項目背景
? ? ? ?在現(xiàn)代飛機(jī)、運載火箭結(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)計和加工的一項重要要求。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)，對其進(jìn)行精確測量是對飛行器精準(zhǔn)控制的前提。
? ? ? ?傳統(tǒng)的測量方式為，將壁板從銑床上拿下后，人工操作測量并讀數(shù)記錄。這種方式效率低，且為線下測量。本項目采用超聲波測厚儀，利用加工機(jī)床的導(dǎo)軌和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行測量掃描，即由測頭取代刀具，利用數(shù)控編程，實現(xiàn)各點的自動測量。專用軟件通過數(shù)據(jù)接口實時得到各個特征點的厚度值，并且和特征點的位置坐標(biāo)一一匹配，從而實現(xiàn)航天器壁板自動化在線厚度測量。
傳感器選用——超聲波傳感器
? ? ? ?超聲波測厚儀是根據(jù)超聲波脈沖反射的原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。（本項目經(jīng)實驗室場景與實地場景驗證選擇水作為耦合劑）
技術(shù)路線
1、超聲波測厚儀及耦合劑滴定裝置遠(yuǎn)程自動控制
2、測頭機(jī)構(gòu)精巧設(shè)計
3、壁板測量點自動提取算法
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超聲波測厚儀及耦合劑滴定裝置遠(yuǎn)程自動控制
本項目對超聲波測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，計算機(jī)獲取測量標(biāo)志后向測厚儀發(fā)送測量厚度值指令，獲取多組厚度值，對其進(jìn)行處理后完成測量。控制箱采集霍爾開關(guān)觸發(fā)信號，控制測量設(shè)備上的流量控制閥開關(guān)與耦合劑滴定速度，通過串口控制測厚儀執(zhí)行測量功能，采集測厚儀信號。
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測頭機(jī)構(gòu)精巧設(shè)計
測頭夾緊裝置的主要功能是：
①超聲波測頭定位、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)探頭接觸到被測壁板表面時，受到被測面的壓力，致使彈簧壓縮，滑動副內(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，從而控制測厚儀進(jìn)行壁板厚度的測量。
▲探頭夾緊裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
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壁板測量點自動提取算法?? ? ? ??
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測頭機(jī)構(gòu)精巧設(shè)計
測頭夾緊裝置的主要功能是：
①超聲波測頭定位、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)探頭接觸到被測壁板表面時，受到被測面的壓力，致使彈簧壓縮，滑動副內(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，從而控制測厚儀進(jìn)行壁板厚度的測量。
▲探頭夾緊裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
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壁板測量點自動提取算法
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壁板測量點自動提取算法
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為了實現(xiàn)網(wǎng)格點的自動批量提取，需要完成的算法包括測量區(qū)域識別算法、按設(shè)計規(guī)則提取測量點算法、剔除不符合設(shè)計規(guī)則的測量點算法以及測量點路徑規(guī)劃算法等。 ?
測量區(qū)域分為網(wǎng)格區(qū)和焊接區(qū)。焊接區(qū)多為大的平面，測量時要求每隔一定的距離就要有測量點。網(wǎng)格區(qū)主要提取中心點以及在網(wǎng)格的邊緣等間距測量點。通過對這兩種生成測量點要求的分析，一共需要生成三種測量點，分別命名為：中心點、邊緣點和網(wǎng)格點。
▲網(wǎng)格點的生成方式示意圖
項目成果展示??
本項目中的壁板厚度自動測量系統(tǒng)實現(xiàn)了在位自動檢測功能，測量精度不低于0.02mm。下面的視頻就是我們團(tuán)隊設(shè)計的大型壁板厚度自動測量系統(tǒng)的演示視頻。希望能夠幫助大家更好地了解這個項目以及超聲傳感器在實際項目中的應(yīng)用。
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▲測試現(xiàn)場照片
軟件界面示意：
▲數(shù)據(jù)處理軟件界面示意圖
▲產(chǎn)品測量結(jié)果二維分布圖
▲基于OPENGL的測量數(shù)據(jù)三維顯示示意圖
結(jié) 語
航天飛行器壁板厚度測量對于精準(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)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面也有很多應(yīng)用。
審核編輯：劉清