CN102494645A

CN102494645A - 一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置及其方法

Info

Publication number: CN102494645A
Application number: CN2011103778406A
Authority: CN
Inventors: 王明泉; 李光亚; 李世林; 王玉; 侯慧玲; 李高亮
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: CN102494645B

Abstract

本发明主要公开了一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置及其方法，采用超声测量原理对待测试件壁厚进行测量，通过对测量数据的融合处理计算被测件内腔尺寸数据。针对微小内尺度的精密测量问题提出了一种非接触式、检测速度快、原理简单、结果精确且成本相对低廉的基于超声的内腔尺寸检测系统。利用多组超声探头对被测件壁厚进行非接触测量，避免对被测件的挤压和磨损，保证测量安全。同时对多探头的测量数据进行数据融合，通过对多个探头不同角度、不同时刻、不同层次、不同幅度和形状等数据来确定被测对象内部尺寸、形状及分布，给出被测件内腔尺寸情况的综合数据。

Description

一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及机器视觉技术和工业检测技术领域，具体涉及一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置及其方法。

背景技术

机器视觉是一项集合了数字图像处理、机械、控制、计算机软硬件等技术的一项综合技术。机器视觉系统可以实现对产品的无接触检测，可以快速获取大量信息，因此，机器视觉技术作为一种重要的检测手段已经日益引起人们的重视，并在工业检测中得到了越来越广泛的应用。

随着制造技术的不断发展，对精密工件内腔体零部件的需求迅速增长，其应用领域也在不断扩展。精密工件内尺度测量技术为精密工件内腔体零部件的制造和加工提供了有力的检测保障，因而对新技术的发展起到了重要的推动作用。由于被测面在内部，测量工具受到空间限制，使一般探头无法伸入到被测件内部，导致测量过程无法进行，因而精密工件内尺度技术的发展受到限制，使内尺寸的测量原理及方法成为国际上该领域的重要技术难题。目前国内各钢铁公司大都采用标准量具如游标卡尺对工件进行手工测量，只能测得有限几个尺寸，不仅精度低，而且测量结果并不能完全描述工件的情况。虽然国内外学者对此进行了大量研究，提出了一些测量方法，如气动测量法等，从一定程度上满足了某些场合的要求，达到了一定的测量精度，但综合这些测量方法，它们存在的共性问题是：(1)测量精度不够高；(2)对内尺寸表面杂质和毛刺的影响不能消除；(3)对深孔或者盲孔无法完成测量任务。因此工件内腔尺寸测量成为亟待解决的科学问题。

基于超声(超声波)的内腔尺寸精密测量方法集机械、电气和计算机技术于一体，是当前重要的测量工具之一。目前广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。由于它通用型强、测量范围大、精度高、效率高、性能好，已成为一类普遍的测量精密仪器。超声的内腔尺寸精密测量作为现代精密测量方法，既可方便地进行空间三维尺寸的测量，又可实现在线检测及自动化测量。

随着数学、计算机科学、数字图像处理等技术的发展，为工件内腔尺度提供了新的测量技术。本发明提出的基于超声的内腔尺寸精密测量方法，除了具有一般测量的各项功能，还能进行更复杂的工件进行自动测量。自动测量结束后，经过相关的数据处理，得到工件的主要参数，并根据已知指标进行相关判断，给出工件内腔尺寸情况的报告。

发明内容

本发明的主要目的是采用超声的内腔尺寸精密测量方法对工件壁厚进行测量从而计算其内腔尺寸，判断被测工件的内腔尺寸的主要参数。针对工件检测存在的技术及成本问题设计的一种检测速度快、原理简单、结果精确且成本相对低廉的基于超声的内腔尺寸精密测量方法。利用多组超声探头对工件的壁厚进行非接触测量，保证测量安全。同时对多探头的测量数据进行数据融合，通过对多个探头不同角度、不同时刻、不同层次、不同幅度和形状等数据来确定被测对象内部尺寸、形状及分布，给出被测工件的内腔尺寸情况的综合评判。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，包括：

夹具，夹持待测试件、并能绕轴自转的工具；

探头盒，对置安装有分别连接超声波发射接收卡的两个探头，并安装在轨道上受动力驱使沿待测试件的轴向位移；

循环水路，包括储水槽、位于其中一侧夹具上表面的上水盒、与探头盒连通的储水盘，储水槽中的水由上水管抽至上水盒，再由探头盒供水管连通流至探头盒中，实现探头和水的耦合，最后探头盒的水经过储水盘回流至储水槽中，形成一个循环水路；

驱动装置，驱动探头盒在导轨上位于的动力部件一和驱动夹具绕轴自转的动力部件二；

工控机，内置上述超声波发射接收卡，接收探头检测数据，结合软件进行数据处理，并将结果加以显示；同时控制驱动装置执行动作的控制机构。

所述的循环水路中，储水槽中设置有由工控机控制的水泵与上水管连接，水由水泵驱动循环。

所述的夹具设置有手轮调整待测试件装夹位置。

所述的基于超声的内腔尺寸精密测量装置为一个全密封结构，上述所有部件都位于全密封结构内部，除储水槽、探头盒及储水盘之外的部件均已做防水处理。

所述的全密封结构中，储水槽、上水盒、工控机的安放位置均设有开口装置，便于以上设备的安装和放置。

一种基于超声的内腔尺寸精密测量方法，按照下述步骤进行：

一、待测试件通过夹具水平装夹在试验台上；

二、将探头对置装固在探头盒上，连接探头和工控机内的超声发射接收卡，打开工控机的检测软件，调整探头位置，直到能检测出超声波完整波形为止；

三、同时储水槽中充入一定量的水，开启水泵，将储水槽中的水通过上水管泵入上水盒，上水盒中的水经探头盒供水管自然流入探头盒，水必须在探头盒中达到一定的水位从而完成探头和水的耦合，然后探头盒中的水流入储水盘并进而通过下水管流回储水槽，完成水路循环；

四、检测时先将探头盒置于起始位置，由动力部件一带动探头盒在轨道沿待测试件轴向做水平位移，到达待测试件末端时自动停止，在完成第一次轴向检测后，由动力部件二驱动夹具装夹带测试件沿轴心旋转，然后再由动力部件一带动探头盒在轨道沿待测试件轴向做水平位移，开始第二次轴向检测；

五、检测数据实时由数据超声发射接收卡采集，通过检测软件融合计算，设定探头发射一组发射波后，分别在待测试件的外壁面和内壁面发生反射，探头对两组反射波进行接收，第一次轴向检测中，待测试件截面一侧壁厚h₁可用外壁面反射波与内壁面反射波两波峰的时间间隔t₁计算得出，两者之间的换算关系为：h₁＝(t₁×λ)/2，λ为声波在外壁材质中的声速，可在测量开始之前由试块测得；第二次轴向检测另一侧壁h₂由同样原理得出，待测试件截面直径尺寸D减去两壁厚尺寸即可得内腔此处尺寸d，即d＝D-(h₁+h₂)。

所述的工控机在线实时将待测试件的内腔剖面按照测量数据加以显示。

所述的所有测量步骤都在全密封结构下完成，除储水槽、探头盒及储水盘之外的部件均已做防水处理。

所述的探头和待测试件表面涂覆超声耦合剂。

采用上述方案后，本发明系统能够对于待测试件的内腔尺寸实时检出、显示、报警，并能够对待测试件壁厚等信息进行实时的准确显示。针对微小内尺度的精密测量问题提出了一种非接触式、检测速度快、原理简单、结果精确且成本相对低廉的基于超声的内腔尺寸检测系统。利用多组超声探头对被测件壁厚进行非接触测量，避免对被测件的挤压和磨损，保证测量安全。同时对多探头的测量数据进行数据融合，通过对多个探头不同角度、不同时刻、不同层次、不同幅度和形状等数据来确定被测对象内部尺寸、形状及分布，给出被测件内腔尺寸情况的综合数据。同时本发明系统具有以下特点：

(1)通用性强：该发明主要是根据测量对象设计，通过超声测量壁厚数据进行转换运算后测得试件的内腔尺寸，这样就不受检测对象外形结构的影响，各种不规范形状的内腔尺寸都能精准检测得到；同时采用超声成像机制，可以实现试件轴向上的全尺寸测量，具有较强的通用性。

(2)测量精度高：通过对探头和超声发射接收卡的选择以及对机械系统的精细设计，整个系统的测量精度可以完成最高精度为0.05mm的尺寸测量。

(3)检测效率高：系统采用了超声发射接收卡可以保证较高采集速率；同时由于只对试件的壁厚进行测量，进而减少数据采集时间和数据处理时间，提高检测效率。

(4)本项目采用超声测量方法对其壁厚进行测量从而计算工件的内腔尺寸，该测量方法可完成对于小径管内腔尺寸、形状及分布特征的测量，建立一种小径管内腔尺寸测量的新方法。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的原理示意图；

图2为本发明较佳实施例的测量原理示意图；

图3为本发明较佳实施例的装置结构示意图；

图4为本发明较佳实施例的探头盒俯视图；

图5为本发明较佳实施例的装置外部示意图。

具体实施方式

结合附图，对本发明较佳实施例做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的原理是，将超声波射向待测试件上，根据不同界面形成的超声波反射来计算出内腔的尺寸大小。依据这个原理，需要涉及到数据采集、数据处理及显示、以及系统机械装置等几部分。

结合图3，一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，属于本发明中的机械装置部分，主要涉及到的部件包括夹具1、探头盒2、轨道3、电机M1、电机M2、储水槽4、上水盒5、水泵6、储水盘7、工控机8、上水管9、探头盒供水管10、下水管11。

夹具1是用于装夹待测试件12的夹持件，待测试件12的两端分别夹固在夹具1的夹具头13上，且装夹的位置可以通过夹具1的手轮14进行调节，使其调整到装夹检测有利位置，以此保证待测试件12的水平固定，而夹具头13可以绕轴自身转动，其旋转受作为动力部件二的电机1绕轴驱动。

探头盒2安装在轨道3上，电机M2作为动力部件一，驱动探头盒2做在轨道3上做直线运动。而轨道3安装在待测试件12装夹后的一侧，与其周线平行。当探头盒2在轨道3上滑移，就是沿着待测试件12的轴线方向移动。

如图4所示，探头盒2上安装有两个对置的探头21，两个探头21相对的连接线与待测试件12的轴线方向垂直，当探头盒2在轨道3上移动时，探头21对准待测试件12进行检测，探头21分别与超声波发射接收卡独立电气连接，超声波发射接收卡就通过探头21采集超声波数据。

夹具1、探头盒2、轨道3形成一个试验台，在试验台的下方布设一个储水槽4，在夹具1的一侧上表面水平放置一个上水盒5，上述的探头盒2的底下也连接有一个储水盘7。储水槽4中配有一个水泵6，水泵6上连接上水管9，上水管9接至上水盒5中。上水盒5再通过探头盒供水管10接通到探头盒2中，而探头盒2底下的储水盘7通过下水管11回流至储水槽4上，形成一个循环水路。

在探头21和待测试件12的表面涂覆超声耦合剂，循环水路的实施，是把水泵入上水盒5中，借助连通原理流至探头盒2内，实现探头和水的耦合。

耦合剂是用来作为探头21与待测试件12之间的高频超声能量传递的。耦合剂用于排除探头21和待测试件12之间的空气，使超声波能有效地穿入工件达到检测目的。要根据使用情况选择合适种类的耦合剂。当使用在光滑材料表面时，可以使用低黏度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用黏度高的耦合剂；高温工件应选用高温耦合剂。并且，校准和测量时应选择同一种耦合剂。耦合剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在待测试件12的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头21上。本装置采用的水浸聚焦探头，所以采用水做耦合剂。

工控机8是整个装置的核心处理部件，上述的连接探头的超声波发射接收卡就是通过PCI接口(外设组件标准接口)内置于工控机8内部，同时工控机8内部内置有数据处理软件和显示设备。探头盒2和超声波发射接收卡是属于本发明中数据采集部分，而工控机8中的数据处理软件和显示设备属于数据处理及显示部分。

如图5所示，为发明的外部结构示意图，机壳30内具有腔体15，整个机械装置都是放置在腔体15中进行，除了储水槽4、探头盒2及储水盘7之外的部件均已做防水处理。在全密封结构的腔体15中，储水槽4、上水盒5、工控机8的安放位置均设有开口装置，便于以上设备的安装和放置。

本发明所提出的测量方法，按照以下步骤实施：

1、待测试件12通过夹具1装夹在试验台上，同时可以通过手轮14调整待测试件12的装夹位置，以此保证待测试件12的水平固定。

2、开始检测之前将两探头按照一定要求固定在探头盒2上，通过数据线和超声发射接收卡相连，打开工控机8的检测软件，调整探头位置，直到能检测出超声波完整波形为止。

3、将储水槽4中充入一定量的水，同时开启水泵6，将储水槽4中的水通过上水管9泵入上水盒5，上水盒5中的水因为连通器原理通过探头盒供水管10自然流入探头盒2，水必须在探头盒2中达到一定的水位从而完成探头和水的耦合。探头盒2中的水通过自身装置流入储水盘7并进而通过下水管11流回储水槽4，完成水路循环。

4、开始检测时先将探头盒2置于起始位置，其初始位置可自由设定，并由软件标注。开启电机M2，带动探头盒2沿轨道3做水平位移，探头盒2在轨道3上的位移量可以提前设定，到达指定位移点即停止运动。如果发生意外无法停止探头盒2的运动，当探头盒2到达待测试件12末端时由轨道3上安装的限位开关自动停止电机M2，从而停止探头盒2的移动。

5、在完成第一次轴向检测后可以开启电机M1，由于待测试件12装夹装置联动带动待测试件12沿轴心旋转，然后再开启电机M2，开始第二次检测。

6、结合图2所示，在测试过程中，探头发出的超声波的发射波A会穿过待测试件12进入内部，超声波在不同介质表面(外避面121和内壁面122)会发生反射，探头在发射超声波的同时还可以接受反射波。按照时间关系，最先采集到的反射波应该是待测试件12外壁面反射波A1，然后是内壁面反射波A2，这两组波形最为明显，从超声波的第一次外壁面回波和第二次内壁面回波中选取两次回波幅值最大处，即两回波的波峰处进行测量。探头发射一组发射波后，分别在外壁面和内壁面发生反射，探头对两组反射波进行接收，待测试件12在第一次轴向检测时，截面一侧壁厚h₁可用外壁面反射波与内壁面反射波两波峰的时间间隔t₁计算得出，两者之间的换算关系为：h₁＝(t₁×λ)/2，λ为声波在外壁材质中的声速，可在测量开始之前由试块测得。当夹具1旋转后，进行第二次轴线检测，按照上述原理同样得出另一侧壁厚h₂，两侧壁厚都测出之后，由待测试件12截面直径尺寸D减去两壁厚尺寸即可得试件内腔此处尺寸d，即d＝D-(h₁+h₂)。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于包括以下部件：

夹具，夹持待测试件、并能绕轴自转的工具；

2.如权利要求1所述的一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于：所述的循环水路中，储水槽中设置有由工控机控制的水泵与上水管连接，水由水泵驱动循环。

3.如权利要求1所述的一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于：所述的夹具设置有手轮调整待测试件装夹位置。

4.如权利要求1所述的一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于：所述的基于超声的内腔尺寸精密测量装置为一个全密封结构，上述所有部件都位于全密封结构内部，除储水槽、探头盒及储水盘之外的部件均已做防水处理。

5.如权利要求4所述的一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于：所述的全密封结构中，储水槽、上水盒、工控机的安放位置均设有开口装置，便于以上设备的安装和放置。

6.一种基于超声的内腔尺寸精密测量方法，其特征在于按照下述步骤进行：

一、待测试件通过夹具水平装夹在试验台上；

五、检测数据实时由数据超声发射接收卡采集，通过检测软件融合计算，设定探头发射一组发射波后，分别在待测试件的外壁面和内壁面发生反射，探头对两组反射波进行接收，第一次轴向检测中，待测试件截面一侧壁厚h₁可用外壁面反射波与内壁面反射波两波峰的时间间隔t1计算得出，两者之间的换算关系为：h₁＝(t₁×λ)/2，λ为声波在外壁材质中的声速，可在测量开始之前由试块测得；第二次轴向检测另一侧壁h₂由同样原理得出，待测试件截面直径尺寸D减去两壁厚尺寸即可得内腔此处尺寸d，即d＝D-(h₁+h₂)。

7.如权利要求6所述的一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于：所述的工控机在线实时将待测试件的内腔剖面按照测量数据加以显示。

8.如权利要求6所述的一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于：所述的所有测量步骤都在全密封结构下完成，除储水槽、探头盒及储水盘之外的部件均已做防水处理。

9.如权利要求6所述的一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于：所述的全密封结构中，储水槽、上水盒、工控机的安放位置均设有开口装置，便于以上设备的安装和放置。

10.如权利要求6所述的一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置，其特征在于：所述的探头和待测试件表面涂覆超声耦合剂。