為了提高自由曲面等元件的加工質(zhì)量，需要對制造過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行評估，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差，從而反饋給后續(xù)加工工序。特別是在不從機(jī)床上卸載工件的情況下進(jìn)行的在位測量(OMM)，可以消除坐標(biāo)損失帶來的誤差。近年來，采用激光位移傳感器的激光三角測量OMM(LTOMM)，是機(jī)械探頭之外新發(fā)展起來的在位測量技術(shù)。
來自南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的DaweiDing等人提出了一種LTOMM誤差模型和一種在設(shè)定精度約束下提高效率的路徑規(guī)劃方法。利用生成的路徑，采用三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)、OMM探頭和LTOMM對自由曲面渦輪葉片進(jìn)行檢測，以評估各自的精度和效率。文章題為“Error Modeling and Path Planning for Freeform Surfaces by LaserTriangulation On-Machine Measurement”發(fā)表在“IEEETransactions on Instrumentation and Measurement”雜志。
圖1. 激光束校準(zhǔn)誤差。(a)誤差校準(zhǔn)原理圖。(b)誤差導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)球測量偏差。
誤差方面，文章以Cook–Torrance(C-T) 照明模型，分析了傾角、位移和粗糙度的誤差影響，并以標(biāo)準(zhǔn)球校準(zhǔn)激光光束的指向性誤差，如圖1所示。在誤差模型驗(yàn)證過程中，還考慮了溫度、濕度、預(yù)熱時(shí)間、被測表面顏色的影響。
圖2. 自由曲面測量角度和位移約束下的LTOMM路徑規(guī)劃。
路徑規(guī)劃方面。為了提高測量精度，需要對激光位移傳感器進(jìn)行詳細(xì)的路徑規(guī)劃，通過調(diào)整入射角和掃描位移來滿足要求。當(dāng)測量精度給定時(shí)，可以計(jì)算出測量角度和位移的工作閾值。LTOMM的路徑規(guī)劃可以簡單地描述為:1)分析總測量誤差;2)將總誤差劃分到各個(gè)分量誤差;3)計(jì)算測量的角度閾值和位移閾值;4)調(diào)整工件位置，直至角度平分線平行于激光束;5)將各個(gè)分段的規(guī)劃路徑進(jìn)行連接。如圖2所示。
規(guī)劃的路徑主要有直線型路徑和輪廓型路徑兩種，它們的測量精度和效率各不相同。傳感器在基于直線型路徑上以特定的方向掃描，而在基于輪廓型路徑上，它以不變的位移沿輪廓移動?；谥本€路徑的誤差隨著測量角度和位移的增大而增大；而基于輪廓路徑的測量誤差不受測量角度的影響，測量誤差小于5 μm，在精度上具有優(yōu)勢。采用基于直線和基于輪廓的路徑測量一個(gè)剖面所需時(shí)間分別為20 s和42 s。因此，兩種路徑的測量精度和效率不同，這將決定它們在生產(chǎn)線上的應(yīng)用;粗掃描采用更有效的路徑，而最終檢測采用更精確的路徑。
圖3.用于加工工件輪廓測量的儀器配置。(a)自主研發(fā)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。(b) OMM采用機(jī)械探頭。(c)采用激光三角位移傳感器。
為了驗(yàn)證所提出的自由曲面測量方法，在車銑加工中心使用機(jī)械探頭和激光位移傳感器測量探頭，使用如圖3所示的配置。在實(shí)施在位測量之前，先對機(jī)械探頭和激光位移傳感器探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，并使激光位移傳感器預(yù)熱到穩(wěn)定的溫度。被測對象葉片型線先通過三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量，確定測量參考基準(zhǔn)。隨后，通過機(jī)械探針和激光位移傳感器探頭進(jìn)行在位測量，測量值與三坐標(biāo)的基準(zhǔn)值進(jìn)行對比進(jìn)行性能評估。
沿著基于葉片輪廓線的路徑，激光位移傳感器探頭測量的正負(fù)平均誤差分別為+8.9和?9.9 μm，滿足10 μm約束精度的前提。采用該路徑完成測量所需時(shí)間為339 s，而采用內(nèi)置機(jī)械探頭所需的測量時(shí)間為1500 s。因此，采用激光位移傳感器探頭的測量時(shí)間顯著減少了77.4%。