CN103090826A

CN103090826A - 高塑性细长杆零件的截面测量装置

Info

Publication number: CN103090826A
Application number: CN2013100291337A
Authority: CN
Inventors: 杜文华; 段能全; 杜聪; 黎志刚; 曾志强; 张纪平; 高俊华; 王俊元
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: CN103090826B

Abstract

本发明属于特殊杆类零件无损检测的技术领域，具体涉及一种高塑性细长杆零件的截面测量装置，解决了具有高塑性，大长径比，比较容易变形特点的杆类工件没有成熟的检测方法和装置的问题。其包括若干超声波探头、可对工件定位、张紧的工件夹持张紧装置、可使工件转动且使工件两端具有相同角速度的主传动系统、可使超声波探头从工件一端移动到另一端的进给传动系统以及可对超声波探头高度以及探头与工件距离进行调整的探头微调机构。本发明相对现有技术具有如下有益效果：克服了现行超声波检测方法应用于具有高塑性，大长径比，比较容易变形特点的杆类工件所面临的效率低，实施困难，变形影响测量结果不能保证检测精度等问题。

Description

高塑性细长杆零件的截面测量装置

技术领域

本发明属于特殊杆类零件无损检测的技术领域，具体涉及一种高塑性细长杆零件的截面测量装置。

背景技术

在某特殊场合需要对一种特殊的杆类零件进行截面尺寸参数的测量，此类工件有如下特点：长径比大，一般在

左右，工件外径约

；塑性很好，用常规三爪卡盘装夹的时候产生严重弯曲变形；工艺需要对该工件截面的内径、壁厚、等参数抽样检查。

刚性稳定性不足导致很大程度的弯曲变形同时工件旋转会产生较大的扭转变形使测量无法进行。所以工件需要可靠的夹持和张紧，克服由于重力引起的弯曲变形，同时还需要克服旋转工件可能引起的扭转变形。

然而目前针对此类特殊工件没有专门的成熟的检测方法和装置。工件涉及到细长杆内径的检测，普通直接接触测量方法在这里将失效。比较可行的是无损非接触测量；而超声波检测法具有成本低、精度较高、较方便、应用广泛等优点，是首选方法。

发明内容

本发明为了解决具有高塑性、大长径比、容易变形特点的杆类工件没有成熟的检测方法和装置，而现行超声波检测方法应用于此类零件效率低，实施困难，不能保证检测精度等问题，提供一种高塑性细长杆零件的截面测量装置。

本发明采用如下的技术方案实现：

高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于：包括若干超声波探头、可对工件定位、张紧的工件夹持张紧装置、可使工件转动且使工件两端具有相同角速度的主传动系统、可使超声波探头从工件一端移动到另一端的进给传动系统以及可对超声波探头高度以及探头与工件距离进行调整的探头微调机构，所述的工件夹持张紧装置包括两轴线同轴设置的三爪卡盘，一个三爪卡盘可相对与另一个三爪卡盘往复运动；所述的主传动系统包括分别与两三爪卡盘连接的轴线同轴设置的两传动轴，两传动轴连接同一动力来源。

所述的夹持张紧机构包括三爪卡盘Ⅰ、三爪卡盘Ⅱ、张紧溜板、丝杠和螺母Ⅰ；两三爪卡盘分别夹紧工件两端，螺母Ⅰ固连在张紧溜板上，与螺母Ⅰ配合的丝杠安装在床身上，张紧溜板安装于床身的导轨上，丝杠一端连接手轮。

主传动系统包括步进电机Ⅰ、分配轴、传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ、同步齿形带传动装置Ⅰ、同步齿形带传动装置Ⅱ和同步齿形带传动装置 Ⅲ，所述步进电机Ⅰ固连于床身，步进电机Ⅰ通过同步带齿形带传动装置Ⅰ连接分配轴，分配轴又通过同步齿形带装置Ⅲ和同步齿形带传动装置Ⅱ分别连接传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ，传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ分别安装于张紧溜板和床身并分别和三爪卡盘Ⅰ、三爪卡盘Ⅱ固连。同步齿形带装置Ⅲ与分配轴之间的带轮用导向键或者花键连接。

进给系统包括步进电机Ⅱ、联轴器、传动丝杠、螺母Ⅱ以及小溜板；所述步进电机Ⅱ固连于床身，步进电机Ⅱ通过联轴器连接传动丝杠，传动丝杠安装于床身，螺母Ⅱ固连于小溜板并和传动丝杠配合，小溜板安装在床身的导轨上。

小溜板上安装有探头盒，探头盒两侧设置有工件可穿过的挡水板，探头盒中对应每个超声波探测头安装有探头微调机构，探头微调机构包括外圈、内圈以及定位螺钉，超声波探测头插装于内圈中并与内圈过盈配合，超声波探测头轴线与内圈轴线重合，内圈通过螺纹和外圈配合连接，外圈通过间隙配合安装在探头盒上开设的安装孔中，安装孔的轴线与工件轴线正交于同一平面，外圈的内孔轴线与安装孔的轴线有偏心距，定位螺钉通过螺纹与探头盒配合并且垂直于外圈轴线方向拧入外圈上开设的卡槽内。

探头盒对应工件穿过的位置开槽，槽内设置上、下两个挡水板，上、下挡水板中间都开有半圆孔，半圆孔的半径与工件的截面半径相同。外圈靠近探头盒内部的一端且与内圈配合的位置、探头盒靠近其内部的一侧且与外圈配合的位置分别开有U形槽，设置有内密封圈、外密封圈。

本发明相对现有技术具有如下有益效果：克服了现行超声波检测方法应用于具有高塑性、大长径比、容易变形特点的杆类工件所面临的效率低，实施困难，变形影响测量结果不能保证检测精度等问题；配备超声波信号处理设备能与控制系统能对此类零件的各个截面完成壁厚，直径的自动测量，并达到较高的测量精度。

附图说明

图1为高塑性细长杆零件的截面测量装置轴侧图，

图2为探头微调机构轴侧图，

图3为探头微调机构的半剖主视图，

图4实心工件测量的示意图，

图5为空心工件测量的示意图，

图中：1-步进电机Ⅱ，2-联轴器，3-床身，4-传动丝杠，5-小溜板，6-螺母Ⅱ，7-工件，8-三爪卡盘Ⅰ，9-传动轴Ⅰ，10-张紧溜板，11-螺母Ⅰ，12-丝杠，13-手轮，14-同步齿形带装置Ⅲ，15-分配轴，16-探头盒，17-挡水板，18-三爪卡盘Ⅱ，19-步进电机Ⅰ，20-同步齿形带传动装置Ⅰ，21-传动轴Ⅱ，22-同步齿形带传动装置Ⅱ，23-超声波探头，24-内圈，25-外圈，26-定位螺钉，27-外密封圈，28-内密封圈，a-第一个两相分界面，a′-第二个两相分界面。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明所述的高塑性细长杆零件的截面测量装置是为大长径比、高塑性或弹性零件的超声波检测方法提供的专用设备，可以作为塑性好、容易变形、细长杆类零件的直径测量、内腔尺寸测量、内部缺陷监测等多功能检测设备。本发明包括若干超声波探头、夹持张紧装置、主传动系统、进给传动系统、探头微调机构。所述的工件夹持张紧机构完成对工件的定位和夹紧，并把这种具有高塑变形和大长径比的工件适当绷紧拉直，保证检测的精度与可靠性；所述主传动系统完成步进电机动力的传递，并使工件转动时两端具有相同的角速度，从而保证工件在旋转测试的过程中没有扭转应力和扭转变形，确保测量可靠；所述的进给传动系统使超声波探头从工件一端移动到另一端；所述探头微调机构完成超声波探头高度的调整和探头与工件的距离的调整。探头检测的时候，需调整外圈，使超声波探头的轴线与工件轴线相相交于同一平面，然后再调整内圈，超声波探头端面与被检测工件的轴线距离适宜从而检测得到完整波形。超声波探头可以从工件一端移动到另一端，通过发射脉冲，根据回波信号检测任意一个截面的壁厚、内径、外径等截面参数，也可以应用在探伤方面。

所述夹持张紧装置包括三爪卡盘Ⅰ8、三爪卡盘Ⅱ18、张紧溜板10、手轮、丝杠12以及螺母Ⅰ11。所述两个三爪卡盘分别固连于传动轴Ⅰ9和传动轴Ⅱ21，传动轴Ⅰ9和传动轴Ⅱ2分别安装于张紧溜板10和床身3并限制住两传动轴的轴向自由度。所述两三爪卡盘与传动轴Ⅰ9和传动轴Ⅱ2轴线为同一直线，保证两三爪卡盘可以正确夹紧工件7。所述张紧溜板10安装于床身3的导轨上，可以沿导轨滑动，所述丝杠12安装于床身并限制其轴向自由度，所述螺母Ⅰ11固连于张紧溜板，并与丝杠12配合，丝杠一端连接手轮13。旋转手轮，则丝杠12转动，从而与丝杠12配合的螺母Ⅰ11带动张紧溜板和三爪卡盘沿床身轨道移动，张紧工件。

所述主传动系统包括步进电机Ⅰ19、同步齿形带传动装置Ⅰ20、分配轴15、导向键、同步齿形带传动装置Ⅲ14和同步齿形带传动装置Ⅱ22，传动轴Ⅰ9和传动轴Ⅱ21。所述步进电机Ⅰ19固连于床身，所述同步齿形带装置Ⅰ20连接步进电机Ⅰ19和分配轴15，所述分配轴15安装于床身3，分配轴15又通过同步齿形带装置Ⅲ14和同步齿形带传动装置Ⅱ22分别连接传动轴Ⅰ9、传动轴Ⅱ21。同步齿形带传动装置20通过一级减速把步进电机Ⅰ19的动力传递到分配轴，分配轴15分别通过二级减速由同步齿形带装置Ⅲ14和同步齿形带传动装置Ⅱ22把动力分别传递到传动轴Ⅰ9、传动轴Ⅱ21，并能保证传动轴Ⅰ9、传动轴Ⅱ2的转速同步。所述两级同步齿形带传动装置保证在测量过程中隔离步进电机的震动，避免影响测量精度。所述主传动系统使工件绕其轴线转动，从而探头可以从相对于工件不同的方位测量某一截面的各种参数，如测量工件某一截面圆各个直径尺寸的波动。

所述进给传动系统包括步进电机Ⅱ1、联轴器2、进给丝杠4、螺母Ⅱ6以及小溜板5。步进电机Ⅱ1固连于床身，所述联轴器2连接传动丝杠4和步进电机Ⅱ1的主轴，传动丝杠4通过轴承安装于床身并限制其轴向自由度，所述螺母Ⅱ6与传动丝杠4配合并且固连于小溜板5。步进电机Ⅱ1通过联轴器2带动传动丝杠4转动，传动丝杠4通过螺旋副带动螺母Ⅱ6以及小溜板5、探头盒移动，使其完成探头对工件不同截面的检测或测量。

所述的小溜板上安装有探头盒16，探头盒16两侧设置有工件可穿过的挡水板17，探头盒16中对应每个超声波探测头23安装有探头微调机构，所述探头微调机构包括内圈24、外圈25、定位螺钉26以及外密封圈27、内密封圈28。另外由于工件需要穿过探头盒16，探头盒16中需要蓄水，所以探头盒对应工件穿过的位置开槽，槽内设置上、下两个挡水板17，上、下挡水板中间都开有半圆孔，半圆孔的半径与工件的截面半径相同，用来防止水快速流出。所述探头盒上设有安装孔，安装孔的轴线与工件轴线正交于同一平面；外圈25通过间隙配合安装在探头盒16上开设的安装孔中，外圈25的内孔轴线与安装孔的轴线有偏心距e，内圈24安装在外圈25的偏心内孔中；超声波探头23插装在内圈24中；定位螺钉26通过探头盒16并拧入外圈25的卡槽内限制外圈25的轴向自由度。超声波探头23与内圈24的孔过盈配合，防止液体渗漏。内圈24和超声波探头23相对静止，外圈25和内圈24通过螺纹副相对做螺旋运动，外圈25可以相对探头盒16旋转。所述内外密封圈分别安装在外圈和探头盒内壁的U形槽内，防止液体渗漏。工作时首先保证工件正确夹持张紧，此时如果探头轴线与工件轴心不相交与同一个平面，则可以旋转外圈，探头轴线将绕探头盒上安装孔的轴线回转，探头的轨迹是一个以探头盒上安装孔的轴线为轴线，以偏心距e为半径的圆柱面，此圆柱面与工件轴线相交时超声波探头的位置就是正确工作位置。

对于此装置用于其他场合，比如塑性更好的，更容变形的工件，重力的影响变形更严重，可以改变探头盒的开口方向，把整个装置竖直放置。有必要时探头盒上可以安装多组探头提高检测效率，本文图示中有两个对称探头。

本发明用于大长径比、高塑性容易变形工件的超声波检测方案，步骤如下：首先由夹持张紧装置完成工件的加紧，然后在杆件两端施加一定的拉力，把工件拉直并保持张紧，保证工件可靠的定位在检测工位；然后由超声波微调机构条整探头轴线，使超声波探头的轴线与工件的轴线正交于同一平面内，此时超声波探头可以对工件的某一截面检测或测量；检测时主传动系统使工件整体绕其轴线转动，保证工件的两端转动同步从而保证工件没有扭转应力和扭转变形，使得超声波探头可以相对于工件从不同的方向对工件的某一截面进行检测或测量；在检测的同时进给传动系统探头的横向移动，使探头在控制系统的控制下从工件的一端移动到另一端，实现超声波探头对工件不同截面的检测。判断超声波探头轴线与工件轴线相交于同一个截面的方法：首先开启超声波检测设备，使超声波发射超声波脉冲，然后旋转外圈调整偏心相位，旋转内圈调整探头与工件的距离，同时观察回波波形图，当出现规整的波形图停止旋转外圈，超声波探头的轴线刚与工件轴线相交。

实施例：对于易变形的杆类零件。

首先把探头盒上的挡水板取下，工件穿过探头盒，旋转然后把工件的两端分别用三爪卡盘加紧，并保证把挡水板插入探头盒的槽内，然后旋转手轮丝杠使其带动张紧溜板向左移动，适当张紧工件，在探头盒内注满水使超声波在固液两相中传播，测量过程中最好配有水循环装置，保证探头盒中的水位满足正常测量的要求。

1、对于实心的、塑性好、易变形的细长杆类零件直径的测量：首先开启探头发射声波，调整外圈和内圈至合适的偏心相位和探头距离，观察上位机回波波形，直到出现清晰的回波波形。计超声波探头在

时刻出脉冲，如图4所示第一次遇到固液两相界面时部分超声波反射产生回波，其余部分声波继续向前传播，探头在

时刻接收到这次回波，当超声波第二次遇到界面时又会产生一次回波，超声波在接收到第二次回波。于是有工件厚度（即截面直径，用

表示）有如下关系：

，

表示超声波在工件材料中的传播速度，可以由实验测得，

表示直径的大小。表示接收到两个截面回波的时间差，可以从波形图上找出。测得一个直径后可以开启步进电机Ⅰ19，控制步进电机的转角，使工件绕轴线旋转一定的角度，可以测得此截面上的第二个直径，以此类推可以得到多个方向的直径值，求其均值作为此截面的直径，完成一个截面后可以启动步进电机Ⅱ2，使溜板进给一段距离寻找下一个被测截面用同样的方法得到多个截面直径，可以用这些值评估工件的制造误差。图示为对称的两组探头，可以同时对两组探头用同样的方法测量提高效率。

2、对于空心易变形、高塑性、细长杆类零件的截面参数测量采用如下方法：首先如前所述正确夹持张紧工件。开启两个探头，分别检测，调整外圈和内圈，采集回波，在上位机上观察，直到出现完整的回波波形。如图5所示，计

时刻开始发射一束脉冲，如图5所示超声波将会遇到4个界面（分别用P1、P2、P3、P4表示4个分界面）。超生波探头分别在

、

时刻收到这四个分界面产生的回波，超声波在水、工件和空气中的传播速度分别用为

、

、，而

、

、可以做实验获取。

如图5所示，

和

表示工件某一截面的两侧壁厚，

和

有如关系

，

，

其中、

分别表示声波在分界面P2和P1处回波时间之差和声波在分界面P4和P3处的回波时间之差，均可从波形图中读出。

如图5所示，工件的内腔直径，用

表示，有如下关系

，

其中表示超声波在分界面P3和P2处回波的时间差，可以从波形图上读取。通过以上三个式子可以得到工件外径，用表示：

。

一次测量完成后启动步进电机转动一定的角度可以测得另一组数据，求均值后可以减少测量误差。完成此截面测量后启动步进电机Ⅱ1驱动小溜板进给一定距离，测另一个截面，依照此法可以得到多组数据，用这些数据可以评价此工件的制造误差。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明的具体阐述，并不认定本发明的具体实施实例只限于这些说明。对于本发明所诉技术领域的普通技人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，任何形式的简单推演或者等效替换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于：包括若干超声波探头、可使工件定位、张紧的工件夹持张紧装置、可使工件转动且使工件两端具有相同角速度的主传动系统、可使超声波探头从工件一端移动到另一端的进给传动系统以及可对超声波探头高度以及探头与工件距离进行调整的探头微调机构，所述的工件夹持张紧装置包括两轴线同轴设置的三爪卡盘，一个三爪卡盘可相对与另一个三爪卡盘往复运动；所述的主传动系统包括分别与两三爪卡盘连接的轴线同轴设置的两传动轴，两传动轴连接同一动力来源。

2.根据权利要求1所述的高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于：所述的夹持张紧机构包括三爪卡盘Ⅰ（8）、三爪卡盘Ⅱ（18）、张紧溜板（10）、丝杠（12）和螺母Ⅰ（11）；两三爪卡盘分别夹紧工件（7）两端，螺母Ⅰ（11）固连在张紧溜板（10）上，与螺母Ⅰ（11）配合的丝杠安装在床身（3）上，张紧溜板（10）安装于床身的导轨上，丝杠（12）一端连接手轮（13）。

3.根据权利要求1或所述的高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于：主传动系统包括步进电机Ⅰ（19）、分配轴（15）、传动轴Ⅰ（9）、传动轴Ⅱ（21）、同步齿形带传动装置Ⅰ（20）、同步齿形带传动装置Ⅱ（22）和同步齿形带传动装置 Ⅲ（14），所述步进电机Ⅰ（19）固连于床身（3），步进电机Ⅰ（19）通过同步带齿形带传动装置Ⅰ（20）连接分配轴（15），分配轴（15）又通过同步齿形带装置Ⅲ（14）和同步齿形带传动装置Ⅱ（22）分别连接传动轴Ⅰ（9）、传动轴Ⅱ（21），传动轴Ⅰ（9）、传动轴Ⅱ（21）分别安装于张紧溜板和床身并分别和三爪卡盘Ⅰ（8）、三爪卡盘Ⅱ（18）固连。

4.根据权利要求1所述的高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于：进给系统包括步进电机Ⅱ（1）、联轴器（2）、传动丝杠（4）、螺母Ⅱ（6）以及小溜板（5）；所述步进电机Ⅱ（1）固连于床身，步进电机Ⅱ（1）通过联轴器（2）连接传动丝杠（4），传动丝杠安装于床身，螺母Ⅱ（6）固连于小溜板（5）并和传动丝杠（4）配合，小溜板（5）安装在床身的导轨上。

5.根据权利要求4所述的高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于：小溜板上安装有探头盒（16），探头盒（16）两侧设置有工件可穿过的挡水板（17），探头盒中对应每个超声波探测头（23）安装有探头微调机构，探头微调机构包括外圈（25）、内圈（24）以及定位螺钉（26），超声波探测头（23）插装于内圈（24）中并与内圈（24）过盈配合，超声波探测头（23）轴线与内圈（24）轴线重合，内圈（24）通过螺纹和外圈（25）配合连接，外圈（25）通过间隙配合安装在探头盒（16）上开设的安装孔中，安装孔的轴线与工件轴线正交于同一平面，外圈（25）的内孔轴线与安装孔的轴线有偏心距，定位螺钉（26）通过螺纹与探头盒（16）配合并且垂直于外圈（25）轴线方向拧入外圈（25）上开设的卡槽内。

6.根据权利要求3所述的高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于同步齿形带装置Ⅲ（14）以及同步齿形带传动装置Ⅱ（22）与分配轴（15）之间的带轮用导向键或者花键连接。

7.根据权利要求5所述的高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于：探头盒（16）对应工件穿过的位置开槽，槽内设置上、下两个挡水板（17），上、下挡水板中间都开有半圆孔，半圆孔的半径与工件的截面半径相同。

8.根据权利要求5或7所述的高塑性细长杆零件的截面测量装置，其特征在于：外圈（25）靠近探头盒（16）内部的一端且与内圈（24）配合的位置、探头盒（16）靠近其内部的一侧且与外圈（25）配合的位置分别开有U形槽，设置有内密封圈（28）、外密封圈（27）。