成本的硬件實(shí)現(xiàn)，但效率低，同時(shí)由于接觸力會(huì)改變毛刺的形狀，故很難測(cè)量到毛刺的真實(shí)高度[2]。文獻(xiàn)[3]利用錐光全息測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了孔毛刺高度的測(cè)量。文獻(xiàn)[4]等利用激光顯微鏡測(cè)量了孔毛刺高度和毛刺選定區(qū)域的形貌。文獻(xiàn)[5]等利用圖像處理技術(shù)搭建了測(cè)量毛刺高度的系統(tǒng)，測(cè)量精度為50 μm?，F(xiàn)有通過(guò)專用設(shè)備的非接觸式測(cè)量模式不能實(shí)現(xiàn)對(duì)孔全域的毛刺高度及形貌的綜合測(cè)量，并且專用設(shè)備輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)毛刺高度的計(jì)算和形貌展示。

隨著測(cè)量精度、采樣點(diǎn)數(shù)和采樣速度的提升，線激光位移傳感器被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量[6-9]。本文基于線激光位移傳感器設(shè)計(jì)了一套孔毛刺測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)安裝在立柱上的線激光位移傳感器協(xié)同帶絕對(duì)編碼器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密位移滑臺(tái)掃描獲取整個(gè)孔邊緣輪廓數(shù)據(jù)，針對(duì)每次采樣的線掃描數(shù)據(jù)提出了一種毛刺高度檢測(cè)算法，并且通過(guò)對(duì)點(diǎn)云的三維擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了孔毛刺的幾何形貌展示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及誤差分析

1.1 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要包括數(shù)據(jù)采集裝置、線激光控制器、上位機(jī)等部分。由數(shù)據(jù)采集裝置獲取待測(cè)孔的輪廓信息，并通過(guò)線激光控制器與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2為數(shù)據(jù)采集裝置的實(shí)物圖。數(shù)據(jù)采集裝置主要由LJ-G030線激光位移傳感器、帶有絕對(duì)編碼器的步進(jìn)電機(jī)和精密位移滑臺(tái)組成，LJ-G030線激光位移傳感器Z軸高度的再現(xiàn)性為1 μm，精密位移滑臺(tái)的最小步進(jìn)距離為0.01 mm。

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)物圖

1.2 測(cè)量誤差分析

1.2.1 雜散光誤差影響

雜散光指的是在實(shí)際測(cè)量中激光接收器捕獲到除被測(cè)表面以外反射回的光線[10],主要分為底面雜散光和側(cè)面雜散光，如圖3所示。底面雜散光是由于線激光照射到孔底面時(shí)，一部分光線會(huì)經(jīng)孔壁反射到激光接收器。側(cè)面雜散光是由于線激光傾斜時(shí)照射到孔壁，此時(shí)會(huì)反射到孔底面被接收器接收。因此，底面雜散光和側(cè)面雜散光都是采集到被測(cè)表面以外的光線從而影響測(cè)量結(jié)果。根據(jù)前期試驗(yàn)，本系統(tǒng)通過(guò)在待測(cè)孔里填充白色柔性紙消除雜散光的不利影響。

1.2.2 線激光傾斜誤差

理想情況下線激光應(yīng)垂直待測(cè)工件入射，但是傳感器在安裝過(guò)程中會(huì)不可避免地發(fā)生傾斜，導(dǎo)致入射光線與待測(cè)工件產(chǎn)生傾角α，如圖4所示。根據(jù)測(cè)量原理，實(shí)際測(cè)量值y將大于理論值x，因此產(chǎn)生測(cè)量誤差，并且對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的精度有直接影響?？梢杂?jì)算得出由傾角α產(chǎn)生的誤差為

E=y-x=y(1-cosα)

(1)

(a)底面雜散光

(b)側(cè)面雜散光圖3 雜散光影響

圖4 豎直方向傾角造成的誤差

為了消除傾斜誤差的影響，可以計(jì)算出傾斜系數(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)：先后選取2個(gè)厚度分別為D、d的標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行測(cè)量，傳感器的讀數(shù)分別為y1和y2，并且由此計(jì)算出傳感器安裝的傾斜系數(shù):

(2)

根據(jù)計(jì)算得出傾斜系數(shù)，通過(guò)傳感器配套的控制器來(lái)設(shè)置傳感器參數(shù)，以此校準(zhǔn)由于安裝帶來(lái)的測(cè)量誤差。

2 孔毛刺測(cè)量方法

測(cè)量時(shí)精密位移滑臺(tái)以速度v勻速移動(dòng)，傳感器按照一定的頻率進(jìn)行采樣。針對(duì)每次采樣的線掃描原始數(shù)據(jù)提出了一種毛刺高度的計(jì)算方法。定義激光線所在直線為X軸，位移平臺(tái)移動(dòng)方向?yàn)閅軸，激光線的發(fā)射方向?yàn)閆軸。

2.1 毛刺高度檢測(cè)算法

將線激光位移傳感器某次線掃描信息分為2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Qi(xi,yi)和{Qj(xj,yj)}，在對(duì){Qj(xj,yj)}部分進(jìn)行計(jì)算時(shí)，先將點(diǎn)集中的x坐標(biāo)倒序存放，經(jīng)過(guò)檢測(cè)與計(jì)算后再還原。針對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Qi(xi,yi)}計(jì)算毛刺高度，計(jì)算步驟如下：

第一步：截取毛刺輪廓。根據(jù)采集的原始數(shù)據(jù)設(shè)定閾值k(k值由被測(cè)材料表面粗糙度決定，可觀察原始數(shù)據(jù)得出)，若yi+3-yi>k，則令u=yi，如果yi>u，則將數(shù)據(jù)點(diǎn)存入新的集合{Qb(xb,yb)}，即為提取出的毛刺輪廓。圖5為被測(cè)孔某次掃描的輪廓圖，圖6為截取出的毛刺輪廓圖。

圖5 被測(cè)孔某次掃描的輪廓圖

圖6 算法檢測(cè)出的毛刺輪廓圖

第二步：求解平面高度。對(duì)于原始的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Qi(xi,yi)}，將沒(méi)有達(dá)到閾值k之前的數(shù)據(jù)點(diǎn)存入一個(gè)數(shù)據(jù)集合{Qu(xu,yu)}，并計(jì)算yu的平均值A(chǔ)，將A定義為被測(cè)件的平面高度。

第三步：提取波峰。針對(duì)截取的毛刺輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Qb(xb,yb)}，如果yb>yb-1且yb

第四步：計(jì)算毛刺高度。毛刺高度H為波峰與平面高度之差，見(jiàn)圖7，即

H=ymax-A

(3)

根據(jù)獲取的待測(cè)孔每次掃描的毛刺高度數(shù)據(jù)，便可進(jìn)一步計(jì)算得出孔毛刺平均高度。

圖7 毛刺高度計(jì)算示意圖

2.2 毛刺的幾何形貌展示

精確地測(cè)量出毛刺的幾何形貌，對(duì)鉆孔工藝參數(shù)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。為展現(xiàn)出毛刺的幾何形貌，需要對(duì)上述毛刺高度數(shù)據(jù)進(jìn)行孔全域可視。線激光位移傳感器X向的采樣點(diǎn)數(shù)為800，通過(guò)相鄰采樣點(diǎn)的距離s(傳感器固有值)確定X方向的坐標(biāo)值；通過(guò)滑臺(tái)的移動(dòng)速度v和線激光的采樣頻率可得出2次采樣之間的間距d，以此確定Y方向的坐標(biāo)值。至此即可實(shí)現(xiàn)孔周圍輪廓的三維坐標(biāo)的獲取，其測(cè)量過(guò)程和數(shù)據(jù)可視化如圖8所示。

(a)測(cè)量過(guò)程

(b)毛刺的三維可視化圖8 毛刺測(cè)量和數(shù)據(jù)的三維可視化

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

重復(fù)度測(cè)試使用本系統(tǒng)對(duì)3個(gè)孔的出口毛刺平均高度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試樣品材質(zhì)為Q235鋼。對(duì)每組樣品分別進(jìn)行20次測(cè)量實(shí)驗(yàn)，為避免光照影響，測(cè)量在沒(méi)有日光直射的環(huán)境中進(jìn)行。系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可知，第1個(gè)樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為74.79～75.71 μm，第2個(gè)樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為63.61～64.46 μm，第3個(gè)樣品求得的毛刺平均高度的變化范圍為69.49～70.39 μm，系統(tǒng)的重復(fù)性測(cè)量誤差<1 μm，具有很好的穩(wěn)定性。

表1 3個(gè)樣品測(cè)量數(shù)據(jù) μm

準(zhǔn)確度測(cè)試使用NPFLEX三維形貌儀、千分表和本測(cè)量系統(tǒng)同樣對(duì)上述3個(gè)樣品分別進(jìn)行測(cè)量，由于使用千分表會(huì)對(duì)毛刺造成一定程度的破壞，因此測(cè)量時(shí)首先使用三維形貌儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在使用千分表測(cè)量時(shí)，選取孔邊緣4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量然后取平均值作為待測(cè)孔出口處的毛刺平均高度。使用三維形貌儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)相同的4個(gè)區(qū)域進(jìn)行拍攝，然后選取4個(gè)區(qū)域的毛刺高度均值作為待測(cè)孔出口的平均毛刺高度，3組測(cè)量毛刺平均高度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 3種方法測(cè)量值對(duì)比 μm

由表2可知，千分表的測(cè)量值小于三維形貌儀與線激光的測(cè)量值，這主要是因?yàn)榍Х直頌榻佑|式測(cè)量，測(cè)量過(guò)程的接觸力引發(fā)了毛刺壓縮變形。線激光與三維形貌儀的測(cè)量差異可歸結(jié)為采樣點(diǎn)數(shù)的不同，即三維形貌儀在測(cè)量時(shí)只選取了4個(gè)點(diǎn)的毛刺高度進(jìn)行測(cè)量，而本系統(tǒng)對(duì)孔全域進(jìn)行了掃描測(cè)量。由2個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，線激光測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)度和準(zhǔn)確度均可滿足毛刺高度的測(cè)量需求。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有通過(guò)專用設(shè)備的非接觸式測(cè)量模式不能實(shí)現(xiàn)對(duì)孔全域的毛刺高度及形貌的綜合測(cè)量，提出基于線激光位移傳感器的孔毛刺檢測(cè)方法，基于該方法搭建了測(cè)量平臺(tái)，并對(duì)測(cè)量過(guò)程的誤差來(lái)源進(jìn)行了分析和解決，進(jìn)一步提出了毛刺高度測(cè)量算法，最后對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)度和準(zhǔn)確度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性好、測(cè)量精度高，能夠滿足孔毛刺的精密測(cè)量和形貌展示。