CN105258658A - 超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置及方法，包括收发探头，收发探头与控制器连接；所述收发探头由收发探头稳定定位装置进行准确定位，收发探头稳定定位装置与耦合剂涂抹装置相配合，耦合剂涂抹装置将耦合剂涂抹在收发探头和被测表面之间；所述收发探头稳定定位装置包括固定装置，所述固定装置上固定偶数个支撑架，支撑架分布于收发探头两侧；所述耦合剂涂抹装置固定于固定装置上，耦合剂涂抹装置包括旋转机构，旋转机构下部与耦合剂喷嘴连接。可以在不破坏滚珠丝杠工作状态的前提下，对丝杠淬火层厚度进行检验，测厚；操作简单，周期短、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等优点。

Description

超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置及方法，具体地说是利用超声波原理测量丝杠表面淬火层厚度，属于机械工程领域。

背景技术

近年来，随着装备制造业的整体水平不断提高，对数控机床核心部件滚珠丝杠副的性能要求越来越高，丝杠表面淬火是丝杠重要工艺，严重影响着丝杠质量、使用寿命。而当今对丝杠表面淬火层厚度测量还停留在有损检测，具体作法为先切片，然后酸蚀，最后用显微镜测量，其过程啰嗦、复杂、不易控制，人作为主要因素会带来很大的误差，严重影响滚珠丝杠表面淬火层厚度的测量，降低了测量精度，大多数的丝杠为双圆面或单圆面，其表面淬火层厚度测量本身非常复杂，作为圆面，其直径非常小，测量过程不易控制，淬火层厚度只有几毫米甚至更小，测量精度难以得到保证，所以研发一种超声波测量丝杠表面淬火层厚度的装置是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，包括收发探头，收发探头与控制器连接；所述收发探头由收发探头稳定定位装置进行准确定位，收发探头稳定定位装置与耦合剂涂抹装置相配合，耦合剂涂抹装置将耦合剂涂抹在收发探头和被测表面之间；

所述收发探头稳定定位装置包括固定装置，所述固定装置上固定偶数个支撑架，支撑架分布于收发探头两侧；所述耦合剂涂抹装置固定于固定装置上，耦合剂涂抹装置包括旋转机构，旋转机构下部与耦合剂喷嘴连接。

所述固定装置为回字型支架，所述支撑架通过连接元件固定于回字型支架的下部支架上，所述支撑架以回字型支架的中心线对称分布；所述收发探头固定在回字型支架的下部支架的中心处；使支撑架在收发探头的两侧起到均匀支撑作用，保证收发探头位置的准确。

优选的，所述支撑架的中心线与回字型支架的竖直中心线的夹角为30度；保证收发探头中间线测量沿丝杠曲面法线方向进行，测量结果重复性在5μm以内。

进一步优选的，所述回字型支架的下部支架为弧形结构，使连接元件更方便的固定在下部支架上。

进一步优选的，所述连接元件位于弧形结构的法线方向上；可以使连接元件在与回字型支架的固定处利用螺栓螺母与下部支架相贴合固定，避免螺栓螺母与下部支架有夹角造成固定不稳。

所述支撑架的底部为半圆球形，配合在丝杠圆弧曲面上，起到对收发探头的支撑作用。

所述旋转机构包括倒L型传动轴，所述倒L型传动轴固定在回字型支架的上部支架的中心处；所述倒L型传动轴下部连接主动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮相啮合连接。

所述倒L型传动轴的横向结构位于回字型支架的上部支架外，且横向结构与手动摇杆连接；所述倒L型传动轴的竖向结构位于回字型支架内。

所述从动齿轮的中心固定与从动齿轮轴线相平行的喷嘴连接管，所述喷嘴连接管底部与耦合剂喷嘴连接。

所述耦合剂喷嘴为弧形结构，且耦合剂喷嘴的底端部弯向主动齿轮的轴线位置；使耦合剂在淬火层上均匀涂抹，并且使耦合剂在收发探头与淬火层的接触四周都涂抹耦合剂。

优选的，所述回字型支架的下部支架中部设有转台，所述收发探头固定在转台上；所述转台与从动齿轮通过连接件固定连接，所述喷嘴连接管穿过转台，使喷嘴连接管在随从动齿轮转动过程中不受回字型支架的影响。

优选的，所述喷嘴连接管上设有调节开关，调节开关根据从动齿轮的转速和收发探头与淬火层的间隙调节耦合剂流速。

所述控制器连接有显示器，将测量结果用数显式方式显示出来。

超声波测量丝杠表面淬火层厚度方法，包括以下步骤：

步骤1：将超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置放置于被测物的被测表面，收发探头稳定定位装置将其稳定在被测表面上，利用耦合剂涂抹装置在淬火层均匀涂抹耦合剂；

步骤2：控制器控制收发探头的超声波的发射与接收，根据超声波的反射时间和选定的声速确定被测表面的淬火层厚度。

所述步骤1的具体步骤为：

将超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置放置于被测物的被测表面，收发探头稳定定位装置将其稳定在被测表面上，匀速摇动手动摇杆通过倒L型传动轴带动主动齿轮转动，从动齿轮跟随主动齿轮做公转，转台与从动齿轮做同样转动，喷嘴连接管与耦合剂喷嘴跟随从动齿轮转动，利用调节开关调节耦合剂流速，由耦合剂喷嘴匀速转动，使耦合剂均匀涂抹在收发探头与被测表面淬火层之间。

所述步骤2的具体步骤为：

为控制器输入选定的声速v，将收发探头放置于涂有耦合剂的被测表面上，保证收发探头与被测表面耦合良好；

发送超声波进入被测表面淬火层，超声波从被测表面淬火层临界表面开始计时，到达被测表面淬火层边界底面会将超声波反射，收发探头接收到反射回的超声波，得到此周期时间t1；同时超声波由被测表面淬火层临界表面返回，第二次在被测表面淬火层边界底面反射后收发探头接收第二次周期时间t2，超声波在淬火层飞行时间确定为t＝t2-t1；以指定的周期重复发送和接收多次，则被测表面淬火层厚度δ为：

$\mathrm{\δ}=\frac{vt}{2}.$

优选的，所述步骤2中，在对被测表面的同一测定点进行测量淬火层厚度时，利用收发探头进行两个方位测量，在两个方位测量中收发探头的同一轴向分割面要互为90°，取测量值的较小值为被测表面该位置的淬火层厚度值。

所述步骤2中，在两个方位测量得到测量值极差大于0.3mm(GB/T5617-2005)时，以该测定点为圆心，在被测表面的切面方向上做直径为30mm的圆，该圆在被测表面上存在投影，在被测表面上投影内利用收发探头取多个测定点进行多次测量，取测量值的最小值为被测表面淬火层厚度值。

本发明的有益效果为：

本发明的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置可以在不破坏滚珠丝杠工作状态的前提下，对丝杠淬火层厚度进行检验，测厚；操作简单，周期短、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等优点，并能把检测结果用数显式方式精确的表示出来，测量结果更加准确。

附图说明

图1为本发明超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置的应用示意图；

图2为本发明超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置的结构示意图；

图中，1、轴承，2、丝杠，3、丝杠螺母，4、收发探头稳定定位装置，5、联轴器，6、电机，7、控制器，8、手动摇杆，9、传动轴，10、固定装置，11、齿轮Ⅰ，12、齿轮Ⅱ，13、螺母，14、垫片，15、螺栓，16、淬火层，17、支撑架，18、转台，19、调节开关，20、喷嘴连接管，21、耦合剂喷嘴，22、收发探头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，为超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置在测量丝杠淬火层厚度时的应用示意图，丝杠2由左右两个轴承1连接，右侧轴承1通过联轴器5与电机6连接，丝杠2上配合有丝杠螺母3，丝杠的外圆弧面上放置收发探头稳定定位装置4，收发探头稳定定位装置4与控制器7连接。

如图2所示，超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，是由收发探头22(超声波发射头，超声波接收头)、控制器7(液晶显示屏，控制系统)、收发探头稳定定位装置4和耦合剂涂抹装置组成，其中收发探头稳定定位装置4，是由固定装置10、螺母13、垫片14、螺栓15、支撑架17组成，耦合剂涂抹装置，是由手动摇杆8、传动轴9、齿轮Ⅰ11、齿轮Ⅱ12、转台18、调节开关19、喷嘴连接管20、耦合剂喷嘴21组成。

超声波发射探头频率为5～10MHz，测量精度达到±0.01mm，声波频率越高，测量精度越高，在控制好成本的情况下应尽量选择高频率测量。确定超声波的发射速度，高温下，超声波速度会降低，应保证丝杠2温度在93度以下，选取两块淬火层16试块，利用不同的超声波速度测量试块厚度，测量正确后确定声速v。丝杠2淬火层16厚度小于18mm,测厚装置工作方式选取延时方式，第一次底面反波为n1，第二次底面反波为n2，第二次接收声波时间与第一次接受声波时间之差为声波在淬火层飞行时间t。

目前，国内应用最广泛的丝杠2滚道截面形有单圆弧和双圆弧，丝杠2圆弧曲面测量面为凹面，凹面接触时存在空腔间隙μ，而耦合剂将收发探头22和丝杠2曲面耦合联系，现场使用的耦合剂必须与校准的耦合剂相同，测量之前必须消除耦合剂带来的测量误差。使用耦合剂涂抹装置在淬火层均匀涂抹耦合挤，匀速摇动手动摇杆8通过传动轴9带动齿轮Ⅰ11转动，齿轮Ⅰ11固定在传动轴9，齿轮Ⅰ11与齿轮Ⅱ12啮合，齿轮Ⅱ12跟随齿轮Ⅰ11做公转，转台18与齿轮Ⅱ12固定一起，做同样转动，喷嘴连接管20与耦合剂喷嘴21跟随齿轮Ⅱ12转动，调节开关19根据齿轮Ⅱ12转速和收发探头22与淬火层16的间隙调节耦合剂流速，耦合剂喷嘴匀速转动，耦合剂均匀涂抹在收发探头22与淬火层16之间。

控制器7(控制系统)控制超声波的发射与接收，输入选定的声速v，将收发探头22放置于涂有耦合剂的丝杠2表面上，在保证收发探头22与丝杠2耦合良好的情况下，发送声波进入淬火层16，超声波从淬火层16临界处开始计时，到达淬火层16边界所发送的声波反射，收发探头22接收头接收到声波，控制器7(显示屏)显示此周期时间t1，同时声波由表面返回，第二次从底面回波后接收头接受第二次回波时间t2，声波在12淬火层飞行时间确定为t＝t2-t1，以指定的周期重复发送和接受多次,超声波在淬火层飞行时间t将稳定于一确定值，当周期时间t稳定于该确定值时，则丝杠2表面淬火层16厚度δ为：

$\mathrm{\δ}=\frac{vt}{2}.$

丝杠圆弧面曲率半径很小，收发探头22直径大小与丝杠2曲率半径有关，为保证收发探头22稳定性，收发探头22应尽量选取直径小的探头，直径应控制在小于6mm，为解决圆弧曲面丝杠2表面收发探头22稳定性差的问题，根据圆弧曲面特点，制作收发探头稳定定位装置4，两支撑架17角度为60°，收发探头22在两支撑架17的中线位置，根据丝杠2不同半径的圆弧面调节支撑架17的长短，支撑架17的长短通过螺栓15和螺母13调节，保证收发探头22中间线测量沿丝杠2曲面法线方向进行，测量结果重复性在5μm以内。

测量一点处淬火层厚度，要用收发探头进行两个方位测厚，在两个方位测量中收发探头22的分割面要互为90°，取较小值为丝杠2表面淬火层厚度值(对同一处淬火层厚度进行两次测量，第二次测量相对第一次测量，收发探头转动90°)。当测量值不稳定时，以一个测定点为中心，在直径约为30mm的圆内进行多次测量，取最小值为丝杠2表面淬火层厚度值(如对图1中收发探头稳定定位装置4所在位置的丝杠表面进行测量淬火层厚度时，两个方位测量得到测量值极差大于0.3mm(GB/T5617-2005)时，以该测定点为圆心，在图1中丝杠的横切面上做直径约为30mm的圆，该圆在丝杠的被测表面上存在投影，在丝杠被测表面上投影内利用收发探头取多个测定点进行多次测量，取测量值的最小值为丝杠被测表面淬火层厚度值)。

滚珠丝杠2表面淬火层16厚度检测是利用超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当收发探头22发射的超声波脉冲通过丝杆2淬火层16分界面时，脉冲被反射回收发探头22，通过精确测量超声波在丝杠2淬火层16中传播的时间来确定丝杠2表面淬火层16厚度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，其特征是，包括收发探头，收发探头与控制器连接；所述收发探头由收发探头稳定定位装置进行准确定位，收发探头稳定定位装置与耦合剂涂抹装置相配合，耦合剂涂抹装置将耦合剂涂抹在收发探头和被测表面之间；

所述收发探头稳定定位装置包括固定装置，所述固定装置上固定偶数个支撑架，支撑架分布于收发探头两侧；所述耦合剂涂抹装置固定于固定装置上，耦合剂涂抹装置包括旋转机构，旋转机构下部与耦合剂喷嘴连接。

2.如权利要求1所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，其特征是，所述固定装置为回字型支架，所述支撑架通过连接元件固定于回字型支架的下部支架上，所述支撑架以回字型支架的中心线对称分布；所述收发探头固定在回字型支架的下部支架的中心处；所述支撑架的中心线与回字型支架的竖直中心线的夹角为30度；所述回字型支架的下部支架为弧形结构，所述连接元件位于弧形结构的法线方向上；所述支撑架的底部为半圆球形；所述控制器连接有显示器。

3.如权利要求2所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，其特征是，所述旋转机构包括倒L型传动轴，所述倒L型传动轴固定在回字型支架的上部支架的中心处；所述倒L型传动轴下部连接主动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮相啮合连接；所述倒L型传动轴的横向结构位于回字型支架的上部支架外，且横向结构与手动摇杆连接；所述倒L型传动轴的竖向结构位于回字型支架内。

4.如权利要求3所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，其特征是，所述从动齿轮的中心固定与从动齿轮轴线相平行的喷嘴连接管，所述喷嘴连接管底部与耦合剂喷嘴连接；所述耦合剂喷嘴为弧形结构，且耦合剂喷嘴的底端部弯向主动齿轮的轴线位置。

5.如权利要求4所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置，其特征是，所述回字型支架的下部支架中部设有转台，所述收发探头固定在转台上；所述转台与从动齿轮通过连接件固定连接，所述喷嘴连接管穿过转台，所述喷嘴连接管上设有调节开关。

6.利用权利要求1-5任一项所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置测量丝杠表面淬火层厚度方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：将超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置放置于被测表面，收发探头稳定定位装置将其稳定在被测表面上，利用耦合剂涂抹装置在淬火层均匀涂抹耦合剂；

步骤2：控制器控制收发探头的超声波的发射与接收，根据超声波的反射时间和选定的声速确定被测表面的淬火层厚度。

7.如权利要求6所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置测量丝杠表面淬火层厚度方法，其特征是，所述步骤1的具体步骤为：

将超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置放置于被测表面，收发探头稳定定位装置将其稳定在被测表面上，匀速摇动手动摇杆通过倒L型传动轴带动主动齿轮转动，从动齿轮跟随主动齿轮做公转，转台与从动齿轮做同样转动，喷嘴连接管与耦合剂喷嘴跟随从动齿轮转动，利用调节开关调节耦合剂流速，由耦合剂喷嘴匀速转动，使耦合剂均匀涂抹在收发探头与被测表面淬火层之间。

8.如权利要求6所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置测量丝杠表面淬火层厚度方法，其特征是，所述步骤2的具体步骤为：

为控制器输入选定的声速v，将收发探头放置于涂有耦合剂的被测表面上，保证收发探头与被测表面耦合良好；

发送超声波进入被测表面淬火层，超声波从被测表面淬火层临界表面开始计时，到达被测表面淬火层边界底面会将超声波反射，收发探头接收到反射回的超声波，得到此周期时间t1；同时超声波由被测表面淬火层临界表面返回，第二次在被测表面淬火层边界底面反射后收发探头接收第二次周期时间t2，超声波在淬火层飞行时间确定为t＝t2-t1；以指定的周期重复发送和接收多次，则被测表面淬火层厚度δ为：

$\mathrm{\δ}=\frac{vt}{2}.$

9.如权利要求8所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置测量丝杠表面淬火层厚度方法，其特征是，所述步骤2中，在对被测表面的同一测定点进行测量淬火层厚度时，利用收发探头进行两个方位测量，在两个方位测量中收发探头的同一轴向分割面要互为90°，取测量值的较小值为被测表面该位置的淬火层厚度值。

10.如权利要求9所述的超声波测量丝杠表面淬火层厚度装置测量丝杠表面淬火层厚度方法，其特征是，所述步骤2中，在两个方位测量得到测量值极差大于0.3mm时，以该测定点为圆心，在被测表面的切面方向上做直径为30mm的圆，该圆在被测表面上存在投影，在被测表面上投影内利用收发探头取多个测定点进行多次测量，取测量值的最小值为被测表面淬火层厚度值。