CN110160474A - 一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其包括：刀柄、外筒、电池组、第一防水圈、电池仓盖、水银支架管、具有硬件电路的电路板、第二防水圈、筒盖、超声探头和锁紧件；刀柄连接在外筒的一端，筒盖将水银支架管和电路板封装载外筒的另一端，第二防水圈将筒盖和外筒之间密封，电池组通过电池仓盖封装在外筒内，第一防水圈将电池仓盖和外筒之间密封，超声探头连接筒盖，水银支架管连接电路板；该装置能够解决结构件加工过程中恶劣环境下的工件壁厚快速自动测量问题，替代人工操作实现壁厚原位直接测量，提高测量效率和降低测量误差，为结构件加工的策略调整和自动化生产线提供技术支持，具有较高的应用价值。

Description

一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置

技术领域

本发明涉及机床在机检测技术领域，具体而言，涉及可在机床加工过程中实现零件厚度原位测量的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置。

背景技术

在航空航天、汽车制造、造船业、模具等大型、高价值薄壁零件生产领域，需要在加工过程中对零件关键部位进行多次厚度测量，对加工质量进行检验和评估，根据检测结果对后续工艺做出调整，减少废品率。

超声是一种常用的无损检测技术，是一种高效的厚度测量技术。现有的超声测厚装置一般需要人工测量，都是由人工手持台式或者手持设备，无法实现自动在机测量；另一方面在现有的在机测量工具以间接测量为主，例如雷尼绍公司的OMP系列无线测头，但是通过测量空间点坐标计算厚度的方式容易受限，且效率不高。人工测量不仅效率低下，而且容易在测量过程中引入新的误差；另外，对于零件的重新装夹又将引入装夹误差，不利于加工过程中对零件质量的控制，存在测量效率低下、容易引入人为误差等问题。

现有的机床在机厚度检测技术主要的问题就是集成度不高，将超声测厚和在机检测技术相结合的研究较少，有线连接的方式、耦合装置的存在、测头触发和待机等问题，限制刀柄测头的刀库放置、降低了测头运动的灵活性；现有超声检测时使用的测头，其无法完全像刀柄一样安装、拆卸和使用，无法实现真正意义上的自动化测量。

针对上述情况，亟需一种在机自动厚度测量装置，通过无线的方式实现与上位机的数据传输，解决结构件加工过程中恶劣环境下的零件壁厚快速自动测量问题，替代人工操作实现壁厚原位直接测量，免去零件反复装夹带来的误差，提高测量效率和降低人工测量带来的误差，对加工状态进行实时监控，为零件加工的策略调整和自动化生产线提供技术支持，节约加工成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其能够解决结构件加工过程中恶劣环境下的工件壁厚快速自动测量问题，替代人工操作实现壁厚原位直接测量，提高测量效率和降低测量误差，为结构件加工的策略调整和自动化生产线提供技术支持。

本发明的实施例是这样实现的：

一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其包括：刀柄、外筒、电池组、电池仓盖、水银支架管、具有硬件电路的电路板、筒盖和电连接电路板的超声探头，电池组通过电池仓盖封装在外筒，刀柄连接外筒的一端，筒盖将水银支架管和电路板封装载外筒的另一端，外筒设置有用于无线传输信号的长槽口，长槽口填充密封胶以防止液体进入，超声探头连接筒盖，水银支架管连接电路板，硬件电路包括触发关断模块，水银支架管安装有多个串联的水银管，水银管电连接至触发关断模块，水银管包括中心水银管和倾斜水银管，倾斜水银管与中心水银管之间形成夹角且多个倾斜水银管围绕中心水银管设置，水银支架管转动时，倾斜水银管的水银产生离心运动并与中心水银管形成电流通路。

在本发明较佳的实施例中，上述中心水银管和倾斜水银管内设置有用于开关接触的接触片，中心水银管处于常闭状态，倾斜水银管处于常开状态，无功耗待机的机床在机超声测厚装置转动时，倾斜水银管内的水银与接触片连通形成通路。

在本发明较佳的实施例中，上述筒盖设置有交叉槽口组，交叉槽口组由多条长条槽组成，多条长条槽沿筒盖的环向设置且相互间隔，以降低筒盖的轴向刚度，使得超声探头与被测工件柔性接触。

在本发明较佳的实施例中，上述水银支架管包括水银支架，水银支架呈中部内凹的盘状，中心水银管固定在水银支架中部且沿竖直方向设置，倾斜水银管沿径向设置在水银支架顶部，倾斜水银管与中心水银管之间形成锐角。

在本发明较佳的实施例中，上述中心水银管、倾斜水银管和接触片形成水银开关，触发关断模块包括信号继电器和常闭光电耦合器，水银开关接通时，信号继电器通电自锁形成持续的通路并为无功耗待机的机床在机超声测厚装置供电，当给常闭光电耦合器输入关断信号时，光电耦合器断开，信号继电器线圈掉电并断开，无功耗待机的机床在机超声测厚装置断电进入无功耗待机模式。

在本发明较佳的实施例中，上述硬件电路还包括电源管理模块、高压升压模块、脉冲激励模块、模拟滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、FPGA主控模块和蓝牙从机模块，电池组通过触发关断模块为电源管理模块供电，电源管理模块提供工作电压并分别电连接至高压升压模块、脉冲激励模块、模拟滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、FPGA主控模块和蓝牙从机模块。

在本发明较佳的实施例中，上述高压升压模块将电压转为直流高压并通过脉冲激励模块激励超声探头发射超声波，超声波信号经过模拟滤波模块和程控放大模块后，由高速AD模块进行模数转换，通过FPGA主控模块将信号进行数字滤波、厚度特征提取和处理，蓝牙从机模块将数据发送。

在本发明较佳的实施例中，上述电路板设置有多层，水银支架管安装于位于顶层的电路板的顶面。

在本发明较佳的实施例中，上述无功耗待机的机床在机超声测厚装置还包括锁紧件，外筒设置有安装电池组的电池槽且外筒设置有沿电池槽边缘的固定孔，电池仓盖设置有固定孔，锁紧件通过固定孔将电池仓盖固定在外筒。

在本发明较佳的实施例中，上述无功耗待机的机床在机超声测厚装置还包括第一防水圈和第二防水圈，第一防水圈设置在电池仓盖和外筒之间，第二防水圈设置于筒盖和外筒之间。

本发明的有益效果是：

本发明通过装置以一定转速旋转，利用水银的流动性，将四个水银管串联形成通路，装置触发进入工作状态，通过中心水银管和倾斜水银管的布局结构形成具有触发条件的电路回路，通过蓝牙对外通信传输数据，在测量完成后，自动断电进入无功耗的待机模式；能够解决结构件加工过程中恶劣环境下的工件壁厚快速自动测量问题，替代人工操作实现壁厚原位直接测量，提高测量效率和降低测量误差，为结构件加工的策略调整和自动化生产线提供技术支持。

本发明还具有以下优点：

替代人工操作，免去了零件反复装夹和人工测量带来的误差，提高测量效率，为结构件加工的策略调整和自动化生产线提供技术支持；触发和关断电路实现了测量装置放入刀库后的全自动化操作，采用独立电池单元供电，尽可能提高续航能力，无功耗待机节省了电池电量，延长了测量装置的续航时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明无功耗待机的机床在机超声测厚装置的组装图；

图2为本发明无功耗待机的机床在机超声测厚装置的示意图；

图3为本发明筒盖的立体图；

图4为本发明触发关断模块的电路图；

图5为本发明水银支架管的位置和角度示意图；

图6为本发明水银滴转速的分析图；

图7为本发明电路板的硬件电路图；

图8为本发明采集数据分析的软件流程图；

图9为本发明进行测量的示意图；

图标：1-刀柄；2-外筒；3-电池组；4-第一防水圈；5-电池仓盖；6-水银管支架；7-电路板；8-第二防水圈；9-筒盖；10-超声探头；11-长槽口；12-交叉槽口组。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其包括：刀柄1、外筒2、电池组3、第一防水圈4、电池仓盖5、水银支架管、具有硬件电路的电路板7、第二防水圈8、筒盖9、超声探头10和锁紧件，本实施例的刀柄1为BT刀柄1，电池组3为锂电池组3，锁紧件为螺钉；刀柄1连接在外筒2的一端，筒盖9将水银支架管和电路板7封装载外筒2的另一端，第二防水圈8将筒盖9和外筒2之间密封，电池组3通过电池仓盖5封装在外筒2内，第一防水圈4将电池仓盖5和外筒2之间密封，超声探头10连接筒盖9，水银支架管连接电路板7；该装置通过水银支架管和电路板7连接形成电路中的一个模块，该模块通过水银的离心运动，实现装置的开关，从而对待测物件进行测厚的启动与关闭。

请参照图1、图2和图3，刀柄1为BT刀柄1，其为现有技术，外筒2的一端设置有供连接刀柄1的轴，刀柄1凹设有卡入轴的轴孔，外筒2的一端通过轴卡入轴孔内将刀柄1连接，外筒2的另一端凹设有安装水银管支架6和电路板7的凹槽，外筒2的该端边缘处设置有螺纹并与筒盖9的顶端相互匹配扣紧，外筒2的侧面设置有用于无线传输信号的长槽口11，长槽口11共设置有4条，4条长槽口11相互间隔设置且围绕外筒2一周，长槽口11填充密封胶以防止液体进入外筒2内部；筒盖9的顶部设置为圆盘形，筒盖9的底端设置为圆柱形的杆体，该杆体沿环向设置有交叉槽口组12，交叉槽口组12由12条长条槽组成，12条长条槽沿筒盖9的环向设置且相互间隔，每2条长条槽为一对且围绕筒盖9的杆体一周，每对长条槽在杆体上位置相对且间隔，6对长条槽沿筒盖9的轴向分布成为6层，每层的长条槽为相邻层的长条槽转动90°叠置形成，该设置降低了筒盖9的轴向刚度，使得超声探头10与被测工件柔性接触，在测工件参数时起到缓冲的作用；筒盖9的边缘处设置有螺纹并通过旋转的方式将水银管支架6和电路板7封装在外筒2，第二防水圈8设置于筒盖9和外筒2之间，筒盖9与外筒2相互匹配扣紧时，第二防水圈8将筒盖9的边缘处密封，筒盖9的底端设置有供超声探头10插入的圆杆形的杆体，超声探头10的一端通过插入杆内与筒盖9相互固定；外筒2的侧面设置有安装电池组3的电池槽，该电池槽设置呈方形，位于电池槽边缘位置的外筒2处设有固定孔，电池仓盖5的顶部设置成弧形的凸面，电池仓盖5设置有与其位置相对的固定孔，使用四颗M4螺钉通过固定孔将电池仓盖5固定在外筒2，同时将电池封装在外筒2内，第一防水圈4设置在电池仓盖5和外筒2之间，电池仓盖5封装电池时，第一防水圈4位于电池槽的边缘处并进行密封，外筒2的筒壁开设有条形孔，其作为装置内部天线信号的传输通路；第一防水圈4与外筒2、电池仓盖5之间的缝隙采用防水胶密封，第二防水圈8与外筒2、筒盖9之间的缝隙采用防水胶密封。

请参照图4，电路板7共设置有三层，无功耗待机的机床在机超声测厚装置工作状态竖直放置时，电路板7依次为顶层、中层和底层，每层电路板7之间相互间隔设置且通过4组铜柱间隔，螺钉穿过铜柱相互间隔地将三层电路板7连接，水银管支架6安装在顶层电路板7的顶部；水银管架包括水银管和安装水银管的水银支架，水银管包括一个中心水银管和三个倾斜水银管，水银支架呈三条互呈120°的条状发散结构，水银支架的底部呈中部内凹的盘状，发散结构位于盘状结构的顶部，中心水银管固定在水银支架中部且沿竖直方向设置，倾斜水银管沿径向嵌入在发散结构内，且倾斜水银管位于水银支架顶部，倾斜水银管与中心水银管之间形成锐角；中心水银管和倾斜水银管内设置有用于开关接触的接触片，中心水银管处于常闭状态，倾斜水银管处于常开状态，无功耗待机的机床在机超声测厚装置转动时，倾斜水银管内的水银与接触片连通形成通路；中心水银管、倾斜水银管和接触片形成水银开关，触发关断模块包括信号继电器和常闭光电耦合器，水银开关接通时，信号继电器通电自锁形成持续的通路并为负载供电，该实施例中的负载为无功耗待机的机床在机超声测厚装置，当给常闭光电耦合器输入关断信号时，光电耦合器断开，信号继电器线圈掉电并断开，无功耗待机的机床在机超声测厚装置断电进入无功耗待机模式，等待下一次水银开关的触发。

请参照图5，为了防止误触发，采用四个串联的水银管按特定的位置和角度安装于电路板7上，中心水银管正立于电路板7中央，处于常闭状态，另外三个倾斜水银管倾斜角度倒置均布固定于最上层电路板7，处于常开状态，水银开关与竖直方向倾斜角度为θ，管内水银滴的质心到原点在xOy平面的投影距离OA、OB、OC均为r，OA、OB、OC之间的夹角均为120°。仅当测厚装置绕z轴以一定角速度ω转动时，在离心力的作用下倾斜放置的三个水银管中的水银滴移动使电路触发，而装置的其他动作无法触发。

请参照图6，分析倾斜水银管中水银滴在z轴和投影线OA所在的竖直平面上的受力情况，管壁上的质量为m的水银滴主要由重力G和管壁的支持力F_N提供旋转的向心力F_X。考虑水银滴悬停在管壁的临界状态，不计管壁对水银滴的摩擦力，根据离心力计算公式：

由重力计算公式G＝mg，计算出电路触发的最小转速ω与倾斜角度θ、旋转半径r的关系为：

请参照图7，电路板7具有硬件电路，硬件电路包括触发关断模块、电源管理模块、高压升压模块、脉冲激励模块、模拟滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、FPGA主控模块和蓝牙从机模块，超声探头10电连接至电路板7，电池组3为锂电池组3，电池组3电连接至电路板7，电池组3通过触发关断模块为电源管理模块供电，电源管理模块提供工作电压并分别电连接至高压升压模块、脉冲激励模块、模拟滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、FPGA主控模块和蓝牙从机模块；水银管电连接至触发关断模块，水银管包括中心水银管和倾斜水银管，倾斜水银管与中心水银管之间形成夹角且多个倾斜水银管围绕中心水银管设置，水银支架管转动时，倾斜水银管的水银产生离心运动并与中心水银管形成电流通路，高压升压模块将电压转为直流高压并通过脉冲激励模块激励超声探头10发射超声波，超声波信号经过模拟滤波模块和程控放大模块后，由高速AD模块进行模数转换，通过FPGA主控模块将信号进行数字滤波、厚度特征提取和处理，蓝牙从机模块将数据发送。

请参照图8，量化完成的超声回波信号，经过数字滤波处理后，寻找第一次回波信号的峰值，并记录前后各两个点的值；通过峰值阈值判定超声探头10是否良好耦合，如果未良好耦合，输出厚度值为零，若耦合良好，继续寻找二次回波峰值，记录其前后各两个点；分别对上述记录的两个峰值及其前后点做拟合，求出两段曲线的峰值，进而求得两个峰值之间的渡越时间，完成厚度计算，输出相应厚度值。若厚度值持续为零的时间超过50s，主控发出关断脉冲，系统断电，等待下一次触发。

本发明的具体工作过程是：

请参照图9，当需要对工件进行厚度测量时，机床自动将测厚装置从刀库中调出，并安装于机床主轴；机床主轴以一定转速旋转数秒，在机超声测厚装置触发进入工作状态，通过蓝牙与外部无线接收端通信，并通过服务器通信连接；在被测工件指定位置喷涂耦合剂，主轴将测厚装置移动到相应的测量位置完成测量，厚度数据实时传输至服务器，服务器连接数控系统和显示器；完成测量后，测量装置进入延时程序，直到完成自动断电进入无功耗待机模式，等待下一次旋转触发或者被换下放回机床刀库。

综上，本发明实例通过装置以一定转速旋转，利用水银的流动性，将四个水银管串联形成通路，装置触发进入工作状态，通过中心水银管和倾斜水银管的布局结构形成具有触发条件的电路回路，通过蓝牙对外通信传输数据，在测量完成后，自动断电进入无功耗的待机模式；能够解决结构件加工过程中恶劣环境下的工件壁厚快速自动测量问题，替代人工操作实现壁厚原位直接测量，提高测量效率和降低测量误差，为结构件加工的策略调整和自动化生产线提供技术支持。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，包括：刀柄、外筒、电池组、电池仓盖、水银支架管、具有硬件电路的电路板、筒盖和电连接电路板的超声探头，所述电池组通过电池仓盖封装在外筒，所述刀柄连接外筒的一端，所述筒盖将水银支架管和电路板封装载外筒的另一端，所述外筒设置有用于无线传输信号的长槽口，长槽口填充密封胶以防止液体进入，所述超声探头连接筒盖，所述水银支架管连接电路板，硬件电路包括触发关断模块，所述水银支架管安装有多个串联的水银管，所述水银管电连接至触发关断模块，所述水银管包括中心水银管和倾斜水银管，所述倾斜水银管与中心水银管之间形成夹角且多个倾斜水银管围绕中心水银管设置，所述水银支架管转动时，所述倾斜水银管的水银产生离心运动并与中心水银管形成电流通路。

2.根据权利要求1所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述中心水银管和倾斜水银管内设置有用于开关接触的接触片，所述中心水银管处于常闭状态，所述倾斜水银管处于常开状态，所述无功耗待机的机床在机超声测厚装置转动时，所述倾斜水银管内的水银与接触片连通形成通路。

3.根据权利要求2所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述筒盖设置有交叉槽口组，交叉槽口组由多条长条槽组成，多条长条槽沿筒盖的环向设置且相互间隔，以降低筒盖的轴向刚度，使得超声探头与被测工件柔性接触。

4.根据权利要求2所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述水银支架管包括水银支架，所述水银支架呈中部内凹的盘状，所述中心水银管固定在水银支架中部且沿竖直方向设置，所述倾斜水银管沿径向设置在水银支架顶部，所述倾斜水银管与中心水银管之间形成锐角。

5.根据权利要求4所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述中心水银管、倾斜水银管和接触片形成水银开关，所述触发关断模块包括信号继电器和常闭光电耦合器，所述水银开关接通时，所述信号继电器通电自锁形成持续的通路并为无功耗待机的机床在机超声测厚装置供电，当给常闭光电耦合器输入关断信号时，所述光电耦合器断开，所述信号继电器线圈掉电并断开，无功耗待机的机床在机超声测厚装置断电进入无功耗待机模式。

6.根据权利要求2所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述硬件电路还包括电源管理模块、高压升压模块、脉冲激励模块、模拟滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、FPGA主控模块和蓝牙从机模块，所述电池组通过触发关断模块为电源管理模块供电，所述电源管理模块提供工作电压并分别电连接至高压升压模块、脉冲激励模块、模拟滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、FPGA主控模块和蓝牙从机模块。

7.根据权利要求6所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述高压升压模块将电压转为直流高压并通过脉冲激励模块激励超声探头发射超声波，超声波信号经过模拟滤波模块和程控放大模块后，由高速AD模块进行模数转换，通过FPGA主控模块将信号进行数字滤波、厚度特征提取和处理，所述蓝牙从机模块将数据发送。

8.根据权利要求5所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述电路板设置有多层，所述水银支架管安装于位于顶层的电路板的顶面。

9.根据权利要求1所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述无功耗待机的机床在机超声测厚装置还包括锁紧件，所述外筒设置有安装电池组的电池槽且外筒设置有沿电池槽边缘的固定孔，所述电池仓盖设置有固定孔，所述锁紧件通过固定孔将电池仓盖固定在外筒。

10.根据权利要求9所述的一种无功耗待机的机床在机超声测厚装置，其特征在于，所述无功耗待机的机床在机超声测厚装置还包括第一防水圈和第二防水圈，所述第一防水圈设置在电池仓盖和外筒之间，所述第二防水圈设置于筒盖和外筒之间。