項目背景

? ? ? ?在現代飛機、運載火箭結構中，壁板常作為一些艙體和部段的主要組成部分。減少壁板質量是其設計和加工的一項重要要求。因此通常采用數控銑削的方式將壁板加工為網格狀。網格狀壁板厚度是艙段的重要參數，對其進行精確測量是對飛行器精準控制的前提。

? ? ? ?傳統的測量方式為，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，利用加工機床的導軌和數控系統進行測量掃描，即由測頭取代刀具，利用數控編程，實現各點的自動測量。專用軟件通過數據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一一匹配，從而實現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超聲波脈沖反射的原理來進行厚度測量的，當探頭發射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，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。（本項目經實驗室場景與實地場景驗證選擇水作為耦合劑）

技術路線

1、超聲波測厚儀及耦合劑滴定裝置遠程自動控制

2、測頭機構精巧設計

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程控制方式，通過掃描霍爾開關觸發信號，計算機獲取測量標志后向測厚儀發送測量厚度值指令，獲取多組厚度值，對其進行處理后完成測量。控制箱采集霍爾開關觸發信號，控制測量設備上的流量控制閥開關與耦合劑滴定速度，通過串口控制測厚儀執行測量功能，采集測厚儀信號。

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測頭機構精巧設計

測頭夾緊裝置的主要功能是：

①超聲波測頭定位、夾緊；

②霍爾開關安裝、夾緊；

③ 連接機床主軸。

夾具包括探頭、導向套、霍爾開關墊片、霍爾開關固定部件、外筒、彈簧、探頭固定部件等主要部件。

當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，滑動副內霍爾開關墊片與霍爾開關進行接觸從而觸發霍爾開關工作，從而控制測厚儀進行壁板厚度的測量。

▲探頭夾緊裝置內部結構圖

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壁板測量點自動提取算法?? ? ? ??

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測頭機構精巧設計

測頭夾緊裝置的主要功能是：

①超聲波測頭定位、夾緊；

②霍爾開關安裝、夾緊；

③ 連接機床主軸。

夾具包括探頭、導向套、霍爾開關墊片、霍爾開關固定部件、外筒、彈簧、探頭固定部件等主要部件。

當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，滑動副內霍爾開關墊片與霍爾開關進行接觸從而觸發霍爾開關工作，從而控制測厚儀進行壁板厚度的測量。

▲探頭夾緊裝置內部結構圖

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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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為了實現網格點的自動批量提取，需要完成的算法包括測量區域識別算法、按設計規則提取測量點算法、剔除不符合設計規則的測量點算法以及測量點路徑規劃算法等。 ?

測量區域分為網格區和焊接區。焊接區多為大的平面，測量時要求每隔一定的距離就要有測量點。網格區主要提取中心點以及在網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、邊緣點和網格點。

▲網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實現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隊設計的大型壁板厚度自動測量系統的演示視頻。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用。

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▲測試現場照片

軟件界面示意：

▲數據處理軟件界面示意圖

▲產品測量結果二維分布圖

▲基于OPENGL的測量數據三維顯示示意圖

結 語

航天飛行器壁板厚度測量對于精準控制飛行器有著至關重要的作用。本文介紹了航天器壁板在線測量厚度的原理、技術路線等。另外，超聲波傳感器在工業、國防、生物醫學等方面也有很多應用。

審核編輯：劉清