CN105157630B - 一种接触式在机超声自动测厚的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种接触式在机超声自动测厚的测量方法属于检测技术领域，涉及对大型薄壁件的接触式超声在机自动测厚的测头装置与测量方法。测量方法中采用了超声集成测头装置、柔性接触缓冲系统、探头到位自动检测系统和耦合剂自动喷淋系统来完成超声自动测厚的测量。在机测量过程：对装夹后的被测薄壁件进行接触式在机自动超声测量，启动外部液压系统，数控机床自动控制超声测量装置按照预先设计的测量路径运动，在数控机床控制下，超声探头以进给速度逐渐与被测薄壁件接触。本发明集成度高、结构简单，安装于机床主轴、机械手执行末端，实现了接触式超声在机自动测厚，保证了厚度测量的准确性与实时性，数据可靠性强，提高了测量效率和测量精度。

Description

一种接触式在机超声自动测厚的测量方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及对大型薄壁件的接触式超声在机自动测厚的测头装置与测量方法。

背景技术

薄壁件是目前高端装备中的一类典型零件，具有尺寸大、形状复杂、刚度低等特点，对壁厚精度要求较高，而且壁厚很难一次加工到位。因此需要在加工间隙对薄壁件壁厚进行测量，以便根据测量结果修改加工参数进行再加工。目前主要采用手持式测量，由于测量过程中探头与工件的相对姿态需要人工反复找正，导致测量效率和精度低、劳动强度大。随着对大型薄壁零件的加工要求和测量要求的提高，传统的手持式超声测量已经无法满足工业界需求。而在机自动测厚凭借测量效率和精度高、实时性好等优点，已经成为测厚领域的技术热点。采用接触式耦合在机自动超声测厚的关键问题是：超声测头与工件的柔性接触、接触判断状态的判断以及耦合剂自动喷淋。

2011年中北大学王明泉、李光亚等在专利发明CN102494645A中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，利用多组超声探头对被测件壁厚进行非接触测量，通过对测量数据的融合处理计算被测件内腔尺寸数据。然而，该方法是基于非接触液浸测量，并且测量装置独立无法做到在机测量。2014年大连理工大学林莉、马志远等在发明专利CN104197872A发明了一种弹性各向异性金属基体热障涂层厚度超声测量方法，采用一套包括超声波C扫描装置、水浸点聚焦探头、数字示波器以及计算机共同构成的超声脉冲回波法C扫描测厚系统，该方法针对聚焦超声探头，涉及焦距调整，系统复杂。并且上述研究均未提及接触式超声在机自动测量问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服曲面薄壁件厚度测量难题，面向接触式超声探头在机自动测量要求，针对超声探头与被测件表面的测量姿态自动调整与测量难题，发明了一种适用于任意厚度的薄壁件接触式超声在机测头装置及测量方法。超声测头装置中采用柔性接触缓冲结构，减小了因撞击薄壁件表面导致的探头受冲击破坏的可能性；建立探头到位自动检测系统，通过安装接近开关监测弹簧压缩量，实现对超声探头与待测工件之间接触状态的判断；设计了耦合剂自动喷淋系统，使用切削液作为耦合剂，方便获取与回收耦合剂。本装置可集成于机床主轴，在保证测量精度的情况下，实现零件厚度参量的在机自动化检测，提升薄壁件的加工效率。

本发明采用的技术方案是一种接触式在机超声自动测厚的测量方法，其特征是：测量方法中采用了集成超声测头装置、柔性接触缓冲系统、探头到位自动检测系统和耦合剂自动喷淋系统来完成超声自动测厚的测量；测量方法的具体说明如下：

1)所述集成超声测头装置A中，上筒体7与下筒体4通过高强度胶连接后，上下筒体通过环形均布的螺钉9与主轴转接机构8连接，整体以刀柄形式与机床主轴E连接；安装有密封圈3的超声探头1下端安装于下筒体的中部，超声探头1上端通过垫片2与接近开关识别板6连接，接近开关识别板6通过键槽导向连接于上筒体7内壁，上端通过弹簧12与主轴转接机构8连接；耦合剂注入嘴10和耦合剂喷淋嘴5分别通过螺纹安装在测头筒体的上下两侧，通过在上筒体7上的轴向注液腔a和下筒体4中的环形贮液槽b流入，可实现耦合剂喷淋系统与超声测头内部探头安装区域的分离，并获得耦合剂在各个方向的稳定均匀喷淋。

2)在所述的柔性接触缓冲系统中，在与探头1刚性连接的垫片2、接近开关识别板6的上方安装弹簧12作为缓冲装置，并考虑探头与被测件接触力的大小确定弹簧12的刚度系数，减小接触时探头所承受的冲击，保护探头。

3)采用探头到位自动检测系统检测超声探头与被测件的接触状态，当探头1慢速接近被测件B，二者接触后，机床主轴E继续带动探头1运动，接近开关识别板6向上移动，并压缩弹簧12，当压缩量达到接近开关预设阈值时，通过接近开关11发出触发信号，机床停止运行，在当前位置完成厚度测量，提高超声测厚效率，保证测量精度。

4)耦合剂自动喷淋系统采用轴向注流结合周向整流的方式，对耦合剂进行流动控制，在下筒体4的底部内有环形贮液槽b，并在耦合剂流经的槽底上设置了若干个均匀分布的筛孔c作为耦合剂出口，最终实现超声测头内耦合剂的稳定均匀流动状态。

5)在机测量过程：对装夹后的被测件B进行接触式在机自动超声测量。启动外部液压系统，数控机床自动控制超声测头装置按照预先设计的测量路径运动，在数控机床控制下，超声探头1以进给速度逐渐与被测件B接触，在二者接触后，机床主轴E继续带动探头1运动，接近开关识别板6向上移动，并压缩弹簧12，当弹簧12压缩量达到一定值时，接近开关11与接近开关识别板6之间的距离达到接近开关11的设置阈值，接近开关11的状态由0变成1，并通过光电耦合方式传送至数控机床PLC系统，保证了超声探头1与被测件B的柔性接触与接触状态的监测。在判断出超声探头1与被测件B接触后，机床停止运动，测头停驻一段时间，耦合剂喷淋嘴5进行耦合剂自动喷淋，超声探头1的信号线F与上层采集系统的超声专用板卡G和计算机H连接，自动完成相应的测量数据采集、存储、处理等，完成当前点处的厚度超声测量；然后超声测头装置在数控机床的控制下，运动至下一个测量点，重复以上在机超声测量过程，直至完成被测件B厚度的在机自动测量。

本发明的有益效果是，超声测头装置的集成度高、结构简单，可安装于机床主轴、机械手执行末端，实现了接触式超声在机自动测厚，保证了厚度测量的准确性与实时性，数据可靠性强，提高了测量效率和测量精度。

附图说明：

附图1为集成超声测头装置A的剖视图，附图2为集成超声测头装置A的俯视图，图3为下筒体4的结构图。其中：1-超声探头，2-垫片，3-密封圈，4-下筒体，5-耦合剂喷淋嘴，6-接近开关识别板，7-上筒体，8-主轴转接机构，9-螺钉，10-耦合剂注入嘴，11-接近开关，12-弹簧，a-轴向注液腔，b-环形贮液槽，c-环形筛孔。

附图4为在机超声测量系统示意图，其中：A-集成超声测头装置，B-被测件，C-带螺栓压板组件，D-工作台，E-机床主轴，F-信号线，G-超声专用板卡，H-计算机。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式：

集成超声测头装置的组装：首先将密封圈3套在接触式超声探头1上部，并将超声探头1安装于测头下筒体4的中部，然后将上筒体7和下筒体4胶接，接近开关识别板6通过垫片2压在超声探头1上方，并在上筒体7内壁通过键槽导向连接接近开关识别板6，接近开关识别板6与主轴转接机构8通过弹簧12连接，根据探头1与被测件B的接触力以及接近开关11的设置阈值，确定弹簧12的刚度为130N/m，接近开关11通过螺纹实现与主轴转接机构8的连接，使用切削液作为耦合剂，耦合剂注入嘴10通过螺纹与测头上筒体7筒壁中的轴向注液腔a连接，通过在下筒体的环形贮液槽b上均布8个环形筛口c流入，耦合剂喷淋嘴5与筛口同样通过螺纹连接，可实现任意方向的耦合剂喷淋，并保证均匀性与稳定性，最后完成测头组装，如附图1所示。

测头装夹与测量准备：将上筒体7通过3个周向均布的螺钉组件9与主轴转接机构8相连，接着将主轴转接机构8安装到机床主轴E上，将被测件B放置在机床工作台D上，4个带螺栓的压板组件C压紧被测件B，完成被测件B的测量就位，数控机床自动控制超声测头可以按照预先设计的测量路径运动，如附图4所示。

在机测量过程：对装夹后的被测件B进行接触式在机自动超声测量。启动外部液压系统，数控机床自动控制超声测头装置按照预先设计的测量路径运动，在数控机床控制下，超声探头1以进给速度30mm/min逐渐与被测件B接触，在二者接触后，机床主轴E继续带动探头1运动，接近开关识别板6向上移动，并压缩弹簧12，当弹簧12压缩量达到2mm时，接近开关11与接近开关识别板6之间的距离达到接近开关11的设置阈值，接近开关11的状态由0变成1，并通过光电耦合方式传送至数控机床PLC系统，保证了超声探头1与被测件B的柔性接触与接触状态的监测。在判断出超声探头1与被测件B接触后，机床停止运动，测头停驻一段时间，耦合剂喷淋嘴5进行耦合剂自动喷淋，超声探头1的信号线F与上层采集系统的超声专用板卡G和计算机H连接，自动完成相应的测量数据采集、存储、处理等，完成当前点处的厚度超声测量。然后超声测头装置在数控机床的控制下，运动至下一个测量点，重复以上在机超声测量过程，直至完成被测件B厚度的在机自动测量。

本发明使用的控制系统主要由运动控制系统及数据采集处理系统两部分构成。其中，计算机H作为控制核心，通过RS232接口与机床连接，当接近开关11的状态由0变成1，数控机床PLC输出装态发生相应改变后，计算机自动完成对当前点的厚度测量数据的采集处理。系统数据采集处理选用思雀柯UT-2000超声专用板卡G，它集超声波发射与接收于一体的控制、采集卡。高分辨率及高采样频率保证了接触式在机自动超声测量的可靠性以及测量精度。两种测量结果如表1所示。

表1

表1为采用该接触式在机自动超声测厚的测头装置和测量方法针对铝合金6061-T6阶梯试件的实际测厚结果与三坐标测量结果的对比。从测量结果对比中，分析得知该装置与方法可实现在机自动测厚，测量精度在0.07mm以内。

本发明测量装置中组件数量较少、结构紧凑，可满足水、机油、切削液等不同粘度耦合剂的要求，保证了探头与被测件的柔性接触，实现了探头与被测件的接触状态判断，完成了耦合剂的自动喷淋，为接触式超声在机自动曲面测厚提供可靠的测量装置与测量方法，实用性强。

Claims (1)

1.一种接触式在机超声自动测厚的测量方法，其特征是：测量方法中采用了集成超声测头装置、柔性接触缓冲系统、探头到位自动检测系统和耦合剂自动喷淋系统来完成超声自动测厚的测量；测量方法的具体说明如下：

1)采用的集成超声测头装置中，将上筒体(7)与下筒体(4)通过高强度胶连接，上下筒体通过环形均布的螺钉(9)与主轴转接机构(8)连接，整体以刀柄形式与机床主轴(E)连接；安装有密封圈(3)的超声探头(1)下端安装于下筒体(4)的中部，超声探头(1)上端通过垫片(2)与接近开关识别板(6)连接，接近开关识别板(6)通过键槽导向连接于上筒体(7)内壁，上端通过弹簧(12)连接主轴转接机构(8)；耦合剂注入嘴(10)通过螺纹安装在上筒体的上侧，耦合剂喷淋嘴(5)通过螺纹安装在下筒体的下侧，通过在上筒体(7)上的轴向注液腔(a)和下筒体(4)的环形贮液槽(b)，实现耦合剂喷淋系统与超声测头内部探头安装区域的分离，并获得耦合剂在各个方向的稳定均匀喷淋；

2)采用的柔性接触缓冲系统中，在与超声探头(1)刚性连接的垫片(2)、接近开关识别板(6)的上方安装弹簧(12)，弹簧(12)作为缓冲装置，减小因撞击被测件(B)表面导致的探头受冲击破坏的可能性，并考虑探头与被测件(B)接触力的大小确定弹簧(12)的刚度系数；

3)采用探头到位自动检测系统检测超声探头与被测件(B)的接触状态，当超声探头(1)慢速接近被测件(B)，二者接触后，机床主轴(E)继续带动超声探头(1)运动，接近开关识别板(6)向上移动，压缩弹簧(12)，当压缩量达到预设阈值时，通过接近开关(11)发出触发信号，机床停止运行，在当前位置完成厚度测量；

4)耦合剂自动喷淋系统采用轴向注流结合周向整流的方式对耦合剂进行流动控制，在下筒体(4)的底部内有环形贮液槽(b)，使用切削液作为耦合剂，并在耦合剂流经的槽底上设置了若干个均匀分布的筛孔(c)作为耦合剂出口，最终实现超声测头内耦合剂的稳定均匀流动状态；

5)在机测量过程：将被测件(B)放置在机床工作台(D)上，4个带螺栓的压板组件(C)压紧被测件(B)，对装夹后的被测件(B)进行接触式在机自动超声测量；启动外部液压系统，数控机床自动控制超声测头装置按照预先设计的测量路径运动，在数控机床控制下，超声探头(1)以进给速度逐渐与被测件(B)接触，在二者接触后，机床主轴(E)继续带动探头(1)运动，接近开关识别板(6)向上移动，并压缩弹簧(12)，当弹簧(12)压缩量达到一定值时，接近开关(11)与接近开关识别板(6)之间的距离达到接近开关(11)的设置阈值，接近开关(11)的状态由0变成1，并通过光电耦合方式传送至数控机床PLC系统，保证了超声探头(1)与被测件(B)的柔性接触与接触状态的监测；在判断出超声探头(1)与被测件(B)接触后，机床停止运动，测头停驻一段时间，耦合剂喷淋嘴(5)进行耦合剂自动喷淋，超声探头(1)的信号线(F)与上层采集系统的超声专用板卡(G)和计算机(H)连接，自动完成相应的测量数据采集、存储、处理，完成当前点处的厚度超声测量；然后超声测头装置在数控机床的控制下，运动至下一个测量点，重复以上在机超声测量过程，直至完成被测件(B)厚度的在机自动测量。