[發(fā)明專利]超聲非接觸掃描測厚中耦合間隙自適應(yīng)調(diào)整方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910255246.6
• 申請日: 2019-04-01
• 公開（公告）號: CN109855577B
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王永青;張桐宇;劉海波;劉寶良;廉盟;李特;盛賢君;康仁科
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

1.一種超聲非接觸掃描測厚耦合間隙自適應(yīng)調(diào)整方法，其特征是：該方法首先沿測量方向在非接觸式超聲測厚裝置的超聲傳感器兩側(cè)各安裝一個渦流傳感器用于探路測量，并將測厚裝置整體安裝于機床主軸；接下來，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將各個傳感器的測量值統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系下便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理；然后，根據(jù)耦合間隙閾值范圍、各個傳感器之間及其與工件之間的幾何關(guān)系建立耦合間隙狀態(tài)判別模型；最后，在固定Y軸坐標(biāo)，沿+X軸方向掃描測量過程中實時判別渦流傳感器當(dāng)前測點是否為“調(diào)整點”，若判定當(dāng)前測點為調(diào)整點P_i，則自調(diào)整點P_i沿-X軸方向擷取m-1個測點構(gòu)成測點集P_i＝{p_ij,p_i,j∈[1,m-1]}，基于其對應(yīng)的坐標(biāo)集P_i′＝{(x_ij,y,z_ij),(x_i,y,z_i),j∈[1,m-1]}及測距集計算調(diào)整點P_i處的調(diào)整值ΔZ_i，并生成指導(dǎo)超聲傳感器根據(jù)變形后的工件的局部幾何面型自適應(yīng)地運動至調(diào)整點P_i的平滑調(diào)整路徑，實現(xiàn)耦合間隙在適當(dāng)閾值范圍內(nèi)穩(wěn)定地自適應(yīng)調(diào)整；超聲非接觸掃描測厚耦合間隙自適應(yīng)調(diào)整方法的具體步驟如下：

第一步，組裝超聲非接觸掃描測厚裝置

組裝非接觸式超聲測厚裝置(1)，將超聲傳感器(1.3)安裝于下法蘭(1.2)中心，超聲傳感器(1.3)軸線與下法蘭(1.2)軸線重合；噴液器(1.4)套裝于超聲傳感器(1.3)，噴液器(1.4)軸線與超聲傳感器(1.3)軸線重合并與下法蘭(1.2)通過螺紋連接；第一渦流傳感器(1.5)和第二渦流傳感器(1.6)分別安裝于下法蘭(1.2)，第一渦流傳感器(1.5)的軸線和第二渦流傳感器(1.6)的軸線沿測量方向等距離分布于超聲傳感器(1.3)的軸線兩側(cè)，且三者在XOZ面相互共面平行；下法蘭(1.2)與上法蘭(1.1)通過螺桿(1.7)連接，下法蘭(1.2)軸線上法蘭(1.1)軸線重合；上法蘭(1.1)上方沿軸線設(shè)有夾持柱(1.1a)，通過刀柄將超聲測厚裝置(1)整體安裝在機床主軸上；

第二步，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

分別建立機床坐標(biāo)系O-XYZ，傳感器測量坐標(biāo)系o_s-x_sy_sz_s，機器坐標(biāo)系o_m-x_my_mz_m以及基準(zhǔn)坐標(biāo)系o-xyz，各坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸方向分別與機床上相應(yīng)的三個運動軸方向保持一致；其中，機床坐標(biāo)系原點O位于機床上某一運動軸上的光柵尺零位；傳感器測量坐標(biāo)系原點o_s位于傳感器上測量值為0的點；機器坐標(biāo)系原點o_m位于數(shù)控機床回零狀態(tài)下，即各運動軸光柵尺均處于零位，傳感器上測量值為0的點；基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點o位于設(shè)置于機床工作臺上的基準(zhǔn)塊上表面中心；

按公式(1)將各個傳感器的測量值依次由傳感器測量坐標(biāo)系o_s-x_sy_sz_s轉(zhuǎn)換至機器坐標(biāo)系o_m-x_my_mz_m再轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)坐標(biāo)系o-xyz；

式中，(x_s,y_s,z_s)^T為傳感器在o_s-x_sy_sz_s坐標(biāo)系中的測量值，設(shè)傳感器信號束中心線在o_s-x_sy_sz_s坐標(biāo)系中的單位方向向量為l，m，n，測距即傳感器測距示數(shù)為d，則(x_s,y_s,z_s)^T＝(ld,md,nd)^T；R₁，T₁分別為傳感器測量坐標(biāo)系o_s-x_sy_sz_s相對機器坐標(biāo)系o_m-x_my_mz_m的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；R₂，T₂分別為機器坐標(biāo)系o_m-x_my_mz_m相對基準(zhǔn)坐標(biāo)系o-xyz的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；由于各坐標(biāo)系的對應(yīng)坐標(biāo)軸之間相互平行且方向一致，故

記錄第一渦流傳感器(1.5)的示數(shù)為零時的機床坐標(biāo)(0,0,z₁)，記為機器坐標(biāo)系o_m-x_my_mz_m的原點o_m，同時得到第一渦流傳感器(1.5)測量坐標(biāo)系o_s-x_sy_sz_s相對機器坐標(biāo)系o_m-x_my_mz_m的平移矩陣T₁＝(0,0,z₁)；在機器坐標(biāo)系o_m-x_my_mz_m下使用傳感器對基準(zhǔn)塊上表面進(jìn)行測量，并將獲得的測量數(shù)據(jù)擬合成平面，設(shè)求得該平面中心坐標(biāo)為則

第三步，判別耦合間隙狀態(tài)

上位機測控系統(tǒng)控制機床主軸裝載非接觸式超聲測厚裝置(1)自測量起點，固定Y軸坐標(biāo)，勻速沿+X軸方向作掃描測量運動，掃描測量過程中，按公式(3)實時判斷第一渦流傳感器(1.5)當(dāng)前測點是否為“調(diào)整點”，

式中，H為第一渦流傳感器(1.5)底面中心與噴液器(1.4)底面中心的相對距離，[D_umin,D_umax]為耦合間隙閾值范圍，D_e為第一渦流傳感器(1.5)底面中心與工件(2)表面測點的相對距離，ΔZ_i為超聲測厚裝置(1)第i次沿Z軸調(diào)整的偏移量，沿Z軸向上移動時ΔZ_i取正值，反之則反；

若公式(3)成立，當(dāng)前測點則為“非調(diào)整點”，否則為“調(diào)整點”；

第四步，計算調(diào)整值

若判定當(dāng)前測點為調(diào)整點p_i，其坐標(biāo)(x_i,y,z_i)、測距D_ei，自點p_i沿-X軸方向擷取m-1個測點構(gòu)成測點集P_i＝{p_ij,p_i,j∈[1,m-1]}，其對應(yīng)的坐標(biāo)集P_i′＝{(x_ij,y,z_ij),(x_i,y,z_i),j∈[1,m-1]}，其對應(yīng)的測距集按公式(4)確定擷取測點的個數(shù)，

其中，L為第一渦流傳感器(1.5)與超聲傳感器(1.3)軸線間距，Δt為第一渦流傳感器(1.5)采樣間隔；將測距集中元素自小至大排序得到有序測距集按公式(5)計算有序測距集中各元素的數(shù)據(jù)密度估計，

其中，k為最鄰近數(shù)，KNN(d_j)為數(shù)據(jù)d_j的k個最鄰近數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，d_jt為數(shù)據(jù)d_j的第t個最鄰近數(shù)據(jù)，d_tk為數(shù)據(jù)d_t的第k個最鄰近數(shù)據(jù)；第i測距集中數(shù)據(jù)密度估計最大測距記為第i數(shù)據(jù)密度估計最大測距，按公式(6)計算

第i數(shù)據(jù)密度估計最大測距對應(yīng)的測點記為第i數(shù)據(jù)密度估計最大測點p_iUmax，其坐標(biāo)(x_iUmax,y,z_iUmax)，第i調(diào)整點P_i處的調(diào)整值記為第i調(diào)整值ΔZ_i，按公式(7)計算，

第五步，自適應(yīng)調(diào)整路徑生成

以自第i數(shù)據(jù)密度估計最大測點p_iUmax至第i調(diào)整點P_i構(gòu)成的測點集對應(yīng)的坐標(biāo)集Ω_i′＝{(x_iUmax,y,z_iUmax),...,(x_i,y,z_i)}中的各z坐標(biāo)均與第i調(diào)整點P_i處的調(diào)整值ΔZ_i相加后得到的坐標(biāo)集Ω_i″＝{(x_l,y,z_l),l∈[1,n]}中的坐標(biāo)為節(jié)點，按如下移動最小二乘擬合函數(shù)生成指導(dǎo)超聲傳感器1.3自第i數(shù)據(jù)密度估計最大測點p_iUmax至第i調(diào)整點P_i的自適應(yīng)調(diào)整路徑，

其中，

p^T(x)＝[1,x,x²] (9)

為選取的二次基函數(shù)，

其中，n為待擬合點x緊支撐域內(nèi)的影響節(jié)點數(shù)，x_l為待擬合點x的影響節(jié)點，w(x-x_l)為影響節(jié)點x_l的緊支撐權(quán)函數(shù)，選取如下三次樣條權(quán)函數(shù)，

其中，

其中，r為緊支撐域半徑，設(shè)節(jié)點以步長h均勻分布，r取為2.5h；

f＝[z₁,z₂,...,z_l,...,z_n)]^T (14)

其中，z_l為影響節(jié)點x_l對應(yīng)的z坐標(biāo)值；

若第i+1調(diào)整點p_i+1的前m-1個測點包含第i調(diào)整點p_i，則將自第i調(diào)整點p_i至第i+1調(diào)整點p_i+1構(gòu)成的測點集記第為i+1測點集P_i+1＝{p_i,...,p_i+1}，在其中尋取第i+1概率密度估計最大測點p_i+1Umax，并按上述方法計算第i+1調(diào)整值ΔZ_i+1及生成指導(dǎo)超聲傳感器(1.3)自第i+1概率密度估計最大測點p_i+1Umax至第i+1調(diào)整點p_i+1的自適應(yīng)調(diào)整路徑，若固定Y軸坐標(biāo)，沿-X軸方向進(jìn)行超聲非接觸掃描測厚，則用第二渦流傳感器(1.6)代替第一渦流傳感器(1.5)進(jìn)行探路測量。