于保華 陶志勇 陸志平 胡小平

(①杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018;②成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)由于重量輕、密度小、比強(qiáng)度高、自熄性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、導(dǎo)彈等設(shè)計(jì)要求比較嚴(yán)格的夾芯結(jié)構(gòu)零件中。超聲數(shù)控切割新工藝具有加工效率高、加工質(zhì)量好、環(huán)境污染少、能耗低等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為Nomex蜂窩夾芯等新興航空復(fù)材零件加工的一個(gè)重要發(fā)展方向［1］。

對(duì)刀是數(shù)控加工前的重要工藝過(guò)程，Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲數(shù)控切割對(duì)刀不同于傳統(tǒng)數(shù)控加工對(duì)刀，前者主要依靠匕首式直刃刀(簡(jiǎn)稱(chēng)直刃刀)角度控制，所以對(duì)刀時(shí)除了需要獲取刀具長(zhǎng)度信息外，還需要額外獲取直刃刀的零位角度信息，為超聲直刃刀的切割刃在工件坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確定位提供基礎(chǔ)。圖1為奧地利GFM公司的超聲直刃刀［2］。

目測(cè)角度對(duì)刀方法需要人工多次目測(cè)來(lái)調(diào)整獲取零位角度信息，該方法耗時(shí)、費(fèi)力，且精度穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響主軸切割聲學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［3］，進(jìn)而影響Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲數(shù)控切割精度和效率。近年來(lái)興起的激光非接觸式對(duì)刀方法是一種借助激光線投射到被測(cè)刀具上，再通過(guò)遮擋后的光信息來(lái)獲取刀具參數(shù)的方法，具有操作簡(jiǎn)單、省力且精度穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代數(shù)控加工對(duì)刀的一種發(fā)展趨勢(shì)［4－5］。

本文吸收借鑒國(guó)外先進(jìn)激光非接觸式對(duì)刀儀的理論和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲直刃刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高靈敏度光電位置敏感探測(cè)器(position sensitive detector，PSD)優(yōu)點(diǎn)［6－7］，提出一種基于平行激光遮擋理論的超聲直刃刀激光對(duì)刀方法。首先，推導(dǎo)并建立一維PSD獲取超聲直刃刀角度的測(cè)量計(jì)算模型，分析不同的刀具截面刃寬參數(shù)對(duì)角度檢測(cè)靈敏度的影響規(guī)律，從而幫助后續(xù)激光對(duì)刀儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨后，設(shè)計(jì)了Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲直刃刀激光對(duì)刀儀的機(jī)械電氣方案以及采集控制程序。最后構(gòu)建了激光對(duì)刀儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展零位角度的性能測(cè)試和分析研究。結(jié)果表明，本文研制的直刃刀激光對(duì)刀儀具有較好的零位角度獲取精度。

1 直刃刀角度測(cè)量模型分析

1.1 一維PSD測(cè)量模型推導(dǎo)

PSD是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的大光敏面的光電二極管，又稱(chēng)為P－N結(jié)光電傳感器［5－8］。利用直刃刀的角度影響平行激光束投射截面積，進(jìn)而影響接收端一維PSD傳感器光通量，兩端光通量總和最大反映直刃刀剛好位于零位角度的原理，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)PSD光電流來(lái)獲取超聲直刃刀的零位角度。在分析一維PSD結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，繪制直刃刀角度測(cè)量原理如圖2所示。

激光投影刀具截面的刃中心寬、刃邊寬、刃厚分別為a、c、h，激光源與PSD傳感器分別安裝在直刃刀的兩側(cè)，刀軸矢量垂直于平行激光平面。激光源產(chǎn)生寬度為b1的平行一字線激光，經(jīng)過(guò)直刃刀截面的遮擋寬b2后，投射至對(duì)面一維PSD傳感器的感光面上。對(duì)確定的激光源和特定的刀具而言，參數(shù)a、c、h、b1都為固定值，只有直刃刀角度θ變化會(huì)導(dǎo)致b2變化?？紤]到θ變化時(shí)，遮擋寬b2的投影計(jì)算模型有所不同，θ較大時(shí)對(duì)應(yīng)的圖2a狀態(tài)1，其計(jì)算模型如下:

從式(1)可以看出，θ較大時(shí)，遮擋寬b2主要依賴(lài)于刀刃中心寬a和轉(zhuǎn)角θ，與刀刃邊寬和刃厚無(wú)關(guān)。隨著轉(zhuǎn)角θ逐漸變小，遮擋寬的計(jì)算從刃中心寬端點(diǎn)移到了刃邊寬端點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)圖2b狀態(tài)2，其計(jì)算模型改成:

θ較小時(shí)，遮擋寬b2主要由刀刃邊寬c、刀刃厚h和轉(zhuǎn)角θ共同決定，與刀刃中心寬a無(wú)關(guān)。測(cè)量時(shí)激光源寬度b1是固定的，遮擋寬b2的變化會(huì)反映到投射至PSD光敏面上的光通量，進(jìn)而光電流也隨著變化［4－5］。當(dāng)直刃刀到達(dá)零位角度時(shí)，光電流達(dá)到最大峰值，光電流可通過(guò)I/V信號(hào)調(diào)理，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，從而便于采集控制單元分析處理。

1.2 刃寬影響分析

直刃刀角度測(cè)量時(shí)，厚度h往往是固定的，但刀具測(cè)量截面刃中心寬a和刃邊寬c可以通過(guò)直刃刀軸向位移來(lái)選擇。為了便于更直觀分析，分別繪制如表1所示的小、中、大3種刃寬截面尺寸條件下b2－θ間的變化規(guī)律。

表1 3種刃寬截面尺寸表

考慮到直刃刀對(duì)稱(chēng)性，分析轉(zhuǎn)角范圍確定為θ∈[－ 90°，90°]。根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算遮擋寬 b2值，取兩者絕對(duì)值大的繪制隨轉(zhuǎn)角θ的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，θ正負(fù)90°范圍內(nèi)遮擋寬b2呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，并隨θ絕對(duì)值減小而減少;零位角度時(shí)，遮擋寬b2達(dá)到最小。另外，投影截面刃寬不同，零位角度附近的斜率有所不同，小刃寬斜率小，大刃寬斜率大;斜率越大表明遮擋寬b2隨轉(zhuǎn)角θ變化越敏感，越有利于零位角度檢測(cè)獲取。由曲線變化規(guī)律可以看出，直刃刀零位角度檢測(cè)時(shí)，應(yīng)盡量選擇刃寬大的截面進(jìn)行角度檢測(cè)。

2 直刃刀激光對(duì)刀儀設(shè)計(jì)

在平行激光遮擋理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合超聲直刃刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用需求，利用一維PSD傳感器和半導(dǎo)體激光源單元，開(kāi)展超聲直刃刀零位角度對(duì)刀儀系統(tǒng)機(jī)電方案設(shè)計(jì)以及采集控制軟件設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合一維PSD傳感器和半導(dǎo)體激光源結(jié)構(gòu)與電氣特點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)刀儀系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖4所示。系統(tǒng)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和采集電控部分。

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包含了激光源、PSD傳感器和安裝支架，激光源采用635nm波長(zhǎng)的一字平行激光器，為檢測(cè)提供穩(wěn)定均勻的平行激光束;傳感器采用2mm×20mm感光面積的一維PSD傳感器，為投射光檢測(cè)提供高靈敏度的感測(cè)單元;安裝支架采用304不銹鋼材質(zhì)，為激光源和PSD傳感器固定提供可靠保障。采集控制部分主要包含了激光器電源、激光控制輸出、電源及晶振電路、I/V轉(zhuǎn)換及放大、LED驅(qū)動(dòng)/顯示、NPN晶體管輸出和主控芯片。PSD傳感器輸出是兩路電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換及放大模塊變成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)提供給AD模塊采集;顯示模塊將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示給用戶;當(dāng)PSD傳感器采集信號(hào)達(dá)到零位角度時(shí)，通過(guò)NPN晶體管輸出模塊給數(shù)控系統(tǒng)提供角度到位信號(hào)。激光控制輸出模塊根據(jù)程序設(shè)定控制激光器開(kāi)啟。主控芯片采用ATMEL公司的Atmega16芯片，具有高速、低功耗、超強(qiáng)功能、精簡(jiǎn)指令、內(nèi)置10位AD模塊等特點(diǎn)，總體協(xié)調(diào)PSD信號(hào)采集、顯示及輸出。

2.2 程序設(shè)計(jì)

對(duì)刀儀除了硬件設(shè)計(jì)外，還需要設(shè)計(jì)主控芯片的程序，從而為對(duì)刀儀提供超強(qiáng)的靈活性和可升級(jí)性。分析對(duì)刀儀工作流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了直刃刀零位角度對(duì)刀的程序流程，如圖5所示。

首先進(jìn)行軟硬件參數(shù)的初始化處理，對(duì)刀啟動(dòng)后第一步:打開(kāi)激光源并通過(guò)PNP晶體管輸出信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)控制刀具啟動(dòng)旋轉(zhuǎn);啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，進(jìn)入AD采集及存儲(chǔ)循環(huán)，超出設(shè)定時(shí)間Δt后結(jié)束該循環(huán)，Δt約為直刃刀對(duì)刀旋轉(zhuǎn)一周需要的時(shí)間;隨后，對(duì)前面采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行極值分析，計(jì)算獲取“零位角參考值”;隨后進(jìn)入零位角度查詢循環(huán)，根據(jù)需要對(duì)一維PSD輸出信號(hào)進(jìn)行高速采集，數(shù)據(jù)經(jīng)滑動(dòng)平均濾波等處理后，進(jìn)入AD采集及顯示循環(huán)，如果采集數(shù)據(jù)達(dá)到“零位角參考值”，則結(jié)束該循環(huán)，同時(shí)零位信號(hào)標(biāo)識(shí)輸出，并通過(guò)PNP晶體管輸出信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)控制刀具關(guān)閉旋轉(zhuǎn);激光源關(guān)閉并結(jié)束該對(duì)刀程序。程序中采用一種“零位角參考值”的概念，采集循環(huán)共分2次:第1次采集循環(huán)，刀具旋轉(zhuǎn)1周以上的 PSD數(shù)據(jù)，取其最大值作為此次對(duì)刀的“零位角參考值”;第2次采集循環(huán)，刀具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并將PSD持續(xù)采集的數(shù)據(jù)與此參考值對(duì)比，再次達(dá)到該值時(shí)則零位標(biāo)識(shí)輸出同時(shí)關(guān)閉激光源;這種動(dòng)態(tài)“零位角參考值”可以較好地克服每次測(cè)量零位角度對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)可能存在的誤差，比如刀具橫截面偏差以及激光源光強(qiáng)等因素。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證激光對(duì)刀儀零位角度獲取精度和穩(wěn)定性，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，設(shè)計(jì)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖6所示，采用歐姆龍角度編碼器配合顯示器來(lái)比對(duì)驗(yàn)證對(duì)刀儀的零位角度檢測(cè)性能和精度。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括直刃刀激光對(duì)刀儀、角度微分(RSP40－L)、角度編碼器(E6C3－AG5C)及配套的顯示模塊(H8PS－8BF)、一維微調(diào)滑臺(tái)等模塊組成。調(diào)整角度微分獲取零位角度附近的7個(gè)不同投影截面的激光對(duì)刀儀的顯示輸出AL及角度編碼器顯示AC，如表2所示。

表2 對(duì)刀儀與編碼器數(shù)據(jù)對(duì)比表

表2中數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)3次平均值，角度編碼器與激光對(duì)刀儀的顯示輸出走勢(shì)完全一致，激光對(duì)刀儀數(shù)據(jù)存在微小的偏差，可能是實(shí)驗(yàn)激光源穩(wěn)定性不足或讀數(shù)誤差引起的，但這并不影響零位角度的獲取精度，可通過(guò)動(dòng)態(tài)“零位角參考值”來(lái)消除這些誤差，從而提高直刃刀零位角度的獲取精度。實(shí)驗(yàn)顯示直刃刀激光對(duì)刀儀在角度編碼器輸出顯示零時(shí)準(zhǔn)確可靠地輸出了“零位角標(biāo)識(shí)”信號(hào)。從而表明本文提出的直刃刀激光對(duì)刀方法和系統(tǒng)是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

在分析Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲數(shù)控切割對(duì)刀需求特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于平行激光截面遮擋原理的直刃刀激光對(duì)刀方法，推導(dǎo)并建立了激光投射直刃刀角度的計(jì)算模型，研究了刀具刃寬對(duì)零位角度獲取的影響規(guī)律，從而幫助指導(dǎo)直刃刀激光對(duì)刀儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在分析直刃刀激光對(duì)刀儀功能和性能的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、電氣控制以及主控程序的設(shè)計(jì)。還提出了一種“零位角參考值”的概念，通過(guò)每次測(cè)量獲取參考值來(lái)減小刀具截面偏差以及激光源光強(qiáng)偏差可能帶來(lái)的影響。

構(gòu)建了一套直刃刀激光對(duì)刀儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，借助角度編碼器及顯示模塊來(lái)對(duì)比直刃刀激光對(duì)刀儀零位角度的獲取精度。兩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常吻合，表明本文給出的對(duì)刀方法和系統(tǒng)是可行的，可為PSD激光對(duì)刀方法在Nomex蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超聲數(shù)控切割應(yīng)用提供對(duì)刀支撐。

需要指出的是，研究暫時(shí)完成了直刃刀激光對(duì)刀儀實(shí)驗(yàn)室條件下的驗(yàn)證，與超聲數(shù)控切割機(jī)床的軟硬件調(diào)試和應(yīng)用研究還有待今后進(jìn)一步探索研究。

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