CN104139323A - 航空大型薄壁零件在线测厚系统及其测厚方法 - Google Patents

航空大型薄壁零件在线测厚系统及其测厚方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航空大型薄壁零件在线测厚系统及其测厚方法，该线测厚系统包括定位传感器等，定位传感器、超声波传感器、超声波测厚数据处理器、刀柄构成超声波测厚探头，数控系统与五轴数控机床连接，刀柄固定于数控系统的一个主轴上，定位传感器通过第一数据端口与数控系统连接，超声波测厚数据处理器通过第二数据端口与数控系统连接，定位传感器用于超声波测厚探头定位并向数控系统输出控制信号，超声波传感器用于发送并接受超声波信号；超声波测厚数据处理器用于控制超声波传感器、控制厚度测量过程以及进行厚度数据处理；刀柄用于固定定位传感器和超声波传感器。本发明自动进行测量，提高精确度，且节约人力成本。

Description

航空大型薄壁零件在线测厚系统及其测厚方法
技术领域
 本发明涉及一种测厚系统及其测厚方法，特别是涉及一种航空大型薄壁零件在线测厚系统及其测厚方法。
背景技术
在航空大型薄壁零件加过程中，由于刀具的磨损，工件的偏转，工件让刀等多种原因，常常会出现过切或欠切，从而出现废品。目前测量航空大型薄壁零件的方法通常采用手持式测厚仪，测量位置具有极强的不确定性，对后续加工没有指导作用，手动测量一定程度上浪费了人力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种航空大型薄壁零件在线测厚系统及其测厚方法，其自动进行测量，提高精确度，且节约人力成本。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种航空大型薄壁零件在线测厚系统，其特征在于，其包括定位传感器、超声波传感器、超声波测厚数据处理器、刀柄、数控系统、五轴数控机床，定位传感器、超声波传感器、超声波测厚数据处理器、刀柄构成超声波测厚探头，数控系统与五轴数控机床连接，刀柄固定于数控系统的一个主轴上，定位传感器通过第一数据端口与数控系统连接，超声波测厚数据处理器通过第二数据端口与数控系统连接，定位传感器用于超声波测厚探头定位并向数控系统输出控制信号，超声波传感器用于发送并接受超声波信号；超声波测厚数据处理器用于控制超声波传感器、控制厚度测量过程以及进行厚度数据处理；刀柄用于固定定位传感器和超声波传感器。
优选地，所述数控系统包括测量路径规划器、测量路径仿真器、模型重构器、模型误差比较器、模型误差补偿器，测量路径规划器与测量路径仿真器连接，测量路径仿真器与模型重构器连接，模型重构器与模型误差比较器连接，模型误差比较器与模型误差补偿器连接。
本发明还提供一种航空大型薄壁零件在线测厚系统的测厚方法，其特征在于，该测厚方法采用上述的航空大型薄壁零件在线测厚系统，该测厚方法包括以下步骤：
步骤S1，根据五轴数控机床加工完成的航空大型薄壁零件，进行在线厚度测量；
步骤S2，根据在线厚度测量所得到的测量结果，计算实际加工得到的工件与理论模型的加工误差；
步骤S3，根据所得到的加工误差，生成对应的补偿加工刀路，对大型薄壁零件进行变形量补偿加工。
优选地，所述步骤S1包括以下具体步骤：
S11，由工艺人员根据实际情况选取需要精度检测的测量位置，即测量面；
S12，由步骤S11选取的测量面，根据理论模型通过测量路径规划器进行测量路径规划；
S13，利用测量路径仿真器进行测量仿真，若仿真过程中超声波测厚探头与工件或五轴数控机床发生干涉，则需要重新规划测量路径并仿真，直到超声波测厚探头与工件或五轴数控机床无干涉；
S14，步骤S13无误后，在五轴数控机床上直接对加工完成的航空大型薄壁零件进行在线厚度测量，测量完毕，工艺人员从数控系统中导出位置文件，超声波测厚数据处理器导出厚度文件。
优选地，所述步骤S14包括以下具体步骤：
S141，超声波测厚探头快速移动到测量等待点，测量等待点一般为测量点上方5mm~10mm；
S142，超声波测厚探头慢速移动到测量点，即超声波测厚探头慢速移动到测量点位置；
S143，超声波测厚探头接触到工件，定位传感器通过第一数据端口向五轴数控机床发送控制信号；
S144，五轴数控机床接受到步骤S143发送的控制信号，五轴数控机床停止运动，并保存当前五轴数控机床坐标位置到数控系统的内存中，同时通过第二数据端口发送数控指令；
S145，超声波测厚数据处理器接受到由步骤S144发送的数控指令，开始控制超声波传感器测量工件厚度。
优选地，所述步骤S2包括如下具体步骤：
S21，工艺人员将位置文件与厚度文件导入模型重构器中，利用模型重构器得到的数据点进行模型重构得到实际加工模型；
S22，利用模型误差比较器对步骤S21生成的实际加工模型与理论模型比较，得到加工误差。
优选地，所述步骤S3利用模型误差补偿器对加工代码进行修改和补偿。
本发明的积极进步效果在于：本发明自动进行测量，提高精确度，且节约人力成本。本发明还能够对因刀具的磨损、让刀等多种原因引起的过切或欠切经行自动补偿，并且能提高大型薄壁零件的质量、加工效率，并能提高加工产品合格率。
    
附图说明
图1为本发明航空大型薄壁零件在线测厚系统的原理框图。
图2为本发明中数控系统的原理框图。
 
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
超声波是一种机械纵波，是由于机械振动在弹性介质中产生的波动。超声波在同一均匀介质中传播时，其波速为一常数。超声波从一种介质传播到另一种介质时,在两介质的分界面上会产生反射。所以超声波脉冲自被测材料表面发出到接收底面反射脉冲的间隔时间正比于材料厚度，将这个时间转化为厚度值表示，即为被测材料厚度。
如图1所示，本发明航空大型薄壁零件在线测厚系统包括定位传感器、超声波传感器、超声波测厚数据处理器、刀柄、数控系统、五轴数控机床，定位传感器、超声波传感器、超声波测厚数据处理器、刀柄构成超声波测厚探头，数控系统与五轴数控机床连接，刀柄固定于数控系统的一个主轴上，定位传感器通过第一数据端口与数控系统连接，超声波测厚数据处理器通过第二数据端口与数控系统连接，定位传感器用于超声波测厚探头定位并向数控系统输出控制信号，超声波传感器用于发送并接受超声波信号；超声波测厚数据处理器的主要功能是接收数控系统输出的控制信号、控制超声波传感器、控制厚度测量过程以及进行厚度数据处理；刀柄的主要功能是用于固定定位传感器和超声波传感器，因为刀柄固定于数控系统的一个主轴上，这样就将超声波测厚探头固定于数控系统的主轴上，数控系统可通过控制五轴数控机床的运动实现对超声波测厚探头的运动控制。如图2所示，数控系统包括测量路径规划器、测量路径仿真器、模型重构器、模型误差比较器、模型误差补偿器，测量路径规划器与测量路径仿真器连接，测量路径仿真器与模型重构器连接，模型重构器与模型误差比较器连接，模型误差比较器与模型误差补偿器连接。
本发明航空大型薄壁零件在线测厚系统的测厚方法包括以下步骤：
步骤S1，根据五轴数控机床加工完成的航空大型薄壁零件，进行在线厚度测量；该步骤S1主要包括以下几个小步骤：
S11，航空大型薄壁零件受其结构的影响，不可能做到加工表面均进行测量，根据航空大型薄壁零件的精度要求，由工艺人员根据实际情况选取需要精度检测的测量位置，即测量面。
S12，由步骤S11选取的测量面，根据理论模型通过测量路径规划器进行测量路径规划。S12步骤包括如下两个详细的步骤：
S121，测量点选择。由于检测过程为点接触测量，因此需要在测量面上选取合适的点作为测量点，测量点是根据测量探头的规定、被测工件的结构与被测面的特点综合选定的。
S122，根据S121步骤生成的测量点、被测工件的结构以及超声波测厚探头测量特点，规划测量路径。
S123，对由S122步骤生成的测量路径进行干涉检查，防止撞坏工件或超声波测厚探头。
S13，利用测量路径仿真器进行测量仿真。若仿真过程中超声波测厚探头与工件或五轴数控机床发生干涉，则需要重新规划测量路径并仿真，直到超声波测厚探头与工件或五轴数控机床无干涉。
S14，步骤S13无误后，在五轴数控机床上直接对加工完成的航空大型薄壁零件进行在线厚度测量。测量完毕，工艺人员从数控系统中导出位置文件，超声波测厚数据处理器导出厚度文件。
步骤S14每次测量的详细步骤如下：
S141，超声波测厚探头快速移动到测量等待点，测量等待点一般为测量点上方5mm~10mm；
S142，超声波测厚探头由测量等待点慢速移动到测量点，即超声波测厚探头慢速移动到测量点；
S143，超声波测厚探头接触到工件，定位传感器通过第一数据端口向五轴数控机床发送控制信号；
S144，五轴数控机床接受到步骤S143发送的控制信号，五轴数控机床停止运动，并保存当前五轴数控机床坐标位置到数控系统的内存中，同时通过第二数据端口发送数控指令。
S145，超声波测厚数据处理器接受到由步骤S144发送的数控指令，开始控制超声波传感器测量工件厚度，其具体步骤如下；
S1451，超声波测厚数据处理器控制超声波传感器发送超声波，超声波测厚数据处理器计时器开始计时；
S1452，超声波传感器接收到反馈信号，将信号发送给超声波测厚数据处理器，计时器停止，得到时间长度t秒；得到时间长度t秒后，根据公式（1）计算得到被测点工件的厚度：
D=λ*t/2                                             （1）
其中λ为超声波在被测介质中的传播速度，D为被测点工件的厚度，t为超声波在工件中传递的时间。
S1453，保存厚度数据保存到厚度文件中。
步骤S2，根据在线厚度测量所得到的测量结果，计算实际加工得到的工件与理论模型的加工误差。步骤S2包括如下具体步骤：
S21，工艺人员将位置文件与厚度文件导入模型重构器中，利用模型重构器得到的数据点进行模型重构得到实际加工面的厚度分布情况且得到实际加工模型。
S22，利用模型误差量比较器对步骤S21生成的实际加工模型与理论模型比较，得到加工误差。
步骤S3，根据所得到的加工误差，生成对应的补偿加工刀路，对大型薄壁零件进行变形量补偿加工，具体可以利用模型误差补偿器对加工代码进行修改和补偿。本发明自动进行测量，相对于目前采用的手动测量而言，具有节约人力成本，提高精确度，节约测量时间的优点。本发明测量过程由数控中心执行，只需要机床操作人员，而不需要测量人员节约了人力成本。本发明测量的定位精度依赖于数控机床的定位精度（约为0.003mm），能够准确测量出各测量点的厚度分布情况，提高了测量精确度。测量过程在数控机床上进行，节省了手动测量移动工件的时间，节约了测量时间。本发明还能够对因刀具的磨损、让刀等多种原因引起的过切或欠切经行自动补偿，并且能提高大型薄壁零件的质量，并能提高加工产品合格率。大型薄壁零件的过切或欠切主要体现在壁厚相对于理论厚度（理论厚度=模型厚度+加工余量）偏大或偏小，经过误差量补偿器后加工代码进行修改使得实际加工厚度与模型厚度相等，从而提高大型薄壁零件的质量，并能提高加工产品合格率。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。

Claims (7)

1.一种航空大型薄壁零件在线测厚系统，其特征在于，其包括定位传感器、超声波传感器、超声波测厚数据处理器、刀柄、数控系统、五轴数控机床，定位传感器、超声波传感器、超声波测厚数据处理器、刀柄构成超声波测厚探头，数控系统与五轴数控机床连接，刀柄固定于数控系统的一个主轴上，定位传感器通过第一数据端口与数控系统连接，超声波测厚数据处理器通过第二数据端口与数控系统连接，定位传感器用于超声波测厚探头定位并向数控系统输出控制信号，超声波传感器用于发送并接受超声波信号；超声波测厚数据处理器用于控制超声波传感器、控制厚度测量过程以及进行厚度数据处理；刀柄用于固定定位传感器和超声波传感器。
2.如权利要求1所述的航空大型薄壁零件在线测厚系统，其特征在于，所述数控系统包括测量路径规划器、测量路径仿真器、模型重构器、模型误差比较器、模型误差补偿器，测量路径规划器与测量路径仿真器连接，测量路径仿真器与模型重构器连接，模型重构器与模型误差比较器连接，模型误差比较器与模型误差补偿器连接。
3.一种航空大型薄壁零件在线测厚系统的测厚方法，其特征在于，该测厚方法采用权利要求2所述的航空大型薄壁零件在线测厚系统，该测厚方法包括以下步骤：
步骤S1，根据五轴数控机床加工完成的航空大型薄壁零件，进行在线厚度测量；
步骤S2，根据在线厚度测量所得到的测量结果，计算实际加工得到的工件与理论模型的加工误差；
步骤S3，根据所得到的加工误差，生成对应的补偿加工刀路，对大型薄壁零件进行变形量补偿加工。
4.如权利要求3所述的航空大型薄壁零件在线测厚系统，其特征在于，所述步骤S1包括以下具体步骤：
S11，由工艺人员根据实际情况选取需要精度检测的测量位置，即测量面；
S12，由步骤S11选取的测量面，根据理论模型通过测量路径规划器进行测量路径规划；
S13，利用测量路径仿真器进行测量仿真，若仿真过程中超声波测厚探头与工件或五轴数控机床发生干涉，则需要重新规划测量路径并仿真，直到超声波测厚探头与工件或五轴数控机床无干涉；
S14，步骤S13无误后，在五轴数控机床上直接对加工完成的航空大型薄壁零件进行在线厚度测量，测量完毕，工艺人员从数控系统中导出位置文件，超声波测厚数据处理器导出厚度文件。
5.如权利要求4所述的航空大型薄壁零件在线测厚系统，其特征在于，所述步骤S14包括以下具体步骤：
S141，超声波测厚探头快速移动到测量等待点，测量等待点一般为测量点上方5mm~10mm；
S142，超声波测厚探头慢速移动到测量点，即超声波测厚探头慢速移动到测量点位置；
S143，超声波测厚探头接触到工件，定位传感器通过第一数据端口向五轴数控机床发送控制信号；
S144，五轴数控机床接受到步骤S143发送的控制信号，五轴数控机床停止运动，并保存当前五轴数控机床坐标位置到数控系统的内存中，同时通过第二数据端口发送数控指令；
S145，超声波测厚数据处理器接受到由步骤S144发送的数控指令，开始控制超声波传感器测量工件厚度。
6.如权利要求3所述的航空大型薄壁零件在线测厚系统，其特征在于，所述步骤S2包括如下具体步骤：
S21，工艺人员将位置文件与厚度文件导入模型重构器中，利用模型重构器得到的数据点进行模型重构得到实际加工模型；
S22，利用模型误差比较器对步骤S21生成的实际加工模型与理论模型比较，得到加工误差。
7.如权利要求3所述的航空大型薄壁零件在线测厚系统，其特征在于，所述步骤S3利用模型误差补偿器对加工代码进行修改和补偿。
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