CN106643591A - 探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法 - Google Patents

Abstract

本发明探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法属于超声检测技术领域，涉及一种探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法。测厚方法中采用球轴机构作为自适应调整机构，利用耦合剂喷射机构为超声测厚提供稳定的耦合液面；为减小测厚冲击，提高接触稳定性，采用弹簧作为弹性缓冲器；采用限位开关检测装置接触状态，保证测厚过程安全；采用基于声时差的厚度计算方法，根据工件上下表面超声回波的时间差与超声传播速度，计算出被测工件当前测点的厚度。该方法能够根据被测工件的局部面形自动调整探头的角度与位置，达到理想的法向吻合状态，具有自适应能力强、角度调整范围宽、测量精度高，能够实时在机自动测厚，测量效率高、稳定性好。

Description

探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，涉及一种探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法。

背景技术

薄壁零件是航空航天领域重大装备上的典型件，如火箭燃料贮箱壁板、飞机蒙皮等，其加工后的零件剩余壁厚须满足等壁厚或按一定规律变壁厚的加工要求，且剩余壁厚往往是该类零件加工的核心要求。为保证最终加工完的零件满足剩余壁厚要求，需测量获得相应的壁厚数据，以及完成零件的加工质量评估。由于零件刚性相对较低，且加工中的变形不可忽略，这就要求在零件加工过程中亦需要检测零件壁厚，反馈给加工工艺系统，进行刀位点处厚度误差的精确补偿。然而，这类零件尺寸较大、面形较为复杂，给厚度测量效率和精度提出了更高的要求。为此，壁厚高效高精检测已成为制约薄壁零件加工亟待突破的关键难题之一。目前，薄壁零件超声测厚，多采用人工手持测量方法，该方法测量结果的一致性和稳定性较差、人工劳动强度大，测量效率低。将测厚传感器集成至数控机床上，实现厚度的在机测量，充分发挥大范围高速运动、高精度定位、多自由度位姿自动调整等优势，为探寻一种薄壁零件高效高精超声测厚方法及装置提供了可行的方案。然而，如何保证超声探头与被测点处法矢的自适应吻合，是实现曲面零件在机测厚的瓶颈技术难题。

2013年史密斯等人在发明专利“超声波测量”,CN103380386A中公开了一种超声波测量方法，而该方法无法实现在机测量。2013年黄云等人在发明专利“管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构及测量方法”,CN103148814A中公开了一种管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构及测量方法，通过气缸控制测量装置运动，对核燃料管坯件进行壁厚自动测量。该方法仅实现了圆柱件的自动测量，而对任意复杂面形的自适应能力较差。

国内外研究多集中于测厚精度保证、超声信号提取与计算、特定面形自动测厚等，尚未提及探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有方法的不足，针对超声探头难以与曲面被测点处的法向保持一致、超声检测回波不稳定、接收信号衰减大的难题，发明一种探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法。该方法采用球轴结构作为运动机构，在机测量过程中，该结构能够在探头接触被测表面后，根据被测工件的局部面形自动调整探头的角度与位置，达到理想的法向吻合状态，具有自适应能力强、角度调整范围宽、测量精度高、贴合紧密、响应迅速等优势。

本发明采用的技术方案是一种探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法，其特征是，方法中采用球轴机构作为自适应调整机构；利用耦合剂喷射机构为超声测厚提供稳定的耦合液面；为减小测厚冲击，提高接触稳定性，采用弹簧作为弹性缓冲器；采用限位开关检测装置接触状态，保证测厚过程安全；使用基于声时差的厚度计算方法，根据工件上下表面超声回波的时间差与超声传播速度，计算出被测工件当前测点的厚度；测厚方法的具体步骤如下：

第一步安装球轴机构作为自适应调整机构；

球轴套9通过轴套螺钉16与底盘10连接，球轴柱8与球轴套9通过各自的球面轮廓铰接配合，构成一个能够实现多自由度旋转的球轴机构，球轴柱8的另一端通过螺钉5与导向块6连接，将超声探头11安装在底盘10中，超声探头11表面与底盘10底面调节平行后，用定位螺钉17将超声探头11紧定；

第二步安装弹性缓冲器和耦合剂喷射机构

弹簧4作为弹性缓冲器被安装在导向块6上面，两者均装在筒体3内腔中，通过4个封盖螺钉2将上封盖1、下封盖7和筒体3固定在一起；耦合剂喷射结构采用倾斜入射方式，耦合剂通过软管12经沿底盘10均匀分布的喷射管道a喷射到测量间隙，为超声测厚提供稳定的耦合液面；通过保持架螺钉14把保持架13固定在筒体3上，将软管12上端连接在保持架13的弹性卡槽中，并与耦合剂喷射机构连接；将涂有密封胶的软管12另一端插到喷射管道a的入口，软管12下端与底盘10上的喷射管道a过盈连接，靠密封胶将配合区域密封，软管12的材质采用低刚度高弹性的橡胶；底盘上沿中心轴线均匀分布有三条喷射管道，喷射管道入口位于底盘10侧壁，出口位于底盘10底部，并紧邻超声探头11；将限位开关15用高强度胶粘贴在上封盖1的末端中心；

第三步将测量装置安装到机床上

上述零件组装完成后，构成测量装置；将上封盖1上端的刀柄部分安装在机床主轴18上，将安装在上封盖1上的限位开关电缆线b连接到数控系统PLC接口，将安装在底盘10上的超声探头电缆线c连接到数据采集超声专用板卡上，被测工件19装到机床工作台20上，由连接在工作台20上的4组夹持组件21压紧固定；

第四步在机喷水测量，并计算出被测工件当前测点的厚度

对装夹完毕后的被测件曲面进行超声在机喷水测量,超声探头11按照数控机床程序指定的路径运动到被测点上方，以一定的进给速度沿Z轴方向接近被测工件19；此时,耦合剂喷射机构开始工作，耦合剂沿底盘10喷出；与超声探头11连接的外部数据采集系统自动开始采集超声数据，超声探头11继续沿Z轴方向进给，待超声探头11表面与工件19表面充分接触，两者表面法线方向高度重合后，接触达到稳定状态；筒体3内的导向块6向上滑动并压缩弹簧4，待与导向块6连接的螺钉5触发限位开关15，数控系统接收到限位状态信号，主轴停止向下运动，数据采集通道关闭，耦合液停止喷射，测量装置按照数控指令沿机床Z轴方向离开被测工件，然后运动到下一个测量点的上方，重复以上超声在机喷水测量步骤，直至数控程序中指定测量点的测量工作全部完成；

测量时，数据采集采用集超声波发射、接收及控制于一体超声专用板卡，上位机PC作为控制核心，有接口与数控机床连接，每个测点数据采集完成后，上位机PC自动将采集到的数据采用基于声时差的厚度计算方法，根据工件上下表面超声回波的时间差与超声传播速度，计算出被测工件当前测点的厚度h；

式中，f_s为采样频率，v为超声波在工件中的传播速度，n为回波信号中两相邻波峰之间采样点个数。

本发明的有益效果是：该方法在机测量过程中，能够根据被测工件的局部面形自动调整探头的角度与位置，达到理想的法向吻合状态，具有自适应能力强、角度调整范围宽、测量精度高、贴合紧密、响应迅速等特点。能够实时在机自动测厚，测量的效率高、稳定性好。

附图说明

附图1为测量装置的整体外观图，附图2为测量装置左剖视图，附图3为球轴套9与底盘10的局部结构剖视图，附图4为超声在机喷水测量安装示意图。其中：1-上封盖，2-封盖螺钉，3-筒体，4-弹簧，5-螺钉，6-导向块，7-下封盖，8-球轴柱，9-球轴套，10-底盘，11-超声探头，12-软管，13-保持架，14-保持架螺钉，15-限位开关，16-轴套螺钉，17-定位螺钉，18-机床主轴，19-工件，20-机床工作台，21-夹持组件，a-喷射管道，b-限位开关电缆线，c-超声探头电缆线。

附图5为在机喷水测量路线示意图，其中，19-工件，20-机床工作台，21-夹持组件，d-测量进给路线，e-测点测量完成返回路线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：

附图1为测量装置的整体外观图，附图2为测量装置左剖视图。

实施例采用的测量装置主体由上封盖1、封盖螺钉2、筒体3、弹簧4、螺钉5、导向块6、下封盖7和球轴机构组成。测厚方法的具体步骤如下：

首先，安装球轴机构作为自适应调整机构；

将球轴套9通过轴套螺钉16与底盘10连接，球轴柱8与球轴套9通过各自的球面轮廓铰接配合，构成一个能够实现多自由度旋转的球轴机构，球轴柱8的另一端通过螺钉5与导向块6连接将超声探头11安装在底盘10中，超声探头11表面与底盘10底面调节平行后，用定位螺钉17将超声探头11紧定，如图3所示。

然后，安装弹性缓冲器和耦合剂喷射机构

弹簧4作为弹性缓冲器被安装在导向块6上面，两者均装在筒体3内腔中，通过4个封盖螺钉2将上封盖1、下封盖7和筒体3固定在一起；耦合剂喷射机构采用倾斜入射方式，耦合剂通过软管12经沿底盘10均匀分布的喷射管道a喷射到测量间隙，为超声测厚提供稳定的耦合液面；通过保持架螺钉14把保持架13固定在筒体3上，将软管12上端连接在保持架13的弹性卡槽中，并与耦合剂喷射机构连接；将涂有密封胶的软管12另一端插到喷射管道a的入口，软管12下端与底盘10上的喷射管道a过盈连接，靠密封胶将配合区域密封，软管12的材质采用低刚度高弹性的橡胶；底盘上沿中心轴线均匀分布有三条喷射管道，喷射管道入口位于底盘10侧壁，出口位于底盘10底部，并紧邻超声探头11；将限位开关15用高强度胶粘贴在上封盖1的末端中心；

上述零件组装完成后，构成测量装置，将测量装置安装到机床上。

先将与上封盖1上端的刀柄安装于机床主轴18上，将安装在上封盖1上的限位开关电缆线b连接到数控系统PLC接口，将安装在底盘10上的超声探头电缆线c连接到数据采集超声专用板卡上。被测工件19置于机床工作台20上，由连接在工作台20上的夹持组件21压紧固定，如附图4所示。

最后，对装夹完毕后的被测件曲面进行超声在机喷水测量。数控机床按照程序指定的路径运动到被测点上方，加工路径如附图5所示，超声探头11以40mm/min的进给速度沿Z轴方向接近被测工件19，耦合剂喷射机构开始工作，耦合剂沿底盘10喷出，与超声探头11连接的外部数据采集系统自动开始采集超声数据，超声探头11继续沿Z轴方向进给，至超声探头表面与工件19表面充分接触，两者表面法线方向高度重合后，接触达到稳定状态。此时，筒体3内的导向块6向上滑动并压缩弹簧4，待与导向块6连接的螺钉5触发限位开关15，数控系统接收到限位状态信号，主轴停止向下运动，数据采集通道关闭，耦合液停止喷射，测量装置按照数控指令沿机床Z轴方向离开被测工件，然后运动到下一个测量位置上方，重复以上超声在机喷水测量步骤，直至数控程序中指定测点的测量工作全部完成。

本发明数据采集采用集超声波发射与接收及控制于一体超声专用板卡，上位机PC作为控制核心，由RS232接口与数控机床连接，每个测点数据采集完成后，上位机PC自动将采集到的数据，使用基于声时差的厚度计算方法，根据工件上下表面超声回波的时间差与超声传播速度，计算出被测工件当前测点的厚度，根据计算公式(1)计算当前测点厚度h，在工件上选择了6个测点测量。

采用本发明的自动测量装置对弧形铝合金件进行接触式超声在机测量，超声测量结果表示在表1中。

表1

表1中还给出了用三坐标机测量的结果，两种方法的测量结果对比显示测量精度在0.06mm以内，该测量方法可实现在机自动测厚。

本发明自动测量方法简单，运动灵活、自适应贴合响应速度快、耦合效果改善明显，接触可靠性高，可以较好地应用于薄壁件的自动在机厚度测量。

Claims (1)

1.一种探头自适应调整的薄壁件在机超声测厚方法，其特征是，方法中采用球轴机构作为自适应调整机构；利用耦合剂喷射机构为超声测厚提供稳定的耦合液面；为减小测厚冲击，提高接触稳定性，采用弹簧作为弹性缓冲器；采用限位开关检测装置接触状态，保证测厚过程安全；采用基于声时差的厚度计算方法，根据工件上下表面超声回波的时间差与超声传播速度，计算出被测工件当前测点的厚度；测厚方法的具体步骤如下：

第一步安装球轴机构

球轴套(9)通过轴套螺钉(16)与底盘(10)固定连接，球轴柱(8)与球轴套(9)通过各自的球面轮廓铰接配合，构成一个能够实现多自由度旋转的球轴机构，球轴柱(8)的另一端通过螺钉(5)与导向块(6)连接；超声探头(11)安装在底盘(10)中，将超声探头(11)表面与底盘(10)底面调节平行后，用定位螺钉(17)将超声探头(11)紧定；

第二步安装弹性缓冲器和耦合剂喷射机构

用弹簧(4)作为弹性缓冲器，弹簧(4)安装在导向块(6)上面，两者均装在筒体(3)内腔中，通过4个封盖螺钉(2)将上封盖(1)、下封盖(7)和筒体(3)固定在一起；耦合剂喷射结构采用倾斜入射方式，耦合剂通过软管(12)经沿底盘(10)均匀分布的喷射管道(a)喷射到测量间隙，为超声测厚提供稳定的耦合液面；通过保持架螺钉(14)把保持架(13)固定在筒体(3)上，将软管(12)上端连接在保持架(13)的弹性卡槽中，并与耦合剂喷射机构连接；将涂有密封胶的软管(12)另一端插到喷射管道(a)的入口，软管(12)下端与底盘(10)上的喷射管道(a)过盈连接，靠密封胶将配合区域密封；底盘上沿中心轴线均匀分布有三条喷射管道，喷射管道入口位于底盘(10)侧壁，出口位于底盘(10)底部，并紧邻超声探头(11)；将限位开关(15)用高强度胶粘贴在上封盖(1)的末端中心；

第三步将测量装置安装到机床上

上述零件组装完成后，构成测量装置；将测量装置中的上封盖(1)上端刀柄部分安装在机床主轴(18)上，将安装在上封盖(1)上的限位开关电缆线(b)连接到数控系统PLC接口，将安装在底盘(10)上的超声探头电缆线(c)连接到数据采集超声专用板卡上，将被测工件(19)装到机床工作台(20)上，由连接在工作台(20)上的4组夹持组件(21)压紧固定；

第四步在机喷水测量，并计算出被测工件当前测点的厚度

对装夹完毕后的被测件曲面进行超声在机喷水测量,超声探头(11)按照数控机床程序指定的路径运动到被测点上方，以一定的进给速度沿Z轴方向接近被测工件(19)；此时,耦合剂喷射机构开始工作，耦合剂沿底盘(10)喷出；与超声探头(11)连接的外部数据采集系统自动开始采集超声数据，超声探头(11)继续沿Z轴方向进给，待超声探头(11)表面与工件(19)表面充分接触，两者表面法线方向高度重合后，接触达到稳定状态；筒体(3)内的导向块(6)向上滑动并压缩弹簧(4)，待与导向块(6)连接的螺钉(5)触发限位开关(15)，数控系统接收到限位状态信号，主轴停止向下运动，数据采集通道关闭，耦合液停止喷射，测量装置按照数控指令沿机床Z轴方向离开被测工件，然后运动到下一个测量点的上方，重复以上超声在机喷水测量步骤，直至数控程序中指定测量点的测量工作全部完成；

测量时，数据采集采用集超声波发射、接收及控制于一体超声专用板卡，上位机PC作为控制核心，有接口与数控机床连接，每个测点数据采集完成后，上位机PC自动将采集到的数据使用基于声时差的厚度计算方法，根据工件上下表面超声回波的时间差与超声传播速度，计算出被测工件当前测点的厚度h；

$h=\frac{1}{2}\·\frac{n\×v}{f_s}---\left(1\right)$

式中，f_s为采样频率，v为超声波在工件中的传播速度，n为回波信号中两相邻波峰之间采样点个数。