CN102519717B - 检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法，该系统主要包括工件装卡装置，超声波探头及其角度调整装置，移动平台，控制模块，信号采集模块，数据处理模块以及显示模块。超声波的发射方向可以实现精细的调整，提高了测量精度；工件可以在控制模块的控制下实现自动旋转，提高了扫描范围和效率；通过调整移动平台和探头的同步运动，可以对圆柱或者圆锥结合面超声波反射率的准确、快速提取。

Description

检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法

技术领域

本发明涉及一种回转体工件结合面(圆柱结合面、圆锥结合面等)接触参数(实际接触面积、接触压力分布、接触刚度)的超声波检测方法，特别涉及一种回转体结合面的超声反射率提取方法与系统。

背景技术

回转结合面的接触参数(接触面积、接触压力分布、接触刚度等)严重影响了其机械性能，比如精密机床中刀柄-主轴结合部为圆锥形结合面，该结合面的接触部位、接触面积大小、接触刚度会对机床动态特性产生重要影响，进而直接影响加工精度。再比如精密主轴存在大量的轴承与轴/轴套的结合面，这些结合面的接触压力分布、接触刚度同样会直接影响主轴的动态特性、精度保持性，进而影响机床的加工精度与精度保持时间。超声波法是检测回转体结合面接触特性的唯一有效手段。该方法首先需要准确快速的提取结合面上超声波反射率，进而根据反射率与接触刚度、接触压力的关系得到结合面上的接触刚度与接触压力分布。

目前，现有的超声波反射率提取方法不能适用于圆锥结合面，导致不能通过超声波法检测圆锥结合面的接触性能。而现有方法在提取圆柱结合面反射率时，仅通过手动调整工件位置，难以精确调整探头与被测工件的相互位置关系；缺乏工件旋转装置，因此仅能测量圆柱一条母线上结合面的接触特性，不能检测整个结合面的接触特性，因此提取圆柱结合面反射率的效率低、结果不全面。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

1、一种面向回转体结合面的超声波反射率提取系统。该系统主要包括工件装卡装置，超声波探头及其角度调整装置，移动平台，控制模块，信号采集模块，数据处理模块以及显示模块。超声波探头及其角度调整装置夹持有探头，同时与移动平台的z轴平移装置相连并作竖直方向的运动；工件装卡装置竖直连接工件，同时与移动平台的x轴平移装置和y轴平移装置相连；移动平台与控制模块相连，在控制模块的控制下实现各轴的移动；信号采集模块与超声波探头连接，采集扫描过程中的超声波信号；数据处理模块与信号采集模块连接，处理采集到的数据；显示模块与数据处理模块连接，将处理后的数据显示在屏幕上。

2、一种回转体结合面超声波反射率提取方法。具体步骤如下：

1)确定超声波扫描结合面间距，扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d，圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径：

$d_{f(-6\mathrm{dB})}=\frac{1.028\mathrm{Fc}}{\mathrm{fD}}---\left(1\right)$

2)对轴套进行密封处理并竖直放置在装卡装置的聚四氟乙烯管上，注入蒸馏水作为耦合剂，逐次调整移动平台的x轴平移装置以及探头夹持装置的两个旋转装置，使所获取的内表面处反射波信号幅值都为最大值，此时超声波垂直入射于并聚焦在内表面上；

3)驱动超声波探头扫描轴套内表面一条母线，得到参考信号矩阵H₀，测量完成后将耦合剂放掉，针对不同形状的轴套，分为以下三种情况：

(1)当轴套的内外表面均为圆柱面时，通过z轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向运动；

(2)当轴套的内外表面均为圆锥面且锥度相同时，通过z轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向以速度V₁运动，同时通过x轴移动装置驱动轴套以速度V₂移动，且满足

(3)当轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面时，通过z轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向以速度V₁运动，同时通过x轴移动装置驱动轴套以速度V₂移动，同时需满足其中θ₁和θ₂分别为超声波从蒸馏水进入轴套时的入射角和折射角，且满足以及式中C₁和C₂分别是超声波在蒸馏水和轴套中的传递速度；

4)拆除轴套，清洗轴套和轴，并进行安装，将装配体的下端插入聚四氟乙烯管中，利用顶尖将工件上端固定；

5)调整装配体结合面与超声波探头相互位置，具体的调整方法与步骤2相同，此时聚焦超声波垂直入射于并聚焦在工件结合面上。

6)注入蒸馏水作为超声波探头与被测工件间的耦合剂，驱动超声波探头对整个回转体结合面进行扫描，扫描各条母线的方法与步骤3相同，而旋转工件时，根据公式(1)确定旋转轴的旋转间隔a₁，同时探头移动的间距与测量参考信号时相同，最后保存结合面处超声回波信号，得到矩阵H_i。

7)利用下面公式计算结合面反射率幅值：

$R=\frac{H_i}{H_0}---\left(2\right)$

与现有技术相比，本发明的突出特点是：超声波的发射方向可以实现精细的调整，提高了测量精度；工件可以在控制模块的控制下实现自动旋转，提高了扫描范围和效率；通过调整移动平台和探头的同步运动，可以对圆柱或者圆锥结合面超声波反射率的准确、快速提取。

附图说明

图1是本发明各个模块之间连接关系的示意图；

图2是本发明工件装卡装置与移动平台以及超声波探头及其角度调整装置与移动平台之间连接关系的示意图；

图3是本发明工件装卡装置固定工件时的示意图；

图4是本发明超声波探头及其角度调整装置的示意图；

图5是本发明测量内外表面均为圆柱面的轴套时超声波聚焦的示意图；

图6是本发明测量内外表面均为圆锥面且锥度相同的轴套时超声波聚焦的示意图；

图7是本发明测量内表面为圆锥面且外表面为圆柱面的轴套时超声波聚焦的示意图；

图8是本发明测量轴套的内外表面均为圆柱面的装配体结合面时探头和工件的相对运动示意图；

图9是本发明测量轴套的内外表面均为圆锥面且锥度相同的装配体结合面时探头和工件的相对运动示意图；

图10是发明测量轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面的装配体结合面时探头和工件的相对运动示意图；

图中，1是工件装卡模块，2是超声波探头及其角度调整模块，3是移动平台的x轴平移装置，4是移动平台的y轴平移装置，5是移动平台的z轴平移装置，6是旋转电机，7是电机固定架，8是支架，9是顶尖，10是所扫描的工件，11是聚四氟乙烯管，12是旋转装置，13是连接杆，14是超声波探头，15是旋转装置，16是轴套内外表面都为圆柱面的工件，17是轴套内外表面为相同锥度的圆锥面的工件，18是轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面的工件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的检测方法作进一步详细说明。

实施例1，轴套内外表面都为圆柱面的工件结合面超声波反射率的提取

1.确定扫描间距。扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d。圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂(蒸馏水)中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径：

$d_{f(-6\mathrm{dB})}=\frac{1.028\mathrm{Fc}}{\mathrm{fD}}---\left(1\right)$

2.用丙酮清洗轴套的内外表面，并将塑料盖覆盖在轴套的两端，用密封胶涂抹在缝隙处，保证内腔密封不透水。将处理好的轴套竖直放置在聚四氟乙烯管11上。

3.注入蒸馏水作为耦合剂，注水高度为没过轴套最上端5mm左右。通过旋转装置12调整探头14的角度，内表面处超声波回波信号幅值最大时即探头14扫描方向正对轴套轴线；再调整移动台x轴平移装置3，内表面处超声波回波信号幅值最大时，超声波聚焦在轴套内表面上；再通过旋转装置15调整超声波探头14在另一个方向上的角度，当内表面处超声波回波信号幅值最大时，超声波垂直入射于轴套内表面。

4.获取参考信号。通过移动平台的z轴平移装置5驱动水浸式聚焦超声波探头14扫描轴套的一条母线。用信号采集模块采集母线上每个扫描点的超声波回波信号，采集完信号后通过数据处理模块对每个点的超声波回波信号进行傅里叶变换，取幅频特性中幅值较大者，此时频率为f₀，组成参考信号列向量H₀。获得参考信号后，拆除轴套。

5.清洗装配体。使用丙酮对轴和轴套的内外表面进行清理，将轴与轴套装配好，用密封胶对曝露在外面的装配体缝隙进行密封处理。

6.装配体安装。将装配好的回转体工件16安装在有旋转自由度的工件固定轴上，该轴下部为聚四氟乙烯管11，该管的轴线与旋转电机6的轴线同轴。将工件16的下端插入固定在检测装置水槽底面的聚四氟乙烯管11中，利用顶尖9等装置将工件上端固定。

7.添加耦合剂。以蒸馏水作为超声波探头14与被测工件16之间的耦合剂。利用水槽盛放耦合剂，在水槽中注入蒸馏水作耦合剂，注水高度没过回转体结合面最上端5mm左右。

8.工件16与超声波探头14相互位置调整。通过旋转装置12调整探头14的角度，结合面处超声波回波信号幅值最大时即探头扫描方向正对工件轴线；再调整移动平台的x轴平移装置3，结合面处超声波回波信号幅值最大时，此时超声波聚焦在工件结合面上；再通过旋转装置15调整超声波探头14在另一个方向上的角度，当结合面处超声波回波信号幅值最大时，超声波垂直入射于工件表面，如附图5所示。

9.扫描工件结合面。通过移动平台的z轴平移装置5驱动探头14从结合面最上端3mm处(初始位置)开始进行扫描，并用信号采集模块采集回波信号，探头14相对于工件16的移动方向为竖直方向，如附图8所示。扫描完第一条母线之后，旋转工件16，进行第二条母线的扫描。重复上述过程，直至完成整个回转体结合面的扫描。旋转时，根据公式(1)确定旋转轴的旋转间隔a₁，探头移动的间距与测量参考信号时相同；最后保存结合面处超声回波信号，同样对每个点的回波信号进行傅里叶变换，取频率f₀处幅值，构建矩阵H_i。

10.扫描数据处理。将得到的数据送到数据处理模块进行处理，利用矩阵H_i的每个列向量与H₀相比，得到反射率矩阵R：

$R=\frac{H_i}{H_0}$

11.将数据结果通过显示模块显示出来。

实施例2，轴套内外表面为相同锥度的圆锥面的工件结合面超声波反射率提取

1.扫描间距确定。扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d。圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂(蒸馏水)中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径：

$d_{f(-6\mathrm{dB})}=\frac{1.028\mathrm{Fc}}{\mathrm{fD}}---\left(1\right)$

2.用丙酮清洗轴套的内外表面，并将塑料盖覆盖在轴套的两端，用密封胶涂抹在缝隙处，保证内腔密封不透水。将处理好的轴套竖直放置在聚四氟乙烯管11上。

3.注入蒸馏水作为耦合剂，注水高度为没过轴套最上端5mm左右。通过旋转装置12调整探头14的角度，内表面处超声波回波信号幅值最大时即探头扫描方向正对轴套轴线；再调整移动平台的x轴平移装置3，内表面处超声波回波信号幅值最大时，超声波聚焦在轴套内表面上；再通过旋转装置15调整超声波探头14在另一个方向上的角度，当内表面处超声波回波信号幅值最大时，超声波垂直入射于轴套内表面。

4.获取参考信号。驱动水浸式聚焦超声波探头14扫描轴套的一条母线。通过调整移动平台的x轴平移装置3和z轴平移装置5的运动，来保证探头的移动方向与所扫描的母线平行，且满足用信号采集模块采集母线上每个扫描点的超声波回波信号，采集完信号后通过数据处理模块对母线上每个点的超声波回波信号进行傅里叶变换，取幅频特性中幅值较大者，此时频率为f₀，组成参考信号列向量H₀。

5.清洗装配体。使用丙酮对轴、轴套的内外表面进行清理，将轴与轴套装配好，用密封胶对曝露在外面的装配缝隙进行密封处理。

6.装配体安装。将装配好的回转体工件17安装在有旋转自由度的工件固定轴上，该轴下部为聚四氟乙烯管11，该管的轴线与旋转电机6的轴线同轴。将工件17的下端插入固定在检测装置水槽底面的聚四氟乙烯管11中，利用顶尖9等装置将工件上端固定。

7.添加耦合剂。以蒸馏水作为超声波探头14与被测工件17之间的耦合剂。利用水槽盛放耦合剂，在水槽中注入蒸馏水作，注水高度没过回转体结合面最上端5mm左右。

8.工件17与超声波探头14相互位置调整。通过旋转装置12调整探头14的角度，结合面处超声波回波信号幅值最大时即探头14扫描方向正对工件轴线；再调整移动平台的x轴平移装置3，结合面处反射波回波信号幅值最大时，超声波聚焦在工件结合面上；再通过旋转装置15调整超声波探头14在另一个方向上的角度，当结合面处超声波回波信号幅值最大时，超声波垂直入射于工件表面，如附图6所示。

9.扫面工件结合面。驱动探头14从结合面最上端3mm处(初始位置)开始进行扫描，并用信号采集模块采集回波信号，其中通过调整移动平台的x轴平移装置3和z轴平移装置5的运动，保证探头14的移动方向与所扫描的母线平行，且满足探头14和工件17之间的相对运动如附图9所示。扫描完第一条母线之后，旋转工件17，进行第二条母线的扫描。重复上述过程，直至完成整个回转体结合面的扫描。旋转时，根据公式(1)确定旋转轴的旋转间隔a₁，探头移动的间距与测量参考信号时相同；最后保存结合面处超声回波信号，同样对每个点的回波信号进行傅里叶变换，取频率f₀处幅值，构建矩阵H_i。

10.扫描数据处理。利用矩阵H_i的每个列向量与H₀相比，得到反射率矩阵R：

$R=\frac{H_i}{H_0}---\left(2\right)$

11.将数据结果通过显示模块显示出来。

实施例3，轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面的工件结合面超声波反射率提取

1.扫描间距确定。扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d。圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂(蒸馏水)中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径：

$d_{f(-6\mathrm{dB})}=\frac{1.028\mathrm{Fc}}{\mathrm{fD}}---\left(1\right)$

2.用丙酮清洗轴套的内外表面，并将塑料盖覆盖在轴套的两端，用密封胶涂抹在缝隙处，保证内腔密封不透水。将处理好的轴套竖直放置在聚四氟乙烯管11上。

3.注入蒸馏水作为耦合剂，注水高度为没过轴套最上端5mm左右。通过旋转装置12调整探头14的角度，内表面处超声波回波信号幅值最大时即探头扫描方向正对轴套轴线；再调整移动平台的x轴平移装置3，内表面处反射波回波信号幅值最大时，超声波聚焦在轴套内表面上；再通过旋转装置15调整超声波探头14在另一个方向上的角度，当内表面处超声波回波信号幅值最大时，超声波垂直入射于轴套内表面。

4.获取参考信号。驱动水浸式聚焦超声波探头14扫描轴套的一条母线，其中通过调整移动平台的x轴平移装置3和z轴平移装置5的运动，来保证超声波的焦点一直都处在所扫描的母线上，并且需要满足式中各个参数参考发明内容中的解释。用信号采集模块采集母线上每个扫描点的超声波回波信号，采集完信号后通过数据处理模块对母线上每个点的超声波回波信号进行傅里叶变换，取幅频特性中幅值较大者，此时频率为f₀，组成参考信号列向量H₀。

5.清洗装配体。使用丙酮对轴、轴套的内外表面进行清理，将轴与轴套装配好，用密封胶对曝露在外面的装配缝隙进行密封处理。

6.装配体安装。将装配好的回转体工件18安装在有旋转自由度的工件固定轴上，该轴下部为聚四氟乙烯管11，该管的轴线与旋转电机6的轴线同轴。将工件18的下端插入固定在检测装置水槽底面的聚四氟乙烯管11中，利用顶尖9等装置将工件上端固定。

7.添加耦合剂。以蒸馏水作为超声波探头14与被测工件18之间的耦合剂。利用水槽盛放耦合剂，在水槽中注入蒸馏水作，注水高度没过回转体结合面最上端5mm左右。

8.工件18与超声波探头14相互位置调整。通过旋转装置12调整探头14的角度，结合面处超声波回波信号幅值最大时即探头14扫描方向正对工件轴线；再调整移动平台的x轴平移装置3，结合面处反射波回波信号幅值最大时，超声波聚焦在工件结合面上；再通过旋转装置15调整超声波探头14在另一个方向上的角度，当结合面处超声波回波信号幅值最大时，超声波垂直入射于工件表面，如附图7所示。

9.扫面工件结合面。驱动探头14从结合面最上端3mm处(初始位置)开始进行扫描，并用信号采集模块采集回波信号，其中通过调整移动平台的x轴平移装置3和z轴平移装置5的运动，来保证超声波的焦点一直都在所扫描的母线上，其中式中各个参数参考说明方法中的解释，探头14和工件18之间的相对运动如附图10所示。扫描完第一条母线之后，旋转工件18，进行第二条母线的扫描。重复上述过程，直至完成整个回转体结合面的扫描。旋转时，根据公式(1)确定旋转轴的旋转间隔a₁，探头移动的间距与测量参考信号时相同；最后保存结合面处超声回波信号，同样对每个点的回波信号进行傅里叶变换，取频率f₀处幅值，构建矩阵H_i。

10.扫描数据处理。利用矩阵H_i的每个列向量与H₀相比，得到反射率矩阵R：

$R=\frac{H_i}{H_0}---\left(2\right)$

11.将数据结果通过显示模块显示出来。

Claims (1)

1.一种回转体结合面超声波反射率提取方法，其特征在于，

该提取方法基于如下的系统，该系统主要包括装卡装置(1)，超声波探头及其角度调整装置(2)，移动平台，控制模块，信号采集模块，数据处理模块以及显示模块，其特征在于：超声波探头及其角度调整装置(2)夹持有探头，同时与移动平台的z轴平移装置(5)相连并作竖直方向的运动；装卡装置(1)竖直连接工件，同时与移动平台的x轴平移装置(3)和y轴平移装置(4)相连；移动平台与控制模块相连，在控制模块的控制下实现各轴的移动；信号采集模块与超声波探头连接，采集扫描过程中的超声波信号；数据处理模块与信号采集模块连接，处理采集到的数据；显示模块与数据处理模块连接，将处理后的数据显示在屏幕上；

该提取方法具体步骤如下：

1)确定超声波扫描结合面间距，扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d，圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径：

$d=\frac{1.028\mathrm{Fc}}{\mathrm{fD}}---\left(1\right)$

2)对轴套进行密封处理并竖直放置在装卡装置的聚四氟乙烯管(11)上，注入蒸馏水作为耦合剂，逐次调整移动平台的x轴平移装置(3)以及探头夹持装置的两个旋转装置(12和15)，使所获取轴套的的内表面处反射波信号幅值都为最大值，此时超声波垂直入射于并聚焦在内表面上；

3)驱动超声波探头扫描轴套内表面一条母线，得到参考信号矩阵H₀，测量完成后将耦合剂放掉，针对不同形状的轴套，分为以下三种情况：

(1)当轴套的内外表面均为圆柱面时，通过z轴平移装置(5)驱动超声波探头(14)沿着竖直方向运动；

(2)当轴套的内外表面均为圆锥面且锥度相同时，通过z轴平移装置(5)驱动超声波探头(14)沿着竖直方向以速度V₁运动，同时通过x轴平移装置(3)驱动轴套以速度V₂移动，且满足

(3)当轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面时，通过z轴平移装置(5)驱动超声波探头(14)沿着竖直方向以速度V₁运动，同时通过x轴平移装置(3)驱动轴套以速度V₂移动，同时需满足其中θ₁和θ₂分别为超声波从蒸馏水进入轴套时的入射角和折射角，且满足以及式中C₁和C₂分别是超声波在蒸馏水和轴套中的传递速度；

4)拆除轴套，清洗轴套和轴，并进行安装，将装配体的下端插入聚四氟乙烯管(11)中，利用顶尖(9)将工件上端固定；

5)调整装配体结合面与超声波探头(14)相互位置，具体的调整方法与步骤(2)相同，此时聚焦超声波垂直入射于并聚焦在工件结合面上；

6)注入蒸馏水作为超声波探头(14)与被测工件间的耦合剂，驱动超声波探头对整个回转体结合面进行扫描，扫描各条母线的方法与步骤3相同，而旋转工件时，根据公式(1)确定旋转轴的旋转间隔a₁，同时探头14移动的间距与测量参考信号时相同，最后保存结合面处超声回波信号，得到矩阵H_i；

7)利用下面公式计算结合面反射率幅值：

$R=\frac{H_i}{H_0}---\left(2\right).$