基于光谱共焦测量原理的波形弹簧自由高度检测技术分析

杨林林,谭骏,杨维川

中国工程物理研究院机械制造工艺研究所

1 引言

波形弹簧在空调压缩机主机、航天电器连接头、工业制动器、浮动齿轮机构等装置中均应用广泛。波形弹簧通常是由冲压成型,自由高度作为一项重要尺寸参数,会对其最终的力学性能产生重要影响[1,2],在产品制造过程中需要精确控制。特别在制造过程中的热处理阶段,需要根据其自由高度尺寸进行分组热处理,并采用不同的工艺参数进行性能调控,从而使其最终的力学性能满足使用要求,因此波形弹簧自由高度的精确测量至关重要。

波形弹簧通常是由壁厚为0.2～1.6mm的冷轧弹簧钢带经冲压成型的弹簧元件(见图1),其沿圆周方向带有若干个正弦波形,具有减振、储能、降噪与补偿等作用。传统的波形弹簧自由高度测量方法主要采用游标卡尺、深度尺或量规等通用量具进行接触式测量,例如JB 13296—2017《波形弹簧 技术条件》中介绍了波形弹簧自由高度的检测方法[3],即采用分度值≤0.02mm的游标深度尺或专用检具测量弹簧的最高点作为其自由高度值;HG/T 2479—2020《机械密封用波形弹簧技术条件》介绍波形弹簧自由高度可用弹簧试验机(精度5%)或通用量具(精度值0.05mm)测量,并且对同一波形弹簧各波高度偏差有明确要求[4]。

图1 波形弹簧结构

由于波形弹簧属于弹性元件,厚度薄且易变形,上述接触式测量存在误差较大、测量重复性差等问题,并且波形弹簧在制造过程中(热处理、表面处理等工序前后)表面颜色会从银白色变为黑褐色,这种表面颜色变化容易对激光三角法等[5,6]光学测量方法产生较强干扰,因而难以满足高性能制造对测量精度的要求。

光谱共焦位移传感器利用光学色散原理建立位移与波长之间的数学关系,其测量结果不受被测件材料、颜色及表面粗糙度等因素影响[7,8],非常适合用于波形弹簧自由高度的精确测量。因此,本文提出一种基于光谱共焦原理的波形弹簧自由高度测量方法,以彩色共焦位移传感器+精密机械转台组成旋转扫描测量系统,通过轮廓扫描、轮廓滤波及峰值提取等步骤,完成波形弹簧所有波峰峰值的非接触精密测量,从而提高波形弹簧自由高度的检测效率及精度。

2 波形弹簧自由高度测量方法

2.1 基本原理

光谱共焦位移传感器是基于光学色散原理来建立位移与波长的数学关系,其原理见图2。复色光经过分光镜后进入色散镜头,经过色散镜头后发生光谱色散,不同波长的光在光轴的不同位置处聚焦,只有焦点在被测物体表面上且特定波长的光才能被反射并通过光阑,其余波长的光由于不满足共焦关系而被光阑滤除,通过光谱仪的光谱分布即可分析出被测物体的位移信息。

图2 光谱共焦测量原理

为了对波形弹簧的自由高度进行高效精确测量,基于光谱共焦测量原理建立光谱共焦位移传感器+精密旋转平台的旋转扫描测量方法,其原理见图3。该方法以精密旋转平台表面作为测量基准,将波形弹簧置于旋转平台中心,利用平台带动波形弹簧旋转,并利用光谱共焦传感器实时采集波形弹簧上表面轮廓高度数据,通过数据滤波、峰值提取等过程,最终得到波形弹簧各波峰的峰值点高度,并以其中最大峰值高度作为波形弹簧的自由高度值。

图3 波形弹簧自由高度测量方法

2.2 波形弹簧轮廓数据滤波

由于模具制造误差、环境噪声、振动及表面材质等因素影响,实际获得的波形弹簧轮廓并非理想正弦波型,且轮廓数据受噪声影响较大(见图4a),这将对波峰高度的评定造成极大干扰。为此,需要对轮廓数据进行滤波处理,采用移动平均滤波算法滤除原始信号中的噪声信号,滤波窗口为1×5,经过滤波后,原始轮廓噪声信号得到极大抑制(见图4b)。

(a)原始轮廓

2.3 提取波形弹簧轮廓数据峰值

经过滤波后的波形弹簧轮廓在波峰处仍然不是单调变化,在波峰部位可能存在多个极值点,常规峰值提取算法以轮廓的极大值点作为波峰的峰值点,可能会提取到错误极值点,导致高度测量结果发生较大偏差(见图5)。

图5 常规峰值提取算法

针对上述情况提出等步距窗口移动的峰值提取算法,用于快速精确提取波形弹簧各个波峰峰值点,有效提高峰值提取结果的抗干扰性,其原理见图6。

图6 波峰峰值提取算法

算法的峰值提取步骤为:

①设定峰值提取的阈值T,即波形弹簧的峰值应大于阈值T;

②根据阈值T,搜索轮廓数据中高度为阈值T的上升沿点位a及下降沿点位b;

③在上升沿a与下降沿b的范围内搜索波形弹簧的初始波峰值Peak及其位置c;

④根据波形弹簧的轮廓数据特征,设置搜索窗口大小W及搜索步距S;

⑤对波形弹簧的轮廓数据继续搜索阈值T的下一个上升沿d,则ad间的距离即设置为搜索步距S,搜索窗口设置为ab/k,根据波形弹簧轮廓数据的密集程度k可设为2,3,4,…;

⑥按照搜索步距及搜索窗口大小搜索轮廓数据中8个波峰峰值点Peaks;

⑦通过搜索8个峰值点中的最大值作为该波形弹簧的自由高度H。

利用峰值提取算法实现波形弹簧8个波峰峰值点的精确提取,峰值点提取结果见图7。

图7 波形弹簧峰值提取结果

3 实验与分析

3.1 搭建旋转扫描测量系统

为了验证本文提出的检测方法及相关算法,使用精密机械转台、光谱共焦传感器、直线送料机构、传感器位姿调整机构等搭建了旋转扫描测量系统(见图8)。其中,精密机械转台的端面跳动及径向跳动均小于5μm,定位精度以及重复定位精度均优于0.05°;光谱共焦传感器为基恩士CL-L030的彩色共焦位移传感器,测量范围为±3.7mm,分辨率0.25μm,直线性±0.94μm。通过位姿调整机构对传感器的位姿进行调节,使传感器的光轴与精密机械转台的平面保持垂直。

图8 旋转扫描测量系统

测量时,将波形弹簧逐件放置到滑轨上,由滑轨将单件波形弹簧送到直线送料机构的圆弧定位工装前端;光电传感器检测到波形弹簧的存在,驱动直线送料机构将波形弹簧推送到精密机械转台的中心;由精密机械转台带动波形弹簧绕转台中心进行回转,同时光谱共焦传感器实时采集波形弹簧的轮廓数据;当波形弹簧完成一周扫描后,系统进行数据处理与分析,计算出其自由高度值;直线送料机构根据波形弹簧的自由高度值对其进行分拣。

3.2 测量系统校准

系统搭建完成后,使用多个标准量块在旋转平台多个位置进行校准,其校准结果见表1。由表可知,对于0.000～3.000mm高度范围内,旋转扫描测量系统的测量误差在0.003mm以内,表明测量系统具有非常高的测量精度。

表1 旋转扫描系统校准结果 (mm)

3.3 测量方法对比

为了验证波形弹簧的测量效果,以某件波形弹簧作为试验件,分别采用人工检测方法和旋转扫描测量法对同一件零件进行10次测量。其中,人工测量采用JB/T 13296—2017《波形弹簧 技术条件》中介绍的测量方法,使用百分表+二级精密平台的方法测量波形弹簧的多个波峰的最高点作为其自由高度。根据百分表的示值误差可知,人工测量方法的测量精度约为0.01mm。两种测量方法的测量结果对比见表2。

表2 旋转扫描测量与人工检测结果对比 (mm)

由表2可知,人工测量法的结果在0.82～0.85mm的范围内波动,平均值为0.831mm,均方根误差为0.0094mm;而旋转扫描测量法的自由高度测量值在0.870～0.874mm的范围内波动,平均值为0.872mm,均方根误差为0.0013mm,旋转扫描测量法的测量重复性更好。根据测量平均值可知,人工测量过程产生的测量力会使波形弹簧沿高度方向有0.03mm的压缩量,此压缩量受检测人员对最高点判断等主观因素影响。此外,与人工测量效率相比(60s/件),旋转扫描测量系统的检测效率为16s/件,检测效率提升200%以上,有利于降低检验人员的劳动强度。

3.4 测量不确定度分析

影响波形弹簧自由高度测量不确定度来源主要包括机械转台的端面跳动、传感器的示值误差、测量重复性、传感器光轴与转台台面垂直度误差等方面。

(1)机械转台端面跳动引起的标准不确定度μ1

根据精密机械转台的出厂证书,精密机械转台的端面跳动最大限值为0.005mm,假设端面跳动按照正态分布估计,则包含因子为2,由端面跳动引起的标准不确定度为

(2)传感器示值误差引起的标准不确定度μ2

在传感器的出厂手册中可以查到彩色共焦位移传感器的示值误差(直线性)为0.94μm,检定合格。

(3)测量重复性引起的标准不确定度μ3

测量同一件波形弹簧波峰平均值10次,测量结果见表3。

表3 波形弹簧波峰重复性测量结果 (mm)

对测量结果取平均值为

由贝塞尔公式计算测量的波峰平均值标准不确定度为

(4)传感器光轴与转台台面垂直度误差μ4

光轴与转台台面的垂直度误差(见图9)将导致测得值的误差,当被测长度为L、光轴与转台台面的夹角为θ时,测量误差为

图9 光轴与转台台面垂直度误差

ΔL=L(1-cosθ)

式中,θ最大限值为5°,波峰高度差值≤0.2mm,则测量误差ΔL≤7.612×10-4mm。

按正态分布估计,则其引起的标准不确定度为

(5)合成标准不确定度

由于各输入量之间相互独立,则合成标准不确定度为

(6)扩展不确定度

在工程应用中包含因子k=2,其置信水平约为0.95,则扩展不确定度U为

U=kμc=6.276×10-3mm

(7)测量结果

T=(0.872±0.006)mm

4 结语

针对当前波形弹簧自由高度的人工测量效率低、误差大的问题,提出了基于光谱共焦测量原理的波形弹簧旋转扫描测量方法,利用光谱共焦位移传感器与精密机械转台组成旋转扫描测量系统,实现对波形弹簧表面轮廓的扫描测量,获取波形弹簧表面大量轮廓数据,并提出一种基于等步距窗口移动的峰值提取算法,实现了波形弹簧所有波峰峰值点的精确提取,最终有效提高波形弹簧自由高度的检测效率及精度。