贮箱壁板激光测厚数据处理技术研究

      基于提升运载火箭贮箱壁板检测效率、精度及可追溯性的需求，研究人员设计了一套壁板厚度激光 检测系统。针对开发过程中遇到的系统误差过大难以满足测量精度要求的难题，通过噪点过滤、数 据精简、标定补偿、数据回归、倾角补偿等数据处理、补偿手段，克服了传感器示数误差、工件偏转误 差、传感器间距误差等因素带来的不利影响，通过超声测厚仪抽检比对，最终误差≤0．03 mm，满足 应用需求。

      制造精度的提升对检测的效率、精度和可追溯性 提出了更高的要求。该背景下，研究人员基于激光三 角测距原理，设计了壁板厚度激光检测系统，取代了人工逐点测量［1］。

1   壁板厚度激光检测系统

1．1 总体方案

      贮箱壁板厚度激光检测系统主要由激光测量子系 统、机械定位子系统、电气控制子系统及数据处理子系 统等部分组成，如图 1 所示。

      其中，激光测量子系统负责系统数据的测量与采 集; 机械定位子系统的主要功能是对激光测量子系统 提供机械结构支撑，并实现贮箱壁板的快速装夹与定 位; 电气控制子系统实现机械定位、激光测量子系统的 运动与节拍控制，同时与数据处理子系统进行通讯; 数 据处理子系统负责对激光测量子系统采集的距离数据 及机械定位子系统的位置数据进行联合后处理，然后 将处理后的厚度数据与贮箱壁板厚度基本尺寸进行对 比，并以不同颜色显示。

1．2 激光测量子系统

     激光测量子系统采用间接测量的方式获得待测壁 板厚度数据。如图 2 所示，将一组激光轮廓传感器分 置待测壁板前后两侧，待测壁板的厚度值 d，即为前、 后传感器绝对距离 L 减去各自示数 L1、L2 的差 d = L－ ( L1+L2 ) 。

      激光轮廓传感器作为激光测量子系统的核心功能 部件，是整个系统的主要直接数据采集源，其测量精度 对系统精度有着决定性影响。本文选用的德国米铱 Scan Control compact 2600－50 型激光轮廓传感器，是 一种基于直射式三角法测距原理的距离传感器。直射 式三角法测距原理如图 3 所示。

      激光发生器 1 发出的光线，经会聚透镜 2 聚焦后 垂直入射到待测工件 4 表面上，其散射光经接收器镜 片组 5 聚焦后在传感器 6 上成像。当激光束光轴与接 收器镜片组光轴之间的夹角 θ1 和传感器平面与接收 器镜片组光轴之间的夹角 θ2 满足 Scheimpflug 条件tanθ1 = βtanθ2 ( 式中 β 为横向放大率) 时，散射光可以 在感光元件上准确聚焦，且被测工件相对基准面的偏 离量 x 可以通过感光元件上聚焦点偏离基准点的位移 x'求得［2－4］

式中: a 为激光束光轴和接收透镜的交点到接收透镜 前主面的距离; b 为接收透镜后主面到成像面中心点 的距离。

      激光轮廓传感器通过精密楔形透镜将激光点扩展 为照度平均的激光线，并采用 COMS 矩阵传感器接收 散射光，使得激光轮廓传感器可以计算并输出一组二 维坐标值，该二维坐标的纵坐标反映传感器与待测工 件的距离值，横坐标反映线激光打在待测工件上的点 相对中轴的偏转角度。

1．3 机械定位子系统

       为保证测量精度，减少机床运动引入的误差，将待 检测壁板以 1 m 为间隔划分为若干区域。检测时，由 链式传动机构 1 带动待测壁板 2，使壁板局部待测区 域移动至检测范围内，驱动检测范围两侧的气缸，将壁 板锁紧至稳定状态，该区域检测完成后，重复上述过程 直至全部检测完成。

       在 X 向行程略大于 1 m 的局部检测范围内，4 个 激光轮廓传感器分置在 Y 向前滑板 9、Y 向后滑板 5 上，由电气控制子系统驱动伺服电机，沿 Y 向同步移 动，上下两组激光轮廓传感器同步工作，可以提高检测 效率近 1 倍。Y 向前导轨 8、后导轨 6 在底部连接固 定，构成一个大型的 U 型框，并通过滑块 4 沿 X 向上 侧导轨 3、X 向下侧导轨 7 水平移动。

      机械定位子系统结构简图如图 5 所示。

2   误差补偿

     贮箱壁板厚度激光检测系统的壁板检测设计极限尺寸为 5 500 mm×3 000 mm×30 mm，同时要求测量极 限误差≤0．03 mm。为实现该精度，通过数据处理子系 统对各种来源的误差进行补偿是一种常见做法。

2．1 误差组成

      激光测量子系统测量精度、工件在系统中的位置 精度、机械定位子系统制造及装配精度是检测系统系 统误差的主要来源，它们产生的误差分别称为传感器 示数误差、工件偏转误差、传感器间距误差，详述如下。

      ( 1) 传感器示数误差

     受激光轮廓传感器自身精度及待检测壁板表面质 量影响，激光轮廓传感器示数会偏离其真实值。待测 壁板粗糙度约 Ｒa6．3 μm，其表面波峰及波谷的高低差 约 6．3 μm，米铱 Scan Control Compact 2600－50 型激光 轮廓传感器测量精度为 4 μm，激光轮廓传感器理论示 数误差约为两者的和，即 0．01 mm。

     ( 2) 工件偏转误差

     蒙皮加筋结构的贮箱壁板，其主要加工手段为将某 一侧面吸附在高精度真空吸盘上，而对另外一面进行材 料铣切去除，由于该过程中材料去除并不均匀，卸除装 夹后，应力释放会导致贮箱壁板存在一定程度的翘曲变 形。将待测壁板放置在测量系统中，该翘曲变形体现为 壁板局部平面相对前、后激光轮廓传感器连线的偏转。

     在 Y 向，由于壁板自重会抵消大部分翘曲变形带 来的影响，同时激光轮廓传感器测量宽度狭窄，工件倾 斜带来的误差非常微小，可以忽略不计。但在 X 向， 试验发现壁板倾角最大可以达到 2°，产生 0．7 ～ 6 μm 的厚度误差，如图 6 所示。

     ( 3) 传感器间距误差

     传感器间距误差是指一组激光轮廓传感器中，前、后两个传感器之间的绝对距离 L 在 XOY 平面运动范 围内的变动量。滑块在直线导轨上的行走平行度误差 约 0．01 mm /m，即使采用了分区域局部测量的方式，每 组激光传感器的移动行程依然有 1 000 mm × 1 400 mm，仅单传感器沿 Y 轴一个维度移动带来的变动量就 可能达到 0．014 mm。作为大型设备，壁板厚度激光测 量系统有 X 向、Y 向导轨各两条，直线导轨行走平行度 带来的传感器偏移、扭转复合误差，最终体现在壁板厚 度测量误差上，至少产生与目标测量精度 0．03 mm 相 同量级的系统误差。

2．2 误差补偿

      针对传感器示数误差、工件偏转误差、传感器间距 误差等主要测量误差设计补偿流程如图 7 所示。

      ( 1) 噪点过滤

      由于激光三角法测距根据反射光在感光元件上的 聚焦点与基准点的相对位置计算距离值，这要求散射 光强度足够且光斑光能质心与几何中心重合［3］。通 过设置曝光时间、滤波参数等变量，可以获得较稳定的 数据输出，但无法兼顾待测工件光洁度过高引起强镜 面发射的情形。

      强镜面反射现象是激光轮廓传感器光信号接收过 程中最主要的噪点源，因为该现象会在感光元件上产 生不规则大光斑并造成示数值大幅度跳动，或者由于 将光线反射至其他方向( 少数情况下) 使得感光元件 接收到的光能不足而无示数。图 8 为待测壁板反射激 光的宏观图像，图 9 为与之对应的传感器瞬时示数。

      针对本文所述特定对象运载火箭贮箱壁板，实验 发现强镜面反射现象均发生在铣削接刀痕处，由二次铣削在接刀处产生了类似抛光效果造成，但采用超声 测厚仪测量、手触感受等手段验证，该位置厚度数据与 两侧一致无突变。

      线性数据去噪方法主要包括均值滤波法、中值滤 波法和高斯滤波法等［5］。考虑实际对象特征，本文采 用了更为简便的“突变点阀值滤波法”，即如果某一点 与邻近两点的示数差值均超过特定阀值，则判定该点 为突变点，予以清除。取激光轮廓传感器理论示数误 差 0．01 mm 为阀值，滤波效果如图 10 所示。

      ( 2) 数据精简

      米铱 Scan Control Compact 2600－50 型激光轮廓传 感器以每毫米 6 个点( 近似值，由于是角度的转换值， 每点之间的间隔并不均匀) 的密度采集数据，假如对 全部采集数据进行后处理并存储，需要耗用大量的内 存和存储空间，但测量精度几乎没有改善。为提高运 算效率，降低存储需求，需要对测量数据进行精简。以 某一指定值 p 为间隔，保留距线激光中心基准点 np( n 为整数) 附近±0．1p 范围内最近点的二维坐标，对测量 数据进行精简。噪点过滤、数据精简与数据采集过程 同步进行，数据处理过后立即释放原始采集数据。图 11 为按照 p = 0．5 mm 精简后的数据图像。

  ( 3) 标定补偿

    标定补偿的目的在于消除传感器间距误差带来的 影响。标定时，在前、后激光轮廓传感器之间放置一个 高精度塞尺，该塞尺与后侧传感器通过支架固定，标定 装置如图 12 所示。在全行程内采集数据，可以获得 前、后激光轮廓传感器在行程范围内各点实际间距相 对标准间距的变化量。多次采集并计算平均值，得到 消除偶然误差后 XOY 平面各点的标定补偿量。

    实际检测待测工件时，将各点标定补偿量叠加到 对应的激光轮廓传感器测量数据中，即可消除传感器 间距误差中的系统误差分量。

      ( 4) 数据回归

     由于壁板厚度测量的目的在于获取壁板厚度的宏 观尺寸，不必关注由粗糙度及传感器精度带来的微观 误差，因此可以通过数据回归的方式平滑扫描线数据。 最小二乘法是最常用的线性数值回归算法，经数据回 归处理并以±20 mm 为界线截取后的数据图像如图 13 所示。

      ( 5) 倾角补偿

      倾角补偿消除的是工件偏转误差，补偿量 Δd'由 前述补偿后该位置的厚度 d'及线性回归方程的斜率 k 计算获得，

2．3 剩余误差

       环境温度、风和振动等贮箱壁板厚度激光检测系 统所处的外部环境因素的波动，也会带来成因复杂的 误差，这些误差共同构成了检测系统数据补偿后的剩余误差。外部环境产生误差的作用机制及误差的外在 规律复杂多变、难以摸清，但是可以通过人为构建封 闭、半封闭空间将误差影响因素保持在稳定的范围内， 进而达到控制误差的目的。

3    结果分析

      以主要特征为小三角形网格结构的某贮箱壁板为 例，该壁板板幅 4 200 mm×2 450 mm，最大厚度 11 mm， 最小厚度 1．8 mm，厚度公差均为 0 ～ 0．2 mm。检测该 贮箱壁板，并以前处理( 噪点过滤、数据精简) 后的厚 度数据相对厚度基本尺寸的差值绘制厚度点云，如图 14 所示。在图 14 厚度数据基础上进行标定补偿，绘 制差值点云如图 15 所示。数据处理子系统完全补偿 后的厚度差值点云如图 16 所示。

     结果显示，由标定补偿消除的传感器间距误差宽 度最大，上侧传感器组间距误差宽度为 0． 166 mm ( －0．039～ +0．127 mm) ，下侧传感器组间距误差宽度为 0．208 mm( －0．047～ +0．161 mm) ，全行程范围内传感器 间距误差总宽度为 0．208 mm。

     由于数据回归、倾角补偿消除的传感器示数误差、 工件偏转误差复合误差宽度较小，两者影响叠加误差 宽度为 0．022 mm( －0．014 ～ +0．008 mm) ，仅传感器间 距误差的 10．6%。

      借助直尺和壁板特征定位，以超声测厚仪抽检 40 个随机选取的点( 如图 17 所示，该位置基本尺寸 4．5 mm) ，结果显示，最大误差 0．017 mm，平均误差 0．006 mm，满足≤0．03 mm 的测量精度要求。

     为避免由于抽检方式定位精度较低导致统计误差 小于实际误差的风险，超声测厚时对随机点四周半径 约 20 mm 的区域进行了全测并评估风险，认为小区域 内厚度变化几乎可以忽略，结论有效。

4   结语

     本文详细介绍了贮箱壁板厚度激光检测系统的工 作原理，分析了主要系统误差的作用机制，并结合实际 产品状态及目标要求，给出了简便、高效的数据处理、补 偿方案。实验验证了方案的有效性，并给出了传感器间 距误差、传感器示数与工件偏转复合误差的影响大小。