CN101078617A - 非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法及其装置，解决了筒形工件在加工过程中因人为因素影响工件管壁的检测准确度而导致的产品合格率低的问题。本发明的方法是：确定测量的基准点，在待测工件外表面上标注多个待测截面；将被测工件固定在车床的卡盘上，控制被测工件匀速旋转；将超声波耦合剂持续、均匀的喷射到被测工件表面；调整超声波探头分别对准多个待测截面，使所述超声波探头发出的超声波垂直射入待测截面的表面；根据编码器采集的信息控制测量、记录待测截面的旋转角度以及对应的外表面信息和壁厚信息；统计、分析记录的多个待测截面的外表面信息和壁厚信息。本发明的检测方法及装置可以广泛的应用到现有筒形工件的检测及加工指导过程中。

Description

非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法及装置

技术领域

筒形工件形位尺寸自动检测方法及装置涉及到筒形工件及类似产品的加工测量控制方法及装置。

背景技术

筒形工件及其类似产品大多需经过铸造及机械加工才能达到最终的尺寸要求，期间还要经过热处理及稳定化等工序，在这么多道工序的加工处理过程中不可避免地带来形变，在加工过程中，能够准确的检测到加工工件的形位尺寸是保证加工产品的成品率的一个重要的因素。在现有的筒形工件的加工过程中，对工件的形位尺寸控制多由加工技术工人采用手动测量多点壁厚值，然后根据测量数据凭经验确定加工调整方法及加工余量计算，虽然这种方法可以基本满足生产中的需要，但是由于受人为因素影响比较大，并且测试的数据点有限，特别是在筒形件内部结构比较复杂时，就难以保证加工产品的质量。

发明内容

为了解决筒形工件在加工过程中因人为因素影响工件管壁的检测准确度而导致的产品合格率低的问题，本发明提供了一种高精度的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法及装置。

非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法，具体步骤为：

步骤一：确定测量的基准点，在被测工件的外表面上标注多个待测截面位置z₁至z_n，然后执行步骤二；

步骤二：控制被测工件匀速旋转，同时使编码器与被测工件同步旋转，然后执行步骤三；

步骤三：将超声波耦合剂持续、均匀的喷射到被测工件表面，实现超声波耦合；然后执行步骤四；

步骤四：调整超声波探头位置，使超声波探头的中心轴线的延长线与被测工件的中心轴线相交，保证超声波探头发射的超声波垂直于被测工件的外表面入射，然后执行步骤五；

步骤五：调整超声波探头的位置，使超声波探头发出的超声波发射到第i个待测截面z_i上，记录所述待测截面z_i的位置信息，后执行步骤六；

步骤六：当编码器转过标定起始位置后，开始连续测量、记录编码器信息、超声波返回时间，直到编码器再次转回到标定起始位置时停止测量，根据记录的信息，计算获得每一个角度及其对应的待测截面z_i的外表面信息和壁厚信息，执行步骤七；

步骤七：判断i是否等于n？如果判断结果为是，表示所有待测截面z_i均测试完毕，执行步骤八；如果判断结果为否，表示还有待测截面z_i没有测量，i＝i+1，返回执行步骤五；

步骤八：统计分析步骤五和步骤六获得的n组信息，获得被测工件所有待测截面z_i的多点外表面信息和壁厚信息，测试完成；

各步骤中所述i为整数，且1≤i≤n。

实现本发明的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法的装置由编码器、超声波测量装置和检测控制计算机组成，所述超声波测量装置由耦合剂喷头、连接管和超声波探头组成，所述耦合剂喷头是带有通孔的圆管，所述连接管是三通结构，所述超声波探头的超声波发送/接收端嵌入所述连接管的传感器口，所述耦合剂喷头的一端嵌入所述连接管的输出口，使耦合剂喷头与连接管的输入口连通；所述检测控制计算机带有超声数据采集卡和运动采集卡，所述超声波探头的信号输出端与检测控制计算机的超声数据采集卡的数据输入端连接，所述编码器的信号输出端与检测控制计算机的运动采集卡的数据输入端连接。

本发明的检测方法能够迅速、准确地检测被测工件的多断面上的多点的壁厚、内外直径数据，一方面能够为评价产品质量提供有效数据，另一方面也为调整及高精度地加工被测工件提供了可靠的数据保障，能够降低产品的报废率，缩短工时，提高效率。本发明的检测装置，结构简单、安装方便、操作简便，在现有的车床上就可以方便的使用，可以广泛的应用到现有的管形工件的检测及加工指导过程中。

附图说明

图1是本发明的超声波测量装置的结构示意图；图2是图1中的部件连接管4的中心轴线剖视图；图3、图4是本发明的测量装置与车床配合使用的结构示意图；图5是超声波测量装置测量时与被测管形工件的位置关系示意图。

具体实施方式

本实施方式的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法为：

步骤一：确定测量的基准点，在被测工件的外表面上标注多个待测截面位置z₁至z_n，然后执行步骤二；

步骤二：控制被测工件匀速旋转，同时使编码器与被测工件同步旋转，然后执行步骤三；

步骤三：将超声波耦合剂持续、均匀的喷射到被测工件表面，实现超声波耦合；然后执行步骤四；

步骤四：调整超声波探头位置，使超声波探头的中心轴线的延长线与被测工件的中心轴线相交，保证超声波探头发射的超声波垂直于被测工件的外表面入射，然后执行步骤五；

步骤五：调整超声波探头的位置，使超声波探头发出的超声波发射到第i个待测截面z_i上，记录所述待测截面z_i的位置信息，后执行步骤六；

步骤六：当编码器转过标定起始位置后，开始连续测量、记录编码器信息、超声波返回时间，直到编码器再次转回到标定起始位置时停止测量，根据记录的信息，计算获得每一个角度及其对应的待测截面z_i的外表面信息和壁厚信息，执行步骤七；

步骤七：判断i是否等于n？如果判断结果为是，表示所有待测截面z_i均测试完毕，执行步骤八；如果判断结果为否，表示还有待测截面z_i没有测量，i＝i+1，返回执行步骤五；

步骤八：统计分析步骤五和步骤六获得的n组信息，获得被测工件所有待测截面z_i的多点外表面信息和壁厚信息，测试完成；

各步骤中所述i为整数，且1≤i≤n。

从步骤五、六、七是从第一个待测截面z₁开始，逐一的对n个待测截面进行测量。

在步骤三中所述的超声波耦合剂可以采用水或者机床用的冷却液，在超声波的测量路径上均匀的喷射耦合剂，保证了超声波传播速度的稳定，为获得精确的测量结果提供了有效的保障。

参见图3，在步骤六中，所述待测截面z_i的外表面信息和壁厚信息的计算方法为：

超声波探头距离被测工件外表面和被测量位置内表面的距离分别为l₁＝v₁×t₁/2、l₂＝l₁+d，被测工件测量位置的壁厚为：d＝v₂(t₂-t₁)/2，其中所述t₁为被测工件外表面超声回波信号传播时间，所述t₂为被测工件内表面超声回波信号传播时间，所述v₂是超声波在被测工件管壁中的传播速度，所述v₁是超声波在超声波耦合剂中的传播速度。

在步骤六中所述被测工件外表面信息是指被测工件表面是否有缺陷，根据比较测量得到的多个超声波探头距离被测工件外表面的距离为l₁的大小判断被测工件外表面是否有凸起或者凹陷。通过测量得到的d及l₂联合判断工件壁厚是否均匀、是否有偏心。

采用本实施方式的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法可以迅速、精确地检测工件多断面上多点的壁厚、内外直径数据，通过分析测量到的数据能够获得整体的形位尺寸，同时根据采集的数据可以计算工件两端相应的调整量。这样，可以较快地完成工件的加工，使工件在符合设计加工需求下，壁厚均匀，降低产品的报废率，缩短工时，提高效率。本实施方式的检测方法适合于筒形工件及类似产品的测量及指导加工，具有重要的实际意义。

用于实现本实施方式的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法的装置由编码器8、超声波测量装置20和检测控制计算机9组成，所述超声波测量装置20由耦合剂喷头2、连接管4和超声波探头5组成，所述耦合剂喷头2是带有通孔的圆管，所述连接管4是三通结构，所述超声波探头5的超声波发送/接收端嵌入所述连接管4的传感器口4-2，所述耦合剂喷头2的一端嵌入所述连接管4的输出口4-3，使耦合剂喷头2与连接管4的输入口4-1连通；所述检测控制计算机9带有超声数据采集卡和运动采集卡，所述超声波探头5的信号输出端与检测控制计算机9的超声数据采集卡的数据输入端连接，所述编码器8的信号输出端与检测控制计算机9的运动采集卡的数据输入端连接。

所述耦合剂喷头2的前端还可以是内径减缩喷口。

本实施方式的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测装置在应用的时候，保证所述超声波检测装置20的耦合剂喷头2的中心轴线的延长线与被测工件的中心轴线垂直相交，将耦合剂引入所述连接管4的输入口4-1，然后使编码器8与被测工件同步旋转。

本实施方式的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测装置可以与现有的车床配合使用，在配合使用的时候，被测工件1固定在车床的工件卡盘7上，所述超声波测量装置20固定在车床的刀架6上，调整超声波测量装置20的方向，使超声波测量装置20的耦合剂喷头2的中心轴线的延长线与被测工件1的中心轴线垂直相交，超声波测量装置20的耦合剂入口4-1通过软管11与外部的机床冷却液或者水源连通；所述超声波探头5的信号端与检测控制计算机9的超声采集卡的数据输入端连接，编码器8的转动输入轴与工件卡盘7的一端连接，保证所述编码器8的转动输入轴与被测工件1同步旋转，所述编码器8的信号输出端与检测控制计算机9的运动采集卡的信号输入端连接。

本实施方式中所述车床可以是通用车床。

本实施方式中所述编码器8通过三抓卡盘固定在机床尾部，所述编码器8的转动输入轴与机床的工件卡盘同轴转动。根据编码器8发出的脉冲编码信息能够获得工件旋转角度的信息。本实施方式中的编码器为光电编码器。

本实施方式中所述超声波探头为纵波直探头，如S-3533纵波直探头。

本实施方式中采用的超声采集卡及运动采集卡都是通用的，如HSD4的超声采集卡，enc600的运动采集卡。

在实际应用中，可以利用本实施方式测量的数据对被测工件进行调整加工，进而获得壁厚均匀的筒形工件，设定被测工件的轴向方向为Z轴、超声波探头指向方向为X轴，则Y轴为垂直于所述X轴和Z轴的方向，具体调整数据的分析计算过程为：

设定转轴中心为坐标圆点，超声波探头指向的方向为X轴正方向，垂直于超声波探头与被测工件旋转轴线的连线的下方向为Y轴正方向；在每个测量截面z_i的信息中选取三点A、B、C的数据信息，所述三点A、B、C的坐标分别为A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)、C(x₃，y₃)，其中三点与截面中心连线之间的夹角α、β、γ均为(120±15)°。则圆心坐标(X，Y)及内半径R的计算公式为：

$Y=\frac{\frac{(x_3^2-x_1^2)+(y_3^2-y_1^2)}{2(x_3-x_1)}-\frac{(x_2^2-x_1^2)+(y_2^2-y_1^2)}{2(x_2-x_1)}}{\frac{y_3-y_1}{x_3-x_1}-\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}},$

$X=\frac{x_3^2-x_1^2+(y_3-y_1)((y_3+y_1)-2Y)}{2(x_3-x_1)},$

$R=\sqrt{{(x_3-X)}^2+{(y_3-Y)}^2}.$

为了消除测试误差，可以在同一个测量截面z_i上选取多组三点进行计算，然后取其平均值的方法，即选取多组(A、B、C)测量点进行圆心位置计算，取多次计算结果的平均值作为该截面期望圆心位置坐标及内半径值。

为了更好和方便的根据测量数据调整加工余量，保证壁厚和直径等关键尺寸数据，将上述多个截面圆心数据根据最佳平方逼近原理进行空间直线拟合，得到工件的理想轴线方程：

$\frac{X-X_0}{{\mathrm{\α}}_0}=\frac{Y-Y_0}{{\mathrm{\β}}_0}=\frac{Z-Z_0}{{\mathrm{\γ}}_0}.$

根据上述方程可以给出被加工的工件的调整方法，具体步骤为：确定被测工件轴向调整位置Z，根据轴线方程即可求得相应的X、Y的数值，即径向调整量，根据其符号确定加工调整的方向；调整之后，对被测工件的外表面进行车削加工，加工出壁厚均匀的筒形工件。

根据本实施方式获得的被测量工件的理想轴线的方程调整被测工件的位置，然后进行加工，进而获得高精度的筒形工件加工产品。

Claims (9)

1、非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法，其特征在于它的具体步骤为：

步骤一：确定测量的基准点，在被测工件的外表面上标注多个待测截面位置z₁至z_n，然后执行步骤二；

步骤二：控制被测工件匀速旋转，同时使编码器与被测工件同步旋转，然后执行步骤三；

步骤三：将超声波耦合剂持续、均匀的喷射到被测工件表面，实现超声波耦合；然后执行步骤四；

步骤四：调整超声波探头位置，使超声波探头的中心轴线的延长线与被测工件的中心轴线相交，保证超声波探头发射的超声波垂直于被测工件的外表面入射，然后执行步骤五；

步骤五：调整超声波探头的位置，使超声波探头发出的超声波发射到第i个待测截面z_i上，记录所述待测截面z_i的位置信息，后执行步骤六；

步骤六：当编码器转过标定起始位置后，开始连续测量、记录编码器信息、超声波返回时间，直到编码器再次转回到标定起始位置时停止测量，根据记录的信息，计算获得每一个角度及其对应的待测截面z_i的外表面信息和壁厚信息，执行步骤七；

步骤七：判断i是否等于n？如果判断结果为是，表示所有待测截面z_i均测试完毕，执行步骤八；如果判断结果为否，表示还有待测截面z_i没有测量，i＝i+1，返回执行步骤五；

步骤八：统计分析步骤五和步骤六获得的n组信息，获得被测工件所有待测截面z_i的多点外表面信息和壁厚信息，测试完成；

各步骤中所述i为整数，且1≤i≤n。

2、根据权利要求1所述的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法，其特征在于步骤三中所述的超声波耦合剂可以采用水或者机床用的冷却液。

3、根据权利要求1所述的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测方法，其特征在于，在步骤六中所述的待测截面z_i的外表面信息和壁厚信息的计算方法为：

超声波探头距离被测工件外表面和被测量位置内表面的距离分别为l₁＝v₁×t₁/2、l₂＝l₁+d，被测工件测量位置的壁厚为：d＝v₂(t₂-t₁)/2，其中所述t₁为被测工件外表面超声回波信号传播时间，所述t₂为被测工件内表面超声回波信号传播时间，所述v₂是超声波在被测工件管壁中的传播速度，所述v₁是超声波在耦合剂中的传播速度。

4、非接触式筒形工件形位尺寸自动检测装置，由编码器(8)、超声波测量装置(20)和检测控制计算机(9)组成，其特征在于所述超声波测量装置(20)由耦合剂喷头(2)、连接管(4)和超声波探头(5)组成，所述耦合剂喷头(2)是带有通孔的圆管，所述连接管(4)是三通结构，所述超声波探头(5)的超声波发送/接收端嵌入所述连接管(4)的传感器口(4-2)，所述耦合剂喷头(2)的一端嵌入所述连接管(4)的输出口(4-3)，使耦合剂喷头(2)与连接管(4)的输入口(4-1)连通；所述检测控制计算机(9)带有超声数据采集卡和运动采集卡，所述超声波探头(5)的信号输出端与检测控制计算机(9)的超声数据采集卡的数据输入端连接，所述编码器(8)的信号输出端与检测控制计算机(9)的运动采集卡的数据输入端连接。

5、根据权利要求4所述的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测装置，其特征在于所述耦合剂喷头(2)的前端是内径减缩喷口。

6、根据权利要求4所述的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测装置，其特征在于所述编码器(8)是光电编码器。

7、根据权利要求4所述的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测装置，其特征在于所述超声波探头(5)是纵波直探头。

8、根据权利要求4所述的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测装置，其特征在于所述超声采集卡是HSD4型；

9、根据权利要求4所述的非接触式筒形工件形位尺寸自动检测装置，其特征在于运动采集卡是enc600型。

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