高精度平面構件平面度及壁厚非接觸測量裝置研制

毛強　蔣志強

摘要：為實現純鉛、純錫等軟質金屬平面構件平面度及壁厚的高精度、非接觸式無損測量，本文提出一種基于雙激光位移傳感器的非接觸式測量方法，采用CL-3000型雙激光位移傳感器以及高精度兩維氣浮運動平臺構建了非接觸測量裝置，基于Qt開發環境和MATLAB程序，開發了運動控制與平面度、壁厚測量數據采集、處理程序。與三坐標測量比對結果表明，研制的非接觸測量裝置能夠滿足軟質金屬材料平面構件平面度及壁厚的高精度非接觸式測量需求。

關鍵詞：平面構件；平面度；壁厚；非接觸測量；不確定度分析

中圖分類號：TH-39?????????????????????????? 文獻標志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.010

文章編號：1006-0316 （2023） 08-0069-06

Development of a High-Precision Non-Contact Measurement Device for Flatness andWall Thickness of Planar Components

MAO Qiang，JIANG Zhiqiang

（ Institute of Mechanical Manufacturing Technology， China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999， China ）

Abstract：In order to realize the high-precision， non-contact and non-destructive measurement of flatness and wall thickness of soft metal planar components such as pure lead and pure tin， a non-contact measurement method based on dual laser displacement sensor is proposed in this paper. A non-contact measuring device is constructed by using CL-3000 dual laser displacement sensor and a high-precision two-dimensional air floating motion platform. Based on Qt development environment and MATLAB program， we developed the motion control， flatness and wall thickness measurement data acquisition， and processing program. The comparison results with CMM show that the non-contact measuring device can meet the high-precision non-contact measuring requirements for the flatness and wall thickness of soft metal planar components.

Key words：planar components；flatness；wall thickness；non-contact measurement；uncertainty analysis

由純銅、純鋁、純錫等軟質純高塑性金屬材料加工形成的高精度薄壁平面零件，常用于材料斷裂力學性能測試等實驗，其平面度、壁厚以及表面質量等技術參數，對該類實驗結果具有重要影響。針對該類構件，通常采用超精密切削方式進行加工，而如何對其平面度、壁厚等技術參數進行精確測量與表征，對于提高構件制造質量進而提升物理實驗的置信度具有重要意義^[1-7]。

當前，三坐標測量機（Coordinate Measuring Machine，CMM）是應用最廣泛的測量裝備，具有較高的效率與精準度，可以準確得出平面構件平面度及壁厚等參數。但對于經過超精密加工的軟質平面構件，基于三坐標的接觸式測量方式，在接觸力的作用下會劃傷工件表面，從而影響后續的物理實驗。采用動態激光干涉儀可以實現平面構件平面度的非接觸式測量，但無法用于厚度測量^[8-9]。因此，本文針對上述軟質金屬平面構件平面度及壁厚的高精度測量需求，提出一種基于雙激光位移傳感器的非接觸式測量方法，進行非接觸測量裝置的總體結構設計并完成裝置構建，基于研制的裝置，進行了平面構件平面度和壁厚的測試試驗。

1 非接觸測量裝置總體設計

1.1 軟質金屬平面構件技術要求

物理實驗常用的純錫、純銅等軟質金屬平面構件直徑≤Φ200 mm、壁厚≤5 mm，平面度誤差≥3 μm、壁厚測量誤差≤5 μm。

1.2 非接觸測量裝置結構設計

為實現軟質金屬平面構件平面度、壁厚的測量，設計的平面構件非接觸測量裝置總體方案如圖1所示，主要由xy方向移動平臺及驅動系統、兩個高精度非接觸式激光位移傳感器、數據采集與分析軟件三部分組成。為減小地面振動等環境因素對測量結果的影響，將移動平臺及激光位移傳感器放置于氣浮平臺。待測工件安裝在x軸上，隨xy軸移動，兩個激光位移傳感器固定安裝在氣浮平臺上，通過xy軸的平移運動，實現工件上下表面平面面型及厚度數據的測量，將工件xy坐標信息以及傳感器測得的z向坐標信息進行關聯處理，進而完成平面構件平面度與壁厚的計算與分析。

1.3 非接觸測量裝置運動及測量組件選擇

根據待測平面構件的尺寸大小及精度要求，擬采用WFTS-250x250 XY型氣浮平臺作為本測量系統xy向移動組件，xy軸行程范圍均為250 mm，定位精度為±1 μm，重復定位精度為±0.5 μm，直線度誤差為±1 μm，最大可承載工件質量為20 kg，能夠滿足平面構件平面度及厚度測量對xy軸運動精度的技術需求。

選用CL-3000型高精度非接觸式激光位移傳感器。這是一種無需選擇安裝方法、場所、用途的超小型激光同軸位移計，采用直上直下的測量方法，可高精度測量曲面、凹坑等。采用專用夾具和PC軟件上的光軸調整功能，可準確調整光軸，實現在雙頭對射厚度測量時具有高精度測量能力。在測量高度為30±3.7 mm時，測量分辨率為0.25 μm，能夠滿足平面構件對平面度及厚度測量誤差的技術需求。

1.4 驅動及數據采集程序的集成設計

設計的非接觸測量裝置主要由xy運動軸以及z向雙激光位移傳感器兩部分組成，需要將xy運動軸的控制系統和激光位移傳感器的采集數據集成到一個系統中，進行運動控制、數據采集。因此，基于Qt6.0.0開發環境并結合MATLAB程序，開發了運動控制與數據采集程序，并對采集的數據進行分析，進而獲得平面構件的平面度和壁厚誤差。集成流程如圖2所示，為：根據待測工件大小，啟動程序控制移動平臺與激光位移傳感器開始測量。按逐行掃描的策略輸入合適的xy軸移動參數，并對激光位移傳感器的輸出數據進行采集。在待測區域內，程序會按固定間距進行采樣，并實時判斷是否滿足參數條件，在滿足參數條件后會對該點的高度數據進行采樣并記錄。由程序自動控制完成整個設定區域的數據采集。

根據總體設計思路以及選擇的運動與測量部件，設計的非接觸式平面構件平面度、厚度測量系統實物如圖3所示。

2 非接觸測量裝置數據采集及試驗

2.1 平面構件平面度測量流程及數據采集

為保證測量精度，需要對激光位移傳感器進行精確對焦。測量時，將工件安裝在xy軸上的固定夾具上，移動xy軸，采用逐點掃描方式進行面型測量。根據上述測量方式，采集到的數據為一個矩形區域。由于構件的結構特征為圓形薄壁構件，需要判斷采集到的數據是否在工件實際范圍之內。因此需要在確定工件圓心的基礎上，判斷采集到的數據點是否符合構件的尺寸及結構特征要求，即：

在對所測數據進行修正的基礎上，需要校驗保留的數據，檢查是否出現因測量導致的異常數據，計算測量數據高度的平均值與標準差，并舍去所有超出數據平均值三倍標準差的數據，只保留在誤差范圍內的數據。

根據上述方法，完成數據的校驗后需要將處理后的數據進行插值與均化，使其從離散的點圖生成連續的平面圖，并最后將其測量到的高度差以顏色的方式表示出來，如圖5所示。

2.2 平面構件壁厚測量流程及數據采集

壁厚測量為平面度測量方式的拓展，其基本測量流程是將兩個型號相同的激光位移傳感器相向放置在載物平面的對稱位置，設置好焦距，使兩個位移傳感器的測量點重合。然后通過移動平臺移動工件使得待測工件多個點被傳感器測量其在不同方向上的偏移，將兩個方向上的位移數據相加即是該點的厚度數據。通過該方法測量工件多個點的壁厚數據即可計算出整個工件的壁厚狀況。

3 試驗驗證及誤差分析

3.1 平面度誤差測量與驗證

將一件經過超精密加工的直徑120 mm圓形純銅薄壁件通過本測量裝置進行測量，其結果與司看科技AM-CELL C200型三坐標測量結果相互驗證，以此驗證本測量裝置精度能否滿足超精密加工薄壁件平面度及壁厚的測量需求。通過平面放置在兩種測量裝置測量臺上直接測量的方式，來避免夾具與裝夾方式不同對工件造成的變形影響測量，如圖6所示。

對兩個相同工件分別使用三坐標測量儀與本實驗裝置進行測量。測量工件為直徑120 mm的純銅圓形薄壁件，測量方式為沿中軸線等間隔采集數據繪圖。測量結果如圖7所示?？梢钥闯?，本裝置與三坐標測量儀平面度測量結果總體一致，但仍存在一定不同。經過計算得到，本裝置測得平面度為0.0101，三坐標測量儀測得平面度為0.0095，相差0.0006。本裝置測量結果與三坐標測量儀結果相比，本裝置選取的基準平面更低，因此總體測量結果數值偏高但反應的面型仍然一致。且根據測量到的數據，測量結果不是最平坦狀態，與真實數據存在一定的偏差。但本裝置可以反應整體的面型情況，在不要求超高精度的測量時，可以替代三坐標測量儀進行平面度測量。

3.2 壁厚誤差測量與驗證

對同一直徑120×5 mm的純銅平面構件，分別使用本裝置以及三坐標測量儀沿同一直徑進行對比測量。本裝置測量方式如圖6所示，三坐標測量儀測量時，將該平面構件立式裝夾，通過移動測頭測量兩個表面的對應點位，進而獲得構件的壁厚。測量結果如圖8所示，可以看出，兩種測量方式下的壁厚誤差具有相同規律。將兩種測量方式所得厚度結果相減得到誤差結果如圖9所示，其最大誤差范圍為±2 μm，可知本裝置能夠滿足平面構件的測量需求。

3.3 誤差分析

4 結語

本文研制了一種基于雙激光位移傳感器的非接觸測量裝置，可以實現直徑≤Φ200mm、壁厚≤5 mm平面構件平面度及壁厚的非接觸式測量、可視化數據表示以及誤差評定。

該裝置與三坐標測量儀平面度測量結果間的誤差為0.6 μm，測量不確定度為1.17 μm，壁厚測量誤差最大為1.8 μm，平均誤差為0.8 μm，測量不確定度為0.15 μm，滿足平面度及壁厚的高精度非接觸測量需求。

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