CN109060207B - 过盈配合连接力超声检测装置与方法 - Google Patents

过盈配合连接力超声检测装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无损检测领域，提供一种过盈配合连接力超声检测装置与方法。该装置中的夹具将过盈配合件固定；运动控制模块可以实现对过盈配合件的精确定位，以及周向和轴向运动的精确控制；设置周向和轴向扫描步长，并由运动控制控制模块带动过盈配合件进行周向和轴向点扫描，直至完成整个配合面的检测时停止；在检测过程中点聚焦水浸探头测得的超声波信号通过控制回路传给PC机；然后通过超声波信号与接触应力的关系得到配合面的应力分布，最后根据静摩擦系数计算得到连接力的大小。本发明可以实现本发明可以实现过盈配合连接力的检测，测量精度高、时间短，自动化程度高，可适用于较大批量检测中。

Description

过盈配合连接力超声检测装置与方法
技术领域
本发明属于无损检测领域，针对过盈配合零件无法在非破坏性试验条件下对连接力进行检测的问题，提出了一套过盈配合连接力超声检测装置与方法。
背景技术
过盈配合具有高负载能力和良好同轴性，因此被广泛应用于航空、航天、船舶和精密仪器等领域。过盈配合件的连接力是影响零件配合性能的重要因素之一。当前过盈配合件的连接力主要通过连接力与最大压装力之间的经验关系进行预测，由于受形状误差的影响其预测结果的可靠性较低。此外，对于温差法装配的过盈配合零件则无法采用此方法进行连接力预测。尤其对于连接力要求很高的领域，如航空、航天、精密仪器等，需要对每个零件进行检测，从而大大降低了生产效率。因此，目前的检测方法严重制约连接力预测结果的可靠性和生产效率，难以满足目前生产的需求。
发明内容
本发明要解决的问题是克服现有技术的缺陷，发明了一种过盈配合连接力超声检测装置与方法，可以实现过盈配合件连接力的测量，以及高过盈连接质量的检测精度。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种过盈配合连接力超声检测装置，所述的过盈配合连接力超声检测装置包括光学平台1、运动控制模块、夹具8、探头调整模块、耦合剂槽调整模块和控制回路。
所述的运动控制模块包括X轴精密位移平台2、Y轴精密位移平台3、平台安装板4、转台安装板5、Z轴精密位移平台6、精密转台7。所述的X轴精密位移平台2安装固定在光学平台1上，Y轴精密位移平台3固定安装在X轴精密位移平台2的上方，Z轴精密位移平台6通过平台安装板4与Y轴精密位移平台3的上端部固连。X轴精密位移平台2、Y轴精密位移平台3和Z轴精密位移平台6在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。精密转台7通过转台安装板5固定安装在Z轴精密位移平台6上。
所述的夹具8包括夹具底板8-1、活动V型块8-2和固定V型块8-3。所述的夹具底板8-1通过螺栓固定安装在精密转台7上，固定V型块8-3通过螺栓与夹具底板8-1固连，活动V型块8-2通过螺栓与固定V型块8-3连接。通过螺栓调整活动V型块8-2夹紧或松开过盈配合件9，此外在夹紧状态下应保证过盈配合件9的轴线与精密转台7的回转轴线同轴。
所述的探头调整模块包括探头夹持杆10、Z型支架12和XY角位移平台15。所述的XY角位移平台15通过螺栓固定安装在光学平台1上，Z型支架12与XY角位移平台15固连，探头夹持杆10通过螺栓固定安装在Z型支架12上。点聚焦水浸探头11安装在探头夹持杆10上。
所述的耦合剂槽调整模块包括耦合剂槽13和升降平台14。耦合剂槽13安装在升降平台14的上端部，升降平台14固定安装在光学平台1上。
所述的控制回路包括PC机，示波器，超声波脉冲收发仪，点聚焦水浸探头，运动控制卡，步进电机驱动器，X、Y、Z轴精密位移平台。所述的运动控制卡位于PC机中，示波器与PC机相连；所述的超声波脉冲收发仪与示波器相连；所述的点聚焦水浸探头11与超声波脉冲收发仪相连；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡和XYZ轴精密位移平台2、3、6相连。点聚焦水浸探头11测得的超声波信号通过控制回路发送至PC机；然后通过超声波信号与接触应力之间的关系自动计算出配合面的应力分布；最后根据静摩擦系数求出连接力的大小。
其测量原理：夹具8固定过盈配合件9，运动控制模块带动过盈配合件9运动到检测位置；耦合剂槽调整模块调整耦合剂槽13高度使过盈配合件9和点聚焦水浸探头11完全浸入耦合剂中；调整探头调整模块使点聚焦水浸探头11的轴线与过盈配合件9的轴线垂直；设置周向和轴向扫描步长，然后精密转台7带动过盈配合件9转动进行周向扫描，接着轴向移动一个步长再进行周向扫描，如此重复上述两步直至完成整个配合面的扫描，测量过程中数据由控制回路传到PC机，并根据超声波信号与应力之间的关系自动求得配合面的应力；最后根据应力分布和静摩擦系数计算得到连接力的大小。
上述过盈配合连接力超声检测装置进行连接力测量的方法，包括以下步骤：
第一步，安装夹紧
通过螺栓调整夹具8上的活动V型块8-2将过盈配合件9的轴类零件9-2夹紧固定；
第二步，位置调整
由X轴精密位移平台2、Y轴精密位移平台3和Z轴精密位移平台6带动过盈配合件9运动到检测位置；然后调整XY角位移平台15使点聚焦水浸探头11的轴线过盈配合件9的轴线垂直；接着调整升降平台14使点聚焦水浸探头11和过盈配合件9完全浸入耦合剂槽13中的耦合剂中。
第三步，应力分布测量
设置周向和轴向的扫描步长；然后精密转台7带动过盈配合件9转动进行周向点扫描，扫描过程中记录每个扫描点处点聚焦水浸探头11测得的超声波信号，直至精密转台7转动180度停止；接下来Z轴精密位移平台6带动过盈配合件9沿轴向移动一个步长，再由精密转台7带动过盈配合件9转动进行周向点扫描；重复上述扫描步骤直至完成整个配合面的扫描时停止。
第四步，连接力计算
PC机根据超声波信号与应力之间的关系自动计算出配合面的应力分布；然后在根据实验测得的静摩擦系数和库伦摩擦定律自动计算出连接力的大小。
本发明的有益效果是：(1)除了上料外，其余工作均可以实现自动化操作，避免人为因素的不利影响，提高工作效率；(2)装置中的运动控制模块、夹具、探头调整模块均具有很高的重复定位精度以保证零件的检测精度；(3)采用超声波点聚焦探头不仅可以实现过盈配合件连接力的无损测量，而且可以实现配合面应力分布的可视化并用于配合面的缺陷分析。
附图说明
图1为被检测件的内部结构示意图；
图2为被检测件的外形图；
图3为装置的整体结构示意图；
图4为夹具结构示意图；
图中：1光学平台；2X轴精密位移平台；3Y轴精密位移平台；4平台安装板；5转台安装板；6Z轴精密位移平台；7精密转台、8夹具；、8-1夹具底板；8-2活动V型块；8-3固定V型块；9过盈配合件；10探头夹持杆；11点聚焦水浸探头；12Z型支架；13耦合剂槽；14升降平台；15XY角位移平台。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种过盈配合连接力超声检测装置，所述的过盈配合连接力超声检测装置包括光学平台1、运动控制模块、夹具8、探头调整模块、耦合剂槽调整模块和控制回路。
所述的运动控制模块包括X轴精密位移平台2、Y轴精密位移平台3、平台安装板4、转台安装板5、Z轴精密位移平台6、精密转台7。X轴精密位移平台2安装固定在光学平台1上，Y轴精密位移平台3固定安装在X轴精密位移平台2的上方，Z轴精密位移平台6通过平台安装板4与Y轴精密位移平台3的上端部固连。X轴精密位移平台2、Y轴精密位移平台3和Z轴精密位移平台6在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。精密转台7通过转台安装板5固定安装在Z轴精密位移平台6上。
所述的夹具8包括夹具底板8-1、活动V型块8-2和固定V型块8-3。夹具底板8-1通过螺栓固定安装在精密转台7上，固定V型块8-3通过螺栓与夹具底板8-1固连，活动V型块8-2通过螺栓与固定V型块8-3连接。通过螺栓调整活动V型块8-2夹紧或松开过盈配合件9，此外在夹紧状态下应保证过盈配合件9的轴线与精密转台7的回转轴线同轴。
所述的探头调整模块包括探头夹持杆10、Z型支架12和XY角位移平台15。XY角位移平台15通过螺栓固定安装在光学平台1上，Z型支架12与XY角位移平台15固连，探头夹持杆10通过螺栓固定安装在Z型支架12上。点聚焦水浸探头11安装在探头夹持杆10上。
所述的耦合剂槽调整模块包括耦合剂槽13和升降平台14。耦合剂槽13安装在升降平台14的上端部，升降平台14固定安装在光学平台1上。
所述的控制回路包括PC机，示波器，超声波脉冲收发仪，点聚焦水浸探头11，运动控制卡，步进电机驱动器，X、Y、Z轴精密位移平台2、3、6。所述的运动控制卡位于PC机中，示波器与PC机相连；所述的超声波脉冲收发仪与示波器相连；所述的点聚焦水浸探头11与超声波脉冲收发仪相连；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡和精密位移平台相连。
上述过盈配合连接力超声检测装置进行连接力测量的方法，包括以下步骤：
第一步，安装夹紧
通过螺栓调整夹具8上的活动V型块8-2将过盈配合件9的轴类零件9-2夹紧固定；
第二步，位置调整
由X轴精密位移平台2、Y轴精密位移平台3和Z轴精密位移平台6带动过盈配合件9运动到检测位置；然后调整XY角位移平台15使点聚焦水浸探头11的轴线过盈配合件9的轴线垂直；接着调整升降平台14使点聚焦水浸探头11和过盈配合件9完全浸入耦合剂槽13中的耦合剂中。
第三步，应力分布测量
设置周向和轴向的扫描步长；然后精密转台7带动过盈配合件9转动进行周向点扫描，扫描过程中记录每个扫描点处点聚焦水浸探头11测得的超声波信号，直至精密转台7转动180度停止；接下来Z轴精密位移平台6带动过盈配合件9沿轴向移动一个步长，再由精密转台7带动过盈配合件9转动进行周向点扫描；重复上述扫描步骤直至完成整个配合面的扫描时停止。
第四步，连接力计算
PC机根据超声波信号与应力之间的关系自动计算出配合面的应力分布；然后在根据实验测得的静摩擦系数和库伦摩擦定律自动计算出连接力的大小。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种过盈配合连接力超声检测装置，其特征在于，所述的过盈配合连接力超声检测装置包括光学平台(1)、运动控制模块、夹具(8)、探头调整模块、耦合剂槽调整模块和控制回路；
所述的运动控制模块包括X轴精密位移平台(2)、Y轴精密位移平台(3)、平台安装板(4)、转台安装板(5)、Z轴精密位移平台(6)、精密转台(7)；所述的X轴精密位移平台(2)安装固定在光学平台(1)上，Y轴精密位移平台(3)固定安装在X轴精密位移平台(2)的上方，Z轴精密位移平台(6)通过平台安装板(4)与Y轴精密位移平台(3)的上端部固连；X轴精密位移平台(2)、Y轴精密位移平台(3)和Z轴精密位移平台(6)在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系；精密转台(7)通过转台安装板(5)固定安装在Z轴精密位移平台(6)上；
所述的夹具(8)包括夹具底板(8-1)、活动V型块(8-2)和固定V型块(8-3)；夹具底板(8-1)通过螺栓固定安装在精密转台(7)上，固定V型块(8-3)通过螺栓与夹具底板(8-1)固连，活动V型块(8-2)通过螺栓与固定V型块(8-3)连接；通过螺栓调整活动V型块(8-2)夹紧或松开过盈配合件(9)，此外在夹紧状态下应保证过盈配合件(9)的轴线与精密转台(7)的回转轴线同轴；
所述的探头调整模块包括探头夹持杆(10)、Z型支架(12)和XY角位移平台(15)；XY角位移平台(15)通过螺栓固定安装在光学平台(1)上，Z型支架(12)与XY角位移平台(15)固连，探头夹持杆(10)通过螺栓固定安装在Z型支架(12)上；点聚焦水浸探头(11)安装在探头夹持杆(10)上；
所述的耦合剂槽调整模块包括耦合剂槽(13)和升降平台(14)；耦合剂槽(13)安装在升降平台(14)的上端部，升降平台(14)固定安装在光学平台(1)上；
所述的控制回路包括PC机，示波器，超声波脉冲收发仪，点聚焦水浸探头(11)，运动控制卡，步进电机驱动器，X、Y、Z轴精密位移平台(2、3、6)；
所述的运动控制卡位于PC机中，示波器与PC机相连，并与超声波脉冲收发仪相连；所述的点聚焦水浸探头(11)与超声波脉冲收发仪相连；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡和精密位移平台相连；点聚焦水浸探头(11)测得的超声波信号通过控制回路发送至PC机，然后通过超声波信号与接触应力之间的关系自动计算出配合面的应力分布，最后根据静摩擦系数求出连接力的大小。
2.采用权利要求1所述的过盈配合连接力超声检测装置进行连接力测量的方法，其特征在于以下步骤：
第一步，安装夹紧
通过螺栓调整夹具(8)上的活动V型块(8-2)将过盈配合件(9)的轴类零件(9-2)夹紧固定；
第二步，位置调整
由X轴精密位移平台(2)、Y轴精密位移平台(3)和Z轴精密位移平台(6)带动过盈配合件(9)运动到检测位置；然后调整XY角位移平台(15)使点聚焦水浸探头(11)的轴线与过盈配合件(9)的轴线垂直；接着调整升降平台(14)使点聚焦水浸探头(11)和过盈配合件(9)完全浸入耦合剂槽(13)中的耦合剂中；
第三步，应力分布测量
设置周向和轴向的扫描步长；然后精密转台(7)带动过盈配合件(9)转动进行周向点扫描，扫描过程中记录每个扫描点处点聚焦水浸探头(11)测得的超声波信号，直至精密转台(7)转动180度停止；接下来Z轴精密位移平台(6)带动过盈配合件(9)沿轴向移动一个步长，再由精密转台(7)带动过盈配合件(9)转动进行周向点扫描；重复上述扫描步骤直至完成整个配合面的扫描时停止；
第四步，连接力计算
PC机根据超声波信号与应力之间的关系自动计算出配合面的应力分布，根据实验测得的静摩擦系数和库伦摩擦定律自动计算出连接力的大小。
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