基于光譜共焦測量原理的波形彈簧自由高度檢測技術分析

楊林林,譚駿,楊維川

中國工程物理研究院機械制造工藝研究所

1 引言

波形彈簧在空調壓縮機主機、航天電器連接頭、工業制動器、浮動齒輪機構等裝置中均應用廣泛。波形彈簧通常是由沖壓成型,自由高度作為一項重要尺寸參數,會對其最終的力學性能產生重要影響[1,2],在產品制造過程中需要精確控制。特別在制造過程中的熱處理階段,需要根據其自由高度尺寸進行分組熱處理,并采用不同的工藝參數進行性能調控,從而使其最終的力學性能滿足使用要求,因此波形彈簧自由高度的精確測量至關重要。

波形彈簧通常是由壁厚為0.2～1.6mm的冷軋彈簧鋼帶經沖壓成型的彈簧元件(見圖1),其沿圓周方向帶有若干個正弦波形,具有減振、儲能、降噪與補償等作用。傳統的波形彈簧自由高度測量方法主要采用游標卡尺、深度尺或量規等通用量具進行接觸式測量,例如JB 13296—2017《波形彈簧 技術條件》中介紹了波形彈簧自由高度的檢測方法[3],即采用分度值≤0.02mm的游標深度尺或專用檢具測量彈簧的最高點作為其自由高度值;HG/T 2479—2020《機械密封用波形彈簧技術條件》介紹波形彈簧自由高度可用彈簧試驗機(精度5%)或通用量具(精度值0.05mm)測量,并且對同一波形彈簧各波高度偏差有明確要求[4]。

圖1 波形彈簧結構

由于波形彈簧屬于彈性元件,厚度薄且易變形,上述接觸式測量存在誤差較大、測量重復性差等問題,并且波形彈簧在制造過程中(熱處理、表面處理等工序前后)表面顏色會從銀白色變為黑褐色,這種表面顏色變化容易對激光三角法等[5,6]光學測量方法產生較強干擾,因而難以滿足高性能制造對測量精度的要求。

光譜共焦位移傳感器利用光學色散原理建立位移與波長之間的數學關系,其測量結果不受被測件材料、顏色及表面粗糙度等因素影響[7,8],非常適合用于波形彈簧自由高度的精確測量。因此,本文提出一種基于光譜共焦原理的波形彈簧自由高度測量方法,以彩色共焦位移傳感器+精密機械轉臺組成旋轉掃描測量系統,通過輪廓掃描、輪廓濾波及峰值提取等步驟,完成波形彈簧所有波峰峰值的非接觸精密測量,從而提高波形彈簧自由高度的檢測效率及精度。

2 波形彈簧自由高度測量方法

2.1 基本原理

光譜共焦位移傳感器是基于光學色散原理來建立位移與波長的數學關系,其原理見圖2。復色光經過分光鏡后進入色散鏡頭,經過色散鏡頭后發生光譜色散,不同波長的光在光軸的不同位置處聚焦,只有焦點在被測物體表面上且特定波長的光才能被反射并通過光闌,其余波長的光由于不滿足共焦關系而被光闌濾除,通過光譜儀的光譜分布即可分析出被測物體的位移信息。

圖2 光譜共焦測量原理

為了對波形彈簧的自由高度進行高效精確測量,基于光譜共焦測量原理建立光譜共焦位移傳感器+精密旋轉平臺的旋轉掃描測量方法,其原理見圖3。該方法以精密旋轉平臺表面作為測量基準,將波形彈簧置于旋轉平臺中心,利用平臺帶動波形彈簧旋轉,并利用光譜共焦傳感器實時采集波形彈簧上表面輪廓高度數據,通過數據濾波、峰值提取等過程,最終得到波形彈簧各波峰的峰值點高度,并以其中最大峰值高度作為波形彈簧的自由高度值。

圖3 波形彈簧自由高度測量方法

2.2 波形彈簧輪廓數據濾波

由于模具制造誤差、環境噪聲、振動及表面材質等因素影響,實際獲得的波形彈簧輪廓并非理想正弦波型,且輪廓數據受噪聲影響較大(見圖4a),這將對波峰高度的評定造成極大干擾。為此,需要對輪廓數據進行濾波處理,采用移動平均濾波算法濾除原始信號中的噪聲信號,濾波窗口為1×5,經過濾波后,原始輪廓噪聲信號得到極大抑制(見圖4b)。

(a)原始輪廓

2.3 提取波形彈簧輪廓數據峰值

經過濾波后的波形彈簧輪廓在波峰處仍然不是單調變化,在波峰部位可能存在多個極值點,常規峰值提取算法以輪廓的極大值點作為波峰的峰值點,可能會提取到錯誤極值點,導致高度測量結果發生較大偏差(見圖5)。

圖5 常規峰值提取算法

針對上述情況提出等步距窗口移動的峰值提取算法,用于快速精確提取波形彈簧各個波峰峰值點,有效提高峰值提取結果的抗干擾性,其原理見圖6。

圖6 波峰峰值提取算法

算法的峰值提取步驟為:

①設定峰值提取的閾值T,即波形彈簧的峰值應大于閾值T;

②根據閾值T,搜索輪廓數據中高度為閾值T的上升沿點位a及下降沿點位b;

③在上升沿a與下降沿b的范圍內搜索波形彈簧的初始波峰值Peak及其位置c;

④根據波形彈簧的輪廓數據特征,設置搜索窗口大小W及搜索步距S;

⑤對波形彈簧的輪廓數據繼續搜索閾值T的下一個上升沿d,則ad間的距離即設置為搜索步距S,搜索窗口設置為ab/k,根據波形彈簧輪廓數據的密集程度k可設為2,3,4,…;

⑥按照搜索步距及搜索窗口大小搜索輪廓數據中8個波峰峰值點Peaks;

⑦通過搜索8個峰值點中的最大值作為該波形彈簧的自由高度H。

利用峰值提取算法實現波形彈簧8個波峰峰值點的精確提取,峰值點提取結果見圖7。

圖7 波形彈簧峰值提取結果

3 實驗與分析

3.1 搭建旋轉掃描測量系統

為了驗證本文提出的檢測方法及相關算法,使用精密機械轉臺、光譜共焦傳感器、直線送料機構、傳感器位姿調整機構等搭建了旋轉掃描測量系統(見圖8)。其中,精密機械轉臺的端面跳動及徑向跳動均小于5μm,定位精度以及重復定位精度均優于0.05°;光譜共焦傳感器為基恩士CL-L030的彩色共焦位移傳感器,測量范圍為±3.7mm,分辨率0.25μm,直線性±0.94μm。通過位姿調整機構對傳感器的位姿進行調節,使傳感器的光軸與精密機械轉臺的平面保持垂直。

圖8 旋轉掃描測量系統

測量時,將波形彈簧逐件放置到滑軌上,由滑軌將單件波形彈簧送到直線送料機構的圓弧定位工裝前端;光電傳感器檢測到波形彈簧的存在,驅動直線送料機構將波形彈簧推送到精密機械轉臺的中心;由精密機械轉臺帶動波形彈簧繞轉臺中心進行回轉,同時光譜共焦傳感器實時采集波形彈簧的輪廓數據;當波形彈簧完成一周掃描后,系統進行數據處理與分析,計算出其自由高度值;直線送料機構根據波形彈簧的自由高度值對其進行分揀。

3.2 測量系統校準

系統搭建完成后,使用多個標準量塊在旋轉平臺多個位置進行校準,其校準結果見表1。由表可知,對于0.000～3.000mm高度范圍內,旋轉掃描測量系統的測量誤差在0.003mm以內,表明測量系統具有非常高的測量精度。

表1 旋轉掃描系統校準結果 (mm)

3.3 測量方法對比

為了驗證波形彈簧的測量效果,以某件波形彈簧作為試驗件,分別采用人工檢測方法和旋轉掃描測量法對同一件零件進行10次測量。其中,人工測量采用JB/T 13296—2017《波形彈簧 技術條件》中介紹的測量方法,使用百分表+二級精密平臺的方法測量波形彈簧的多個波峰的最高點作為其自由高度。根據百分表的示值誤差可知,人工測量方法的測量精度約為0.01mm。兩種測量方法的測量結果對比見表2。

表2 旋轉掃描測量與人工檢測結果對比 (mm)

由表2可知,人工測量法的結果在0.82～0.85mm的范圍內波動,平均值為0.831mm,均方根誤差為0.0094mm;而旋轉掃描測量法的自由高度測量值在0.870～0.874mm的范圍內波動,平均值為0.872mm,均方根誤差為0.0013mm,旋轉掃描測量法的測量重復性更好。根據測量平均值可知,人工測量過程產生的測量力會使波形彈簧沿高度方向有0.03mm的壓縮量,此壓縮量受檢測人員對最高點判斷等主觀因素影響。此外,與人工測量效率相比(60s/件),旋轉掃描測量系統的檢測效率為16s/件,檢測效率提升200%以上,有利于降低檢驗人員的勞動強度。

3.4 測量不確定度分析

影響波形彈簧自由高度測量不確定度來源主要包括機械轉臺的端面跳動、傳感器的示值誤差、測量重復性、傳感器光軸與轉臺臺面垂直度誤差等方面。

(1)機械轉臺端面跳動引起的標準不確定度μ1

根據精密機械轉臺的出廠證書,精密機械轉臺的端面跳動最大限值為0.005mm,假設端面跳動按照正態分布估計,則包含因子為2,由端面跳動引起的標準不確定度為

(2)傳感器示值誤差引起的標準不確定度μ2

在傳感器的出廠手冊中可以查到彩色共焦位移傳感器的示值誤差(直線性)為0.94μm,檢定合格。

(3)測量重復性引起的標準不確定度μ3

測量同一件波形彈簧波峰平均值10次,測量結果見表3。

表3 波形彈簧波峰重復性測量結果 (mm)

對測量結果取平均值為

由貝塞爾公式計算測量的波峰平均值標準不確定度為

(4)傳感器光軸與轉臺臺面垂直度誤差μ4

光軸與轉臺臺面的垂直度誤差(見圖9)將導致測得值的誤差,當被測長度為L、光軸與轉臺臺面的夾角為θ時,測量誤差為

圖9 光軸與轉臺臺面垂直度誤差

ΔL=L(1-cosθ)

式中,θ最大限值為5°,波峰高度差值≤0.2mm,則測量誤差ΔL≤7.612×10-4mm。

按正態分布估計,則其引起的標準不確定度為

(5)合成標準不確定度

由于各輸入量之間相互獨立,則合成標準不確定度為

(6)擴展不確定度

在工程應用中包含因子k=2,其置信水平約為0.95,則擴展不確定度U為

U=kμc=6.276×10-3mm

(7)測量結果

T=(0.872±0.006)mm

4 結語

針對當前波形彈簧自由高度的人工測量效率低、誤差大的問題,提出了基于光譜共焦測量原理的波形彈簧旋轉掃描測量方法,利用光譜共焦位移傳感器與精密機械轉臺組成旋轉掃描測量系統,實現對波形彈簧表面輪廓的掃描測量,獲取波形彈簧表面大量輪廓數據,并提出一種基于等步距窗口移動的峰值提取算法,實現了波形彈簧所有波峰峰值點的精確提取,最終有效提高波形彈簧自由高度的檢測效率及精度。