CN103017695B - 一种主轴锥孔精度的准确检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主轴锥孔精度的准确检测装置及检测方法，该装置包括计算机以及与计算机连接的信号处理转换模块，信号处理转换模块连接有带超声相控阵探头的锥形量规；信号处理转换模块包括相控阵仪和适配器，相控阵仪通过数据线与计算机连接，相控阵仪的控制信号输出端连接适配器，适配器的指令分配端口通过延长线缆连接至锥形量规上的超声相控阵探头。该装置及方法以超声波作为无损检测手段，在不影响原有接触状况的情况下，根据超声波反射率来检测接触面的接触压力；根据超声波反射率和接触压力之间的对应关系，得到接触面上的压力分布，使压力分布的结果反映名义接触面积，由此能够实现对主轴锥孔精度的准确检测。
Description
技术领域
本发明属于机械检测技术领域，涉及一种检测装置及检测方法，尤其是一种主轴锥孔精度的准确检测装置及检测方法。
背景技术
精密机床中的主轴与刀柄的接触区域为圆锥形结合面。对于该结合面，接触压力的分布状况会影响接触刚度，进而会对机床动态特性产生重要影响，从而直接影响加工精度，所以保证主轴锥孔的制造精度是极其有必要的。
目前，在有关机床制造的标准中，有规定使用涂色法进行检验的技术要求。例如，“金属切削机床圆锥表面涂色法检验及评定（GB/T23575-2009）”中规定：量规及被检圆锥表面应擦洗干净，把涂料涂敷在量规的外圆锥表面上，在相隔120°的母线方向，涂三条宽度约5mm的涂色线，同时涂料应涂敷均匀，其厚度小于2微米。量规与被检圆锥表面结合后，施加适当的轴向力，使合研面紧密接触，相对转动后脱开。转动角度不大于60°，转动次数不超过往复1次。在评定接触时，要求接触靠近圆锥表面的大端，从圆锥大端起，在接触比值的75%以内，不应有明显的空白区。
从以上的说明中可以看出，尽管涂色量规的设计和检测都比较简单，并在机床检测中得到普遍使用，但是涂色检测受以下因素影响较大：一是所涂油膜厚度，不同厚度的涂料会得到不同的结果，直接导致检测结果的不准确；二是配合时的受力大小影响内外锥面之间的靠近程度，这也会对检测结果有所影响；三是仅仅以接触面积大小进行判断并不得当，因为涂色区的大小只能表示接触部分所占的大致比例，并不能完全反映接触区域的分布情况；四是对面积大小的判读需要依靠技术人员的工程经验，人为影响因素很大，时常会出现制造人员和检测人员的检测结果有较大偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种主轴锥孔精度的准确检测装置及检测方法，该装置及方法以超声波作为无损检测手段，在不影响原有接触状况的情况下，根据超声波反射率来检测接触面的接触压力；根据超声波反射率和接触压力之间的对应关系，得到接触面上的压力分布，使压力分布的结果反映名义接触面积，由此能够实现对主轴锥孔精度的准确检测。本发明能够解决现有涂色法所存在的检测精度低的问题，提高检测的可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种主轴锥孔精度的准确检测装置，包括计算机以及与计算机连接的信号处理转换模块，所述信号处理转换模块连接有带超声相控阵探头的锥形量规；所述信号处理转换模块包括相控阵仪和适配器，所述相控阵仪通过数据线与计算机连接，相控阵仪的控制信号输出端连接适配器，适配器的指令分配端口通过延长线缆连接至锥形量规上的超声相控阵探头。
进一步，上述锥形量规由一体化楔块和超声相控阵探头以及外壳组成；楔块由钢材制成，在主轴锥孔和超声相控阵探头之间起耦合作用，楔块作为与主轴锥孔接触的部分，修磨成内外表面锥度均为7：24的锥形轴套，所述超声相控阵探头由若干超声晶片构成，每个超声晶片都制成相同形状的扇形，均匀覆盖在楔块的内表面上，并且要保证超声晶片发射超声波的方向垂直于该表面；外壳将楔块和超声相控阵探头整合成一个整体，外壳的小端通过螺纹孔连接有拉钉。
上述楔块外表面的粗糙度和形状误差要满足标准GB/T23575-2009中对于普通量规外表面的要求。
进一步，在所述计算机中安装有一套检测软件，该软件实现对信号处理转换模块中设备参数的配置，以及通过通信接口采集超声波信号，同时计算超声波反射率并最终显示出检测结果。
本发明还提出一种基于上述装置的主轴锥孔精度的准确检测方法，包括以下步骤：
1）标定实验
制作两个圆柱形试件，分别为上试件和下试件，要求上试件的材料、厚度、热处理和表面粗糙度与楔块相同，下试件的材料、热处理以及表面粗糙度与主轴锥孔相同；在上试件的上方固定有单个超声晶片，需要保证超声波的发射方向垂直于上表面并且扫描区域要在接触面的接触范围内；首先在两个试件没有接触时，启动相控阵仪记录上试件下表面处的超声回波信号作为参考信号，再通过千斤顶的加载在试件之间施加压力，同样通过相控阵仪记录不同压强下试件接触面处的超声回波信号作为实际接触信号；参照步骤5）中的数据处理方法，用实际接触信号的幅值除以参考信号的幅值得到超声波反射率，由此得到了接触压力与超声波反射率之间的关系，并拟合成曲线；
2）清洁工件
擦洗干净锥形量规的外表面和主轴锥孔的锥面，确保没有灰尘和油污；
3）获取参考信号
将锥形量规竖直放置，确保没有物体与锥形量规的外表面接触；在计算机上启动检测软件，给相控阵仪发送测量指令，相控阵仪按照一定的顺序和时间延迟逐次触发各个超声晶片；每一块超声晶片被单独地触发后向楔块发射超声波脉冲，该脉冲在楔块的外表面处反射后被同一块超声晶片接收，由相控阵仪采集超声晶片接收的回波信号，将各个超声晶片的回波信号存储到计算机中，这些回波信号记作参考信号；
4）获取实际接触信号
将拉钉拧入到锥形量规的螺纹孔内，再把锥形量规塞入到主轴锥孔内，在拉刀机构的作用下锥形量规的外表面与主轴锥孔的锥面紧密接触；按照与获取参考信号相同的步骤，触发超声晶片向楔块与主轴锥孔的接触面发射超声脉冲并记录回波信号，通过相控阵仪采集超声晶片的数据并存入计算机，并以相同的顺序记录接触时的信号，这些回波信号记作实际接触信号；
5）数据处理和结果表示
获取参考信号和实际接触信号的过程中，在计算机的检测软件中利用傅立叶变换来提取所有信号在超声晶片中心频率处的幅值；分别将参考信号和实际接触信号的幅值按照记录顺序存储到不同矩阵中，再用实际接触信号幅值的矩阵点除参考信号幅值的矩阵，得到反射率矩阵；依据标定实验所得到的接触压力与反射率之间的关系，得到接触压力矩阵；按照记录顺序将楔块与主轴锥孔的整个接触面的压力分布图绘画出来，并计算得到接触部分所占的比例。
本发明具有以下有益效果：
与现有的涂色法相比，本发明能够利用反射率矩阵精确判断接触面的接触情况，获得准确的压力分布；量规与主轴锥孔之间是通过拉钉和拉刀机构实现配合，所以能准确反映实际加工中刀柄与主轴锥孔的接触状况；检测结果可以形象直观地表示在屏幕上，为主轴锥孔的研磨修配提供了指导依据。
附图说明
图1是本发明装置的各个部分之间连接关系的示意图；
图2是本发明锥度量规与主轴锥孔配合时的结构示意图；
图3是本发明锥度量规的结构示意图；
图4是本发明标定实验中的试验台装置的结构示意图。
图中，1是主轴锥孔，2是锥形量规，3是拉钉，4是拉刀机构，5是超声相控阵探头，6是楔块，7是外壳，8是超声晶片，9是试验台，10是上试件，11是下试件，12是千斤顶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的主轴锥孔精度的准确检测装置，包括计算机以及与计算机连接的信号处理转换模块，其中信号处理转换模块连接有带超声相控阵探头5的锥形量规2；信号处理转换模块包括相控阵仪和适配器，相控阵仪通过数据线与计算机连接，相控阵仪的控制信号输出端连接适配器，适配器的指令分配端口通过延长线缆连接至锥形量规2上的超声相控阵探头5。
如图2和图3，本发明的锥形量规2由一体化楔块6和超声相控阵探头5以及外壳7组成；楔块6由钢材制成，在主轴锥孔1和超声相控阵探头5之间起耦合作用，楔块6作为与主轴锥孔1接触的部分，修磨成内外表面锥度均为7：24的锥形轴套，超声相控阵探头5由若干超声晶片8构成，每个超声晶片8都制成相同形状的扇形，均匀覆盖在楔块6的内表面上，并且要保证超声晶片8发射超声波的方向垂直于该表面；外壳7将楔块6和超声相控阵探头8整合成一个整体，外壳7的小端通过螺纹孔连接有拉钉3。楔块6外表面的粗糙度和形状误差要满足标准GB/T 23575-2009中对于普通量规外表面的要求。
本发明锥形量规2的制作为：将外壳7的锥形凹槽区域划分成128块形状相同、尺寸接近的扇形区域。选用5MHz的压电材料晶片制成超声相控阵探头5，每块晶片的形状与扇形分割区域的形状相同，尺寸也根据分割区域的大小来确定，共制作128块晶片，所有晶片都按照一定的顺序固定到外壳7的凹槽内，保证晶片均匀平整覆盖整个凹槽；在晶片的上部安装特制的金属材质的楔块6，楔块6要与超声相控阵探头5之间接触良好；最后将外壳7的两个部分用螺钉固定在一起，实现将楔块6和超声相控阵探头5整合成一个整体的锥形量规2。
在本发明计算机中安装有一套检测软件，该软件实现对信号处理转换模块中设备参数的配置，以及通过通信接口采集超声波信号，同时计算超声波反射率并最终显示出检测结果。该检测软件利用LabView（一种图形化编程语言）编写测量软件。在计算机中安装LabView软件，并用LabView语言编写测量软件。以便实现对相控阵仪的参数配置，并驱动相控阵仪对超声波信号进行采集。除此之外，通过该软件的存储和计算插件，实现对超声波信号的数据处理，最后利用绘图插件绘制接触面压力分布图。
基于以上的主轴锥孔精度的准确检测装置，本发明提出如下主轴锥孔精度的准确检测方法，具体包括以下步骤：
1）标定实验
制作两个直径为50mm的圆柱形试件，分别为上试件10和下试件11，要求上试件10的材料、厚度、热处理和表面粗糙度与楔块6相同，下试件11的材料、热处理以及表面粗糙度与主轴锥孔1相同，并且下试件11有一个高为5mm、直径为10mm的小凸台。将上试件10和下试件11的接触面用无水酒精擦拭干净，再将上试件10通过螺钉固定到试验台9的上板，保证没有物体和上试件10的下表面接触。
在上试件10的上方固定有单个超声晶片8，要求单个超声晶片8固定到上试件10的上表面的中心区域，并需要保证超声波的发射方向垂直于上表面并且扫描区域要在接触面的接触范围内。
首先在两个试件没有接触时，启动相控阵仪记录上试件下表面处的超声回波信号作为参考信号。
摆正下试件11的位置，保证凸台处于中心位置。再通过液压千斤顶12的作用在上试件10和下试件11的接触面之间施加压力。同样通过相控阵仪记录不同压强下试件接触面处的超声回波信号作为实际接触信号；参照步骤5）中的数据处理方法，用实际接触信号的幅值除以参考信号的幅值得到超声波反射率，由此得到了接触压力与超声波反射率之间的关系，并拟合成曲线：即通过傅立叶变换来提取参考信号和实际接触信号的幅值，再用实际接触信号的幅值除以参考信号的幅值得到反射率。改变液压千斤顶12的作用力得到不同的接触压力和反射率数值，由此确定反射率与接触压力之间的标定关系，并将该关系拟合成曲线。
2）清洁工件
按照附图1所示连接各装置之间的线路，用无水酒精清洁锥形量规2的外表面和主轴锥孔1的锥面，确保没有灰尘和油污；
3）获取参考信号
将锥形量规2竖直放置，确保没有物体与锥形量规2的外表面接触；在计算机上于LabView环境下启动测量软件启动检测软件，给相控阵仪发送测量指令，连接在相控阵仪和超声相控阵探头5之间的适配器以及延长线缆负责将相控阵仪逐次发出的触发信号按顺序依次发送到指定的超声晶片上。相控阵仪按照一定的顺序和时间延迟逐次触发各个超声晶片；每一块超声晶片8被单独地触发后向楔块6发射超声波脉冲，该脉冲在楔块6的外表面处反射后被同一块超声晶片8接收，由相控阵仪采集超声晶片8接收的回波信号，将各个超声晶片8的回波信号存储到计算机中，这些回波信号记作参考信号；
4）获取实际接触信号
将拉钉3拧入到锥形量规2的螺纹孔内，再把锥形量规2塞入到主轴锥孔1内，在拉刀机构4的作用下锥形量规2的外表面与主轴锥孔1的锥面紧密接触；按照与获取参考信号相同的步骤，触发超声晶片8向楔块6与主轴锥孔1的接触面发射超声脉冲并记录回波信号，通过相控阵仪采集超声晶片8的数据并存入计算机，并以相同的顺序记录接触时的信号，这些回波信号记作实际接触信号；
5）数据处理和结果表示
获取参考信号和实际接触信号的过程中，在计算机的检测软件中利用傅立叶变换来提取所有信号在超声晶片8中心频率处的幅值（5Mhz处的幅值）；分别将参考信号和实际接触信号的幅值按照记录顺序存储到不同矩阵中，再用实际接触信号幅值的矩阵点除参考信号幅值的矩阵，得到反射率矩阵；依据标定实验所得到的接触压力与反射率之间的关系，得到接触压力矩阵；按照记录顺序通过LabView的绘图插件实时地将楔块6与主轴锥孔1的接触区域的压力分布图绘画出来，并计算得到接触部分所占的比例。
Claims (5)
1.一种主轴锥孔精度的准确检测装置，其特征在于，包括计算机以及与计算机连接的信号处理转换模块，所述信号处理转换模块连接有带超声相控阵探头(5)的锥形量规(2)；所述信号处理转换模块包括相控阵仪和适配器，所述相控阵仪通过数据线与计算机连接，相控阵仪的控制信号输出端连接适配器，适配器的指令分配端口通过延长线缆连接至锥形量规(2)上的超声相控阵探头(5)。
2.根据权利要求1所述的主轴锥孔精度的准确检测装置，其特征在于，所述锥形量规(2)由一体化楔块(6)和超声相控阵探头(5)以及外壳(7)组成；楔块(6)由钢材制成，在主轴锥孔(1)和超声相控阵探头(5)之间起耦合作用，楔块(6)作为与主轴锥孔(1)接触的部分，修磨成内外表面锥度均为7：24的锥形轴套，所述超声相控阵探头(5)由若干超声晶片(8)构成，每个超声晶片(8)都制成相同形状的扇形，均匀覆盖在楔块(6)的内表面上，并且要保证超声晶片(8)发射超声波的方向垂直于该表面；外壳(7)将楔块(6)和超声相控阵探头(8)整合成一个整体，外壳(7)的小端通过螺纹孔连接有拉钉(3)。
3.根据权利要求2所述的主轴锥孔精度的准确检测装置，其特征在于，所述楔块(6)外表面的粗糙度和形状误差要满足标准GB/T 23575-2009中对于普通量规外表面的要求。
4.根据权利要求3所述的主轴锥孔精度的准确检测装置，其特征在于，在所述计算机中安装有一套检测软件，该软件实现对信号处理转换模块中设备参数的配置，以及通过通信接口采集超声波信号，同时计算超声波反射率并最终显示出检测结果。
5.根据权利要求4所述的主轴锥孔精度的准确检测装置的主轴锥孔精度的准确检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)标定实验
制作两个圆柱形试件，分别为上试件(10)和下试件(11)，要求上试件(10)的材料、厚度、热处理和表面粗糙度与楔块(6)相同，下试件(11)的材料、热处理以及表面粗糙度与主轴锥孔(1)相同；在上试件(10)的上方固定有单个超声晶片(8)，需要保证超声波的发射方向垂直于上表面并且扫描区域要在接触面的接触范围内；首先在两个试件没有接触时，启动相控阵仪记录上试件下表面处的超声回波信号作为参考信号，再通过千斤顶(12)的加载在试件之间施加压力，同样通过相控阵仪记录不同压强下试件接触面处的超声回波信号作为实际接触信号；参照步骤5)中的数据处理方法，用实际接触信号的幅值除以参考信号的幅值得到超声波反射率，由此得到了接触压力与超声波反射率之间的关系，并拟合成曲线；
2)清洁工件
擦洗干净锥形量规(2)的外表面和主轴锥孔(1)的锥面，确保没有灰尘和油污；
3)获取参考信号
将锥形量规(2)竖直放置，确保没有物体与锥形量规(2)的外表面接触；在计算机上启动检测软件，给相控阵仪发送测量指令，相控阵仪按逐次触发各个超声晶片；每一块超声晶片(8)被单独地触发后向楔块(6)发射超声波脉冲，该脉冲在楔块(6)的外表面处反射后被同一块超声晶片(8)接收，由相控阵仪采集超声晶片(8)接收的回波信号，将各个超声晶片(8)的回波信号存储到计算机中，这些回波信号记作参考信号；
4)获取实际接触信号
将拉钉(3)拧入到锥形量规(2)的螺纹孔内，再把锥形量规(2)塞入到主轴锥孔(1)内，在拉刀机构(4)的作用下锥形量规(2)的外表面与主轴锥孔(1)的锥面紧密接触；按照与获取参考信号相同的步骤，触发超声晶片(8)向楔块(6)与主轴锥孔(1)的接触面发射超声脉冲并记录回波信号，通过相控阵仪采集超声晶片(8)的数据并存入计算机，并以相同的顺序记录接触时的信号，这些回波信号记作实际接触信号；
5)数据处理和结果表示
获取参考信号和实际接触信号的过程中，在计算机的检测软件中利用傅立叶变换来提取所有信号在超声晶片(8)中心频率处的幅值；分别将参考信号和实际接触信号的幅值按照记录顺序存储到不同矩阵中，再用实际接触信号幅值的矩阵点除参考信号幅值的矩阵，得到反射率矩阵；依据标定实验所得到的接触压力与反射率之间的关系，得到接触压力矩阵；按照记录顺序将楔块(6)与主轴锥孔(1)的整个接触面的压力分布图绘画出来，并计算得到接触部分所占的比例。
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