高精度平面构件平面度及壁厚非接触测量装置研制

毛强　蒋志强

摘要：为实现纯铅、纯锡等软质金属平面构件平面度及壁厚的高精度、非接触式无损测量，本文提出一种基于双激光位移传感器的非接触式测量方法，采用CL-3000型双激光位移传感器以及高精度两维气浮运动平台构建了非接触测量装置，基于Qt开发环境和MATLAB程序，开发了运动控制与平面度、壁厚测量数据采集、处理程序。与三坐标测量比对结果表明，研制的非接触测量装置能够满足软质金属材料平面构件平面度及壁厚的高精度非接触式测量需求。

关键词：平面构件；平面度；壁厚；非接触测量；不确定度分析

中图分类号：TH-39                           文獻标志码：A                           doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.010

文章编号：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

由纯铜、纯铝、纯锡等软质纯高塑性金属材料加工形成的高精度薄壁平面零件，常用于材料断裂力学性能测试等实验，其平面度、壁厚以及表面质量等技术参数，对该类实验结果具有重要影响。针对该类构件，通常采用超精密切削方式进行加工，而如何对其平面度、壁厚等技术参数进行精确测量与表征，对于提高构件制造质量进而提升物理实验的置信度具有重要意义^[1-7]。

当前，三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM）是应用最广泛的测量装备，具有较高的效率与精准度，可以准确得出平面构件平面度及壁厚等参数。但对于经过超精密加工的软质平面构件，基于三坐标的接触式测量方式，在接触力的作用下会划伤工件表面，从而影响后续的物理实验。采用动态激光干涉仪可以实现平面构件平面度的非接触式测量，但无法用于厚度测量^[8-9]。因此，本文针对上述软质金属平面构件平面度及壁厚的高精度测量需求，提出一种基于双激光位移传感器的非接触式测量方法，进行非接触测量装置的总体结构设计并完成装置构建，基于研制的装置，进行了平面构件平面度和壁厚的测试试验。

1 非接触测量装置总体设计

1.1 软质金属平面构件技术要求

物理实验常用的纯锡、纯铜等软质金属平面构件直径≤Φ200 mm、壁厚≤5 mm，平面度误差≥3 μm、壁厚测量误差≤5 μm。

1.2 非接触测量装置结构设计

为实现软质金属平面构件平面度、壁厚的测量，设计的平面构件非接触测量装置总体方案如图1所示，主要由xy方向移动平台及驱动系统、两个高精度非接触式激光位移传感器、数据采集与分析软件三部分组成。为减小地面振动等环境因素对测量结果的影响，将移动平台及激光位移传感器放置于气浮平台。待测工件安装在x轴上，随xy轴移动，两个激光位移传感器固定安装在气浮平台上，通过xy轴的平移运动，实现工件上下表面平面面型及厚度数据的测量，将工件xy坐标信息以及传感器测得的z向坐标信息进行关联处理，进而完成平面构件平面度与壁厚的计算与分析。

1.3 非接触测量装置运动及测量组件选择

根据待测平面构件的尺寸大小及精度要求，拟采用WFTS-250x250 XY型气浮平台作为本测量系统xy向移动组件，xy轴行程范围均为250 mm，定位精度为±1 μm，重复定位精度为±0.5 μm，直线度误差为±1 μm，最大可承载工件质量为20 kg，能够满足平面构件平面度及厚度测量对xy轴运动精度的技术需求。

选用CL-3000型高精度非接触式激光位移传感器。这是一种无需选择安装方法、场所、用途的超小型激光同轴位移计，采用直上直下的测量方法，可高精度测量曲面、凹坑等。采用专用夹具和PC软件上的光轴调整功能，可准确调整光轴，实现在双头对射厚度测量时具有高精度测量能力。在测量高度为30±3.7 mm时，测量分辨率为0.25 μm，能够满足平面构件对平面度及厚度测量误差的技术需求。

1.4 驱动及数据采集程序的集成设计

设计的非接触测量装置主要由xy运动轴以及z向双激光位移传感器两部分组成，需要将xy运动轴的控制系统和激光位移传感器的采集数据集成到一个系统中，进行运动控制、数据采集。因此，基于Qt6.0.0开发环境并结合MATLAB程序，开发了运动控制与数据采集程序，并对采集的数据进行分析，进而获得平面构件的平面度和壁厚误差。集成流程如图2所示，为：根据待测工件大小，启动程序控制移动平台与激光位移传感器开始测量。按逐行扫描的策略输入合适的xy轴移动参数，并对激光位移传感器的输出数据进行采集。在待测区域内，程序会按固定间距进行采样，并实时判断是否满足参数条件，在满足参数条件后会对该点的高度数据进行采样并记录。由程序自动控制完成整个设定区域的数据采集。

根据总体设计思路以及选择的运动与测量部件，设计的非接触式平面构件平面度、厚度测量系统实物如图3所示。

2 非接触测量装置数据采集及试验

2.1 平面构件平面度测量流程及数据采集

为保证测量精度，需要对激光位移传感器进行精确对焦。测量时，将工件安装在xy轴上的固定夹具上，移动xy轴，采用逐点扫描方式进行面型测量。根据上述测量方式，采集到的数据为一个矩形区域。由于构件的结构特征为圆形薄壁构件，需要判断采集到的数据是否在工件实际范围之内。因此需要在确定工件圆心的基础上，判断采集到的数据点是否符合构件的尺寸及结构特征要求，即：

在对所测数据进行修正的基础上，需要校验保留的数据，检查是否出现因测量导致的异常数据，计算测量数据高度的平均值与标准差，并舍去所有超出数据平均值三倍标准差的数据，只保留在误差范围内的数据。

根据上述方法，完成数据的校验后需要将处理后的数据进行插值与均化，使其从离散的点图生成连续的平面图，并最后将其测量到的高度差以颜色的方式表示出来，如图5所示。

2.2 平面构件壁厚测量流程及数据采集

壁厚测量为平面度测量方式的拓展，其基本测量流程是将两个型号相同的激光位移传感器相向放置在载物平面的对称位置，设置好焦距，使两个位移传感器的测量点重合。然后通过移动平台移动工件使得待测工件多个点被传感器测量其在不同方向上的偏移，将两个方向上的位移数据相加即是该点的厚度数据。通过该方法测量工件多个点的壁厚数据即可计算出整个工件的壁厚状况。

3 试验验证及误差分析

3.1 平面度误差测量与验证

将一件经过超精密加工的直径120 mm圆形纯铜薄壁件通过本测量装置进行测量，其结果与司看科技AM-CELL C200型三坐标测量结果相互验证，以此验证本测量装置精度能否满足超精密加工薄壁件平面度及壁厚的測量需求。通过平面放置在两种测量装置测量台上直接测量的方式，来避免夹具与装夹方式不同对工件造成的变形影响测量，如图6所示。

对两个相同工件分别使用三坐标测量仪与本实验装置进行测量。测量工件为直径120 mm的纯铜圆形薄壁件，测量方式为沿中轴线等间隔采集数据绘图。测量结果如图7所示。可以看出，本装置与三坐标测量仪平面度测量结果总体一致，但仍存在一定不同。经过计算得到，本装置测得平面度为0.0101，三坐标测量仪测得平面度为0.0095，相差0.0006。本装置测量结果与三坐标测量仪结果相比，本装置选取的基准平面更低，因此总体测量结果数值偏高但反应的面型仍然一致。且根据测量到的数据，测量结果不是最平坦状态，与真实数据存在一定的偏差。但本装置可以反应整体的面型情况，在不要求超高精度的测量时，可以替代三坐标测量仪进行平面度测量。

3.2 壁厚误差测量与验证

对同一直径120×5 mm的纯铜平面构件，分别使用本装置以及三坐标测量仪沿同一直径进行对比测量。本装置测量方式如图6所示，三坐标测量仪测量时，将该平面构件立式装夹，通过移动测头测量两个表面的对应点位，进而获得构件的壁厚。测量结果如图8所示，可以看出，两种测量方式下的壁厚误差具有相同规律。将两种测量方式所得厚度结果相减得到误差结果如图9所示，其最大误差范围为±2 μm，可知本装置能够满足平面构件的测量需求。

3.3 误差分析

4 结语

本文研制了一种基于双激光位移传感器的非接触测量装置，可以实现直径≤Φ200mm、壁厚≤5 mm平面构件平面度及壁厚的非接触式测量、可视化数据表示以及误差评定。

该装置与三坐标测量仪平面度测量结果间的误差为0.6 μm，测量不确定度为1.17 μm，壁厚测量误差最大为1.8 μm，平均误差为0.8 μm，测量不确定度为0.15 μm，满足平面度及壁厚的高精度非接触测量需求。

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