項(xiàng)目背景
? ? ? ?在現(xiàn)代飛機(jī)、運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)中，壁板常作為一些艙體和部段的主要組成部分。減少壁板質(zhì)量是其設(shè)計(jì)和加工的一項(xiàng)重要要求。因此通常采用數(shù)控銑削的方式將壁板加工為網(wǎng)格狀。網(wǎng)格狀壁板厚度是艙段的重要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量是對(duì)飛行器精準(zhǔn)控制的前提。
? ? ? ?傳統(tǒng)的測(cè)量方式為，將壁板從銑床上拿下后，人工操作測(cè)量并讀數(shù)記錄。這種方式效率低，且為線下測(cè)量。本項(xiàng)目采用超聲波測(cè)厚儀，利用加工機(jī)床的導(dǎo)軌和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量掃描，即由測(cè)頭取代刀具，利用數(shù)控編程，實(shí)現(xiàn)各點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)量。專用軟件通過數(shù)據(jù)接口實(shí)時(shí)得到各個(gè)特征點(diǎn)的厚度值，并且和特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)一一匹配，從而實(shí)現(xiàn)航天器壁板自動(dòng)化在線厚度測(cè)量。
傳感器選用——超聲波傳感器
? ? ? ?超聲波測(cè)厚儀是根據(jù)超聲波脈沖反射的原理來進(jìn)行厚度測(cè)量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測(cè)材料的厚度。（本項(xiàng)目經(jīng)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景與實(shí)地場(chǎng)景驗(yàn)證選擇水作為耦合劑）
技術(shù)路線
1、超聲波測(cè)厚儀及耦合劑滴定裝置遠(yuǎn)程自動(dòng)控制
2、測(cè)頭機(jī)構(gòu)精巧設(shè)計(jì)
3、壁板測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)提取算法
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超聲波測(cè)厚儀及耦合劑滴定裝置遠(yuǎn)程自動(dòng)控制
本項(xiàng)目對(duì)超聲波測(cè)厚儀的控制方式是采用串口通信的遠(yuǎn)程控制方式，通過掃描霍爾開關(guān)觸發(fā)信號(hào)，計(jì)算機(jī)獲取測(cè)量標(biāo)志后向測(cè)厚儀發(fā)送測(cè)量厚度值指令，獲取多組厚度值，對(duì)其進(jìn)行處理后完成測(cè)量。控制箱采集霍爾開關(guān)觸發(fā)信號(hào)，控制測(cè)量設(shè)備上的流量控制閥開關(guān)與耦合劑滴定速度，通過串口控制測(cè)厚儀執(zhí)行測(cè)量功能，采集測(cè)厚儀信號(hào)。
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測(cè)頭機(jī)構(gòu)精巧設(shè)計(jì)
測(cè)頭夾緊裝置的主要功能是：
①超聲波測(cè)頭定位、夾緊；
②霍爾開關(guān)安裝、夾緊；
③ 連接機(jī)床主軸。
夾具包括探頭、導(dǎo)向套、霍爾開關(guān)墊片、霍爾開關(guān)固定部件、外筒、彈簧、探頭固定部件等主要部件。
當(dāng)探頭接觸到被測(cè)壁板表面時(shí)，受到被測(cè)面的壓力，致使彈簧壓縮，滑動(dòng)副內(nèi)霍爾開關(guān)墊片與霍爾開關(guān)進(jìn)行接觸從而觸發(fā)霍爾開關(guān)工作，從而控制測(cè)厚儀進(jìn)行壁板厚度的測(cè)量。
▲探頭夾緊裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
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壁板測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)提取算法?? ? ? ??
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測(cè)頭機(jī)構(gòu)精巧設(shè)計(jì)
測(cè)頭夾緊裝置的主要功能是：
①超聲波測(cè)頭定位、夾緊；
②霍爾開關(guān)安裝、夾緊；
③ 連接機(jī)床主軸。
夾具包括探頭、導(dǎo)向套、霍爾開關(guān)墊片、霍爾開關(guān)固定部件、外筒、彈簧、探頭固定部件等主要部件。
當(dāng)探頭接觸到被測(cè)壁板表面時(shí)，受到被測(cè)面的壓力，致使彈簧壓縮，滑動(dòng)副內(nèi)霍爾開關(guān)墊片與霍爾開關(guān)進(jìn)行接觸從而觸發(fā)霍爾開關(guān)工作，從而控制測(cè)厚儀進(jìn)行壁板厚度的測(cè)量。
▲探頭夾緊裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
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壁板測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)提取算法
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壁板測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)提取算法
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為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)的自動(dòng)批量提取，需要完成的算法包括測(cè)量區(qū)域識(shí)別算法、按設(shè)計(jì)規(guī)則提取測(cè)量點(diǎn)算法、剔除不符合設(shè)計(jì)規(guī)則的測(cè)量點(diǎn)算法以及測(cè)量點(diǎn)路徑規(guī)劃算法等。 ?
測(cè)量區(qū)域分為網(wǎng)格區(qū)和焊接區(qū)。焊接區(qū)多為大的平面，測(cè)量時(shí)要求每隔一定的距離就要有測(cè)量點(diǎn)。網(wǎng)格區(qū)主要提取中心點(diǎn)以及在網(wǎng)格的邊緣等間距測(cè)量點(diǎn)。通過對(duì)這兩種生成測(cè)量點(diǎn)要求的分析，一共需要生成三種測(cè)量點(diǎn)，分別命名為：中心點(diǎn)、邊緣點(diǎn)和網(wǎng)格點(diǎn)。
▲網(wǎng)格點(diǎn)的生成方式示意圖
項(xiàng)目成果展示??
本項(xiàng)目中的壁板厚度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在位自動(dòng)檢測(cè)功能，測(cè)量精度不低于0.02mm。下面的視頻就是我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的大型壁板厚度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的演示視頻。希望能夠幫助大家更好地了解這個(gè)項(xiàng)目以及超聲傳感器在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用。
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▲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片
軟件界面示意：
▲數(shù)據(jù)處理軟件界面示意圖
▲產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果二維分布圖
▲基于OPENGL的測(cè)量數(shù)據(jù)三維顯示示意圖
結(jié) 語(yǔ)
航天飛行器壁板厚度測(cè)量對(duì)于精準(zhǔn)控制飛行器有著至關(guān)重要的作用。本文介紹了航天器壁板在線測(cè)量厚度的原理、技術(shù)路線等。另外，超聲波傳感器在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面也有很多應(yīng)用。
審核編輯：劉清