本发明专利技术属于测量技术领域，具体为一种薄壁壳体无损综合测量装置。该测量装置包括：传感器、运动机构、基座、龙门架；其中，传感器采用双头精密位移传感器，包括上测头和下测头的双测头测量；运动机构为七自由度机构，包括四个移动自由度机构以及三个转动自由度机构；该装置针对变曲率薄壁壳体，通过更换传感器，以用于不同的测量需求，包括，内轮廓测量、外轮廓的测量、全局表面缺陷的测量等，可实现大尺寸、高陡度、深内腔的薄壁壳体的形位误差（内外表面形状误差、壁厚）及全局表面缺陷的高精度测量。
【技术实现步骤摘要】
一种薄壁壳体无损综合测量装置
本专利技术属于测量
，具体涉及一种薄壁壳无损超精密测量装置。
技术介绍
大尺寸高陡度薄壁壳体，广泛应用于各个与领域，包括石油、电子、食品、医药、机械、建筑、化工核电、航空航天、军工国防等行业。图1所示为部分应用的实例。这种大尺寸、高陡度、深内腔的薄壁壳体的形位误差及表面缺陷测量一直是一个非常有挑战性的课题，目前尚无完善的测量解决方案。现有的表面轮廓测量仪和其他测量设备存在的不足有:接触式测量会对软质材料样件表面产生划伤破坏；难以实现高陡度的深内腔测量；测量精度不高；难以实现壁厚的精确测量；不适用于各种变曲率的壳体测量等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种无损伤、高精度的综合测量变曲率薄壁壳体的形位及表面缺陷的装置。本专利技术提供的综合测量装置，针对变曲率薄壁壳体，实现其形位误差（壳体厚度，内外表面形状误差）及表面微观形貌和缺陷的测量。为实现变曲率薄壁壳体的形位及表面缺陷测量，需要精密运动机构及控制，尤其是薄壁壳体的厚度测量，除了运动机构的精准度外，还要确保传感器沿样件表面的法线方向进行数据测量。测量装置结构示意图见图2所示。其包括：传感器、运动机构、测量系统基座7、龙门架4；其中，传感器采用双头精密位移传感器，即双测头测量：包括上测头11和下测头12；运动机构为七自由度机构，包括四个移动自由度机构：移动轴X31、移动轴Z132、移动轴Z281、移动轴W83，以及三个转动自由度机构：转动轴B133、转动轴B282、中空式气浮转台C5；传感器的上测头11安装于转动轴B133，转动轴B133安装于竖直移动轴Z132，而移动轴Z1安装于横向移动轴X31，移动轴X安装于龙门架4的顶部，龙门架4的下部固定于测量系统基座7；传感器的下测头12安装于移动轴W83，移动轴W安装于转动轴B282，转动轴B2安装于竖直移动轴Z281，移动轴Z281安装于测量系统的基座7；测量系统基座通常采用大理石基座；中空式气浮转台5包括气浮转台动子51和气浮转台定子52，中空式气浮转台5安装在转台支架6上，转台支架固定于龙门架4的中下部。当测量曲面薄壁壳体样件21时，将被测件21固定于中空式气浮转台5的转动台（即气浮转台的动子51上），通过精密数控，使上测头11和下测头12沿着被测件对应点的法向，并调整至测头的工作距离内，即可测量测头所对位置的薄壁的厚度值；然后气浮转台5带动被测件做转动，实现连续采样，从而测得薄壁壳体所对应的一圈厚度值；然后，上下测头沿曲面壳体的纬度方向移动一个既定距离，按上述流程测量，获得下一圈的薄壁壳体的厚度。依此类推，最后，即可测量得到整个曲面壳体全局范围内的厚度值。当测量平面薄壁样件22时，见图3，将下测头12逆时针调整90度，与移动轴W83垂直，而移动轴W83则通过转动轴B282调整至水平（与被测平面平行）；上测头11通过转动轴B133调整与被测平面薄壁样件22上表面垂直；调整上测头11和下测头12与被测件的距离到工作距离内，即可测量所对应位置的薄壁厚度值；随后，被测件由气浮转台5带动转动，从而测量一圈的厚度值；然后，上下测头沿着被测面按既定距离移动到下一个位置，按上述方式，测量下一圈的薄壁厚度；依此方法，可实现平面薄壁样件全局厚度的测量。本专利技术设计的综合测量装置，可实现同心圆、螺旋线以及旋转母线等测量策略及路径规划，如图4所示。而同心圆路径是本系统主要采用的测量方式。上述对曲面薄壁壳体及平面薄壁样件测量的方式，采用的即是同心圆的方式。其他两种测量规划，测量原理与同心圆方式类似，只是路径不同。因此，该测量装置可实现各种曲面壳体（包括变曲率、定曲率曲面、平面等）厚度的测量。由于测头采用的是非接触式位移传感器，因此相当于一个测距测头，结合精密部件运动的位置信息，可以获得被测件的轮廓数据信息，即空间位置坐标信息。此外，通过更换测头，例如红外干涉传感器，内测头更换为红外干涉传感器，可快速实现内轮廓测量；外测头更换为红外干涉法，并结合本专利技术的运动机构，通过数据拼接算法，可实现外轮廓的测量。若测头更改为其他局部测量传感器（微观放大成像或干涉），配合本专利技术的运动机构，可实现全局表面缺陷的测量等。所以，本装置系统不局限于测量厚度，但测量厚度是其典型应用之一。通过更换不同传感器，如上所述，基于本专利技术所提出的七自由度运动机构，可以测量被测件的形状、轮廓信息，以及表面缺陷等信息。特别的，本专利技术，可实现大尺寸、高陡度、深内腔的薄壁壳体的形位误差（内外表面形状误差、壁厚）及全局表面缺陷的高精度测量，尤其是在国防军工及其他高端领域都具有重要应用价值。测量有关算法对于软质材料的样件，为避免表面划伤带来测量误差以及对工件表面的破坏，采用高精度非接触式位移传感器（例如色散共焦位移传感器，电容式位移传感器等）进行非接触式测量。可采用双测头沿曲面法向测量壁厚；或利用单测头扫描测量得到内外表面轮廓形状。在进行误差评定方面，可利用数据融合和坐标匹配重构内外表面，并利用理想面形进行最佳拟合（例如最小二乘法），评价内外表面轮廓与厚度均匀性的定量误差。厚度测量算法，采用非接触传感器（色散共焦位移传感器），首先通过测量标准件进行测量校准，然后测量被测样件，如图5所示。获得测量件的厚度S，如下式：（1）其中，S是被测件厚度，S0是标准件厚度，S01,S02是校准时传感器测量值，S1,S2是测量被测样件时的传感器测量值。根据测量运动轴的位置信息，即测头位置（以柱坐标形式D(R,z,θ)，或笛卡尔坐标形式D（x,y,z））,可以得到被测件的任意位置的厚度信息（R,z,θ,S）或（x,y,z,S）.其中，柱坐标和笛卡尔坐标转换为：（2）。数据拼接算法如果采用的测量传感器（如红外传感干涉）不能对被测件整体测量，则需要进行数据拼接。本装置对测量数据采用软硬件结合的高精快速拼接算法。如图6所示，结合装置的运动特点和测量规划，按被测件周向扫描径向进给的路径，进行测量数据的拼接。假定被测样件口径为，子孔径半径为。沿周向(轴方向)采样间距为，径向（X轴方向）采样间距为。单次采样的子区域，为沿径向的序号，为沿周向的序号。拼接算法取,做以说明，其余子区域可以此类推。（1）的拼接运算:和的位移由转动轴轴的转动形成，因此，相对的位置移动可通过刚体运动变换来实现，即的测量数据绕C轴回转中心旋转角度来确定。因此而确定相对的相对位置，进而确定重合区域，最后通过布尔运算可实现和的数据拼接，生成的拼接数据。以此类推，完成沿周向的所有数据拼接。（2）的拼接运算:和的位移则是由移动轴平移实现，所以相对只是在工件径向产生一个平移距离，可通过刚体的平移运动来确定相对于的位置，平移量为。通过刚体变换实现的位置和姿态，继而计算重合区域，通过布尔运算完成的拼接。以此类推，可完成沿径向的所有数据拼接。（3）测量数据的软件优化拼接：考虑到运动误差的影响，在由硬件信息完成数据拼接后，可进一步通过软件拼接的优化拼接效果。因为硬件信息拼接提供了良好的初始位置和姿态，软件拼接不会陷入局部最优解。通过计算相邻测量区域的重合区最佳相似度，即（3）式(3)中，为相似度函数，根据最小二乘最佳匹配实现优化求解。从而完成姿态和位置的调整，尤其是在样件沿旋转轴方向上的拼接，从而进一步实现拼接本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种薄壁壳体无损综合测量装置，用于对变曲率薄壁壳体的形位误差及表面微观形貌和缺陷的测量，其特征在于，包括：传感器、运动机构、测量系统基座（7）、龙门架（4）；其中，传感器采用双头精密位移传感器，包括上测头（11）和下测头（12）的双测头测量；运动机构为七自由度机构，包括四个移动自由度机构：移动轴X（31）、移动轴Z1（32）、移动轴Z2（81）、移动轴W（83），以及三个转动自由度机构：转动轴B1（33）、转动轴B2（82）、中空式气浮转台 C（5） ；传感器的上测头（11）安装于转动轴B1(33),转动轴B1(33)安装于竖直移动轴Z1（32），而移动轴Z1安装于横向移动轴X（31），移动轴X安装于龙门架（4）的顶部，龙门架（4）的下部固定于测量系统基座（7）；传感器的下测头（12）安装于移动轴W（83），移动轴W安装于转动轴B2（82），转动轴B2安装于竖直移动轴Z2（81）， 移动轴Z2(81)安装于测量系统的基座（7）；中空式气浮转台（5）包括气浮转台动子（51）和气浮转台定子（52），中空式气浮转台（5）安装在转台支架（6）上，转台支架固定于龙门架（4）的中下部。
【技术特征摘要】
1.一种薄壁壳体无损综合测量装置，用于对变曲率薄壁壳体的形位误差及表面微观形貌和缺陷的测量，其特征在于，包括：传感器、运动机构、测量系统基座（7）、龙门架（4）；其中，传感器采用双头精密位移传感器，包括上测头（11）和下测头（12）的双测头测量；运动机构为七自由度机构，包括四个移动自由度机构：移动轴X（31）、移动轴Z1（32）、移动轴Z2（81）、移动轴W（83），以及三个转动自由度机构：转动轴B1（33）、转动轴B2（82）、中空式气浮转台C（5）；传感器的上测头（11）安装于转动轴B1(33),转动轴B1(33)安装于竖直移动轴Z1（32），而移动轴Z1安装于横向移动轴X（31），移动轴X安装于龙门架（4）的顶部，龙门架（4）的下部固定于测量系统基座（7）；传感器的下测头（12）安装于移动轴W（83），移动轴W安装于转动轴B2（82），转动轴B2安装于竖直移动轴Z2（81），移动轴Z2(81)安装于测量系统的基座（7）；中空式气浮转台（5）包括气浮转台动子（51）和气浮转台定子（52），中空式气浮转台（5）安装在转台支架（6）上，转台支架固定于龙门架（4）的中下部。2.根据权利要求1所述的薄壁壳体无损综合测量装置，其特征在于，通过更换传感器，以适用不同的测量要求，包括，内测头更换为红外干涉传感器，用于实现内轮廓测量；外测头更换为红外干涉法，通过数据拼接算法，用于实现外轮廓的测量；测头更改为局部测量传感器，用于实现全局表面缺陷的测量。3.基于权利要求1所述的薄壁壳体无损综合测量装置的测量方法，其特征在于，当测量曲面薄壁壳体样件（21）时，将被测件（21）固定于中空式气浮转台（5）的转动台即气浮转台的动子（51）上，通过精密数控，使上测头（11）和下测头（12）沿着被测件对应点的法向，并调整至测头的工作距离内，即测得测头所对位置的薄壁的厚度值；然后气浮转台（5）带动被测件做转动，实现连续采样，从而测得薄壁壳体所对应的一圈厚度值；然后，上、下测头沿曲面壳体的纬度方向移动一个既定距离，按上述流程测量，获得下一圈的薄壁壳体的厚度；依此类推，即可测量得到整个曲面壳体全局范围内的厚度值；当测量平面薄壁样件（22）时，将下测头（12）逆时针调整90度，与移动轴W(83)垂直，而移动轴W（83）则通过转动轴B2（82）调整至水平，与被测平面平行；上测头（11）通过转动轴B1（33）调整...
【专利技术属性】
技术研发人员：孔令豹，徐敏，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31
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