CN111174739A - 一种测量自由曲面任意点厚度的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量自由曲面任意点厚度的装置及其测量方法，装置包括超声测厚主体结构、缓冲连接结构和耦合剂供应结构，超声测厚主体结构用于探头角度自适应调整和探头与工件接触力的测量，使得测量轴线与工件接触点的矢法线自适应重合且接触稳定；缓冲连接结构用于保证测厚主体结构与外部运动机构末端的同轴连接，同时起到缓冲和导向作用；耦合剂供应线路保证探头与工件的耦合稳定。本发明可解决薄壁类复杂曲面工件厚度的自动检测问题，装置可安装在运动机构末端实现自由曲面工件厚度自动检测，也可安装在数控机床刀柄末端，实现在机测量获得零件毛坯壁厚或加工中的剩余壁厚分布状态。

Description

一种测量自由曲面任意点厚度的装置及其测量方法

技术领域

本发明属于超声测量检测技术领域，具体涉及一种测量自由曲面任意点厚度的装置及其测量方法。

背景技术

以火箭贮箱壁板、火箭喷管、飞机蒙皮等为代表的大型薄壁件是航空航天重大装备上的关键件，其加工剩余壁厚须满足等壁厚或按一定规律变壁厚的加工要求。测量获得零件壁厚分布或在机检测加工中的剩余壁厚分布状态，是判断工件是否满足要求的必要环节，也是实施零件加工目标曲面再设计和壁厚误差自动补偿的核心工艺环节。然而，由于该类零件结构尺寸较大、整体面形复杂、待测点多，实现高效、精密自动化测厚极其困难。

目前针对工件的厚度自动化检测，国内不少学者也在进行研究。研究对象多为板材、柱形管材、球体等规则形状工件。如专利CN201310111828.X公开了一种超声波测储罐壁厚装置，针对储罐壁厚通过微调旋钮实现厚度测量，无法做到自适应测量。如论文“面形自适应超声在机测厚方法研究”(刘海波,廉盟,周连杰,et al.面形自适应超声在机测厚方法研究[J].机械工程学报,2018(18))中，只通过末端平面配合球铰及缓冲装置实现自适应，末端球铰改变角度后不易回位，压力传感器位于球铰的后侧，不与超声探头同轴，无法保证超声探头与工件的接触实际力的大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量自由曲面任意点厚度的装置及其测量方法，以解决薄壁类工件厚度自动检测过程中零件结构尺寸较大、整体面形复杂、待测点多、测量精度低、重复性差、测量接触力无法准确量化等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量自由曲面任意点厚度的装置，包括超声测厚主体结构、缓冲连接结构和耦合剂供应结构；超声测厚主体结构用于探头角度自适应调整和探头与工件接触力的测量，使得测量轴线与工件接触点的矢法线自适应重合；缓冲连接结构用于保证测厚主体结构与外部运动机构的同轴连接，同时起到缓冲和导向作用；耦合剂供应结构用于探头与工件的耦合。

一种自由曲面任意点厚度测量方法，包括以下步骤：

步骤1、通过外部运动机构，使运动机构末端位姿指向厚度待测点，超声壁厚检测装置轴线通过自由曲面上的待测点；

步骤2、运动机构沿末端中心轴线姿势直线运动，使超声壁厚检测装置逐渐靠近待测点，耦合剂开始供应在探头延迟块末端和探头罩内侧形成稳定耦合剂液层；

步骤3、当探头罩接触到工件，探头罩末端及探头延迟块与工件外轮廓接触，根据所接触工件局部轮廓，角度自适应弹簧产生形变，自适应调整测量装置主轴方向，使超声测厚探头中心轴与待测点的矢法线方向重合，运动机构末端继续沿末端中心轴线运动；

步骤4、角度自适应弹簧压缩产生一定形变后，缓冲弹簧逐渐压缩产生形变，再次实现超声测厚主体结构角度微调，保证超声测厚探头中心轴与待测点法线重合；随缓冲弹簧不断压缩，压力传递板将接触力传导给微型压力传感器，当微型压力传感器达到相应的阈值，运动机构停止运动，判断此时超声测厚探头与工件的耦合程度，读取并存入此时的厚度测量值；

步骤5、单个测量点厚度值测量完毕后，移至下一测量点，重复步骤，最终实现所有待测点的厚度检测。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明对传统超声测厚结构安装角度自适应弹簧及缓冲弹簧，保证了超声探头在测量时角度实现自适应调整，使得测量轴线与待测点的矢法线重合，保证了测量精度；(2)本发明设计的超声测厚主体结构，微型压力传感器结合角度自适应弹簧、压力传递板可以很好的反应出超声测厚探头与工件接触力的大小，防止工件以及探头的损坏，也可保证最佳测厚接触力；(3)本发明设计的耦合剂供应结构，耦合剂供应量稳定，可在探头延迟块及探头罩末端形成稳定液层，保证测量时的耦合效果；(4)本发明可直接安装于工业机器人末端进行专门工件检测工作，也可安装于数控机床刀柄末端实现在机自检测，提高加工精度；(5)本发明可用于针对自由曲面工件的其他接触性生产检测中。

附图说明

图1是本发明测量自由曲面任意点厚度的装置总体示意图。

图2是本发明测量自由曲面任意点厚度的装置主剖面示意图。

图3是本发明实例测量示意图。

其中，1-外部运动机构，2-安装板，3-高强度安装螺钉，4-同轴壳体，5-缓冲弹簧，6-上壳体，7-埋头螺钉，8-微型压力传感器，9-微型压力传感器线缆，10-压力传递板，11-角度自适应弹簧，12-下壳体，13-超声探头固定套，14-超声测厚探头，15-超声测厚探头线缆，16-顶丝，17-探头延迟块，18-软管，19-接头，20-探头罩，21-超声测厚探头走线孔，22-微型压力传感器走线孔，23-检测工作台，24-工件，a-测量路线。

具体实施方式

针对未知曲面工件的壁厚测量问题，本发明提出一种测量自由曲面任意点厚度的装置及其测量方法，模拟人手实现探头的定向以及探头末端力的控制。

如图1、图2所示，一种测量自由曲面任意点厚度的装置，装置包括超声测厚主体结构、缓冲连接结构和耦合剂供应结构；超声测厚主体结构用于探头角度自适应调整和探头与工件接触力的测量，使得测量轴线与工件接触点的矢法线自适应重合且接触稳定；缓冲连接结构用于保证测厚主体结构与外部运动机构的同轴连接，同时起到缓冲和导向作用；耦合剂供应线路保证探头与工件的耦合稳定。

进一步的，所述的超声测厚主体结构包括超声测厚探头14、探头延迟块17、超声探头固定套13、上壳体6、下壳体12、角度自适应弹簧11、压力传递板10和微型压力传感器8。探头延迟块17安装于超声测厚探头14末端，同轴固定在超声探头固定套13内，超声探头固定套13与压力传递板10同侧开有与角度自适应弹簧11直径相同圆槽，保证超声探头固定套13与压力传递板10同轴安装，也起到导向作用，角度自适应弹簧11一端同轴嵌入超声探头固定套13凹槽，一端同轴嵌入压力传递板10凹槽，压力传递板10背面有与微型压力传感器8凸起膜片相同尺寸的凹槽，压力传递板10与微型压力传感器8同轴固定，微型压力传感器8背面与上壳体6通过埋头螺钉7固定，上壳体6与下壳体12均留有超声测厚探头线缆15与微型压力传感器线缆9的超声测厚探头走线孔21、微型压力传感器走线孔22，上壳体6与下壳体12同轴固定，此时角度自适应弹簧11存在一定预压力。

进一步的，所述的缓冲连接结构包括安装板2、同轴壳体4、缓冲弹簧5，缓冲弹簧5线径较大，安装板2通过高强度安装螺钉3与外部运动机构1末端同轴固定，安装板2中心有柱形凸台，起到缓冲弹簧5的导向作用，同轴壳体4与安装板2通过螺纹同轴连接固定，缓冲弹簧5位于同轴壳体4内，一端同轴套入安装板2柱形凸台，一端同轴套入上壳体6背面柱形凸台，安装板2、同轴壳体4与上壳体6固定后缓冲弹簧5存在一定预压力。上壳体6与同轴壳体4存在间隙，缓冲弹簧5压缩时可以起到缓冲作用，也可自适应调整超声测厚主体结构角度。

进一步的，所述的耦合剂供应结构包括探头罩20、软管18、接头19。耦合剂采用探头供应式，在探头罩20开有螺纹孔，接头19连接软管18接入螺纹孔内，耦合剂通过软管18直接供应至探头延迟块17处，探头罩20内侧与探头延迟块17留有间隙，耦合剂可在探头延迟块17末端留有稳定液层。

进一步的，所述的缓冲连接结构通过高强度安装螺钉3与外部运动机构1末端同轴固定，超声测厚主体结构通过同轴壳体4与上壳体6的台阶导向结构定位，并通过缓冲弹簧5的预压力将超声测厚主体结构与缓冲连接结构连接，耦合剂供应结构的探头罩20通过螺纹与超声探头固定套13同轴连接，并通过顶丝16固定。

进一步的，所述的超声探头固定套13、探头罩20采用尼龙材料加工，对超声测厚信号不产生干扰且减弱对超声测厚探头14的磨损，对超声测厚探头14起到保护作用。

本发明还提供一种测量自由曲面任意点厚度的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、通过控制数控机床外部机械加工臂或工业机器人等外部运动机构1，使运动机构1末端位姿指向厚度待测点，此时超声壁厚检测装置轴线通过自由曲面上的待测点；超声壁厚检测装置即为本发明测量自由曲面任意点厚度的装置；

步骤2、运动机构1沿末端中心轴线姿势直线运动，使超声壁厚检测装置逐渐靠近待测点。运动机构1运动速度减缓，超声壁厚检测装置缓慢靠近工件，耦合剂开始供应在探头延迟块17末端和探头罩20内侧形成稳定耦合剂液层；

步骤3、当探头罩20接触到工件，探头罩20末端及延迟块17与工件外轮廓充分接触，根据所接触工件局部轮廓，角度自适应弹簧11产生形变，自适应调整测量装置主轴方向，使超声测厚探头14中心轴与待测点的矢法线方向重合，运动机构1末端继续沿末端中心轴线缓慢运动；

步骤4、角度自适应弹簧11压缩产生一定形变后，缓冲弹簧5逐渐压缩产生形变，再次实现超声测厚主体结构角度微调，保证超声测厚探头14中心轴与待测点法线重合；随缓冲弹簧5不断压缩，压力传递板10将接触力传导给微型压力传感器8，当微型压力传感器8达到相应的阈值，运动机构1停止运动，判断此时超声测厚探头14与工件的耦合程度，读取并存入此时的厚度测量值；

步骤5、单个测量点厚度值测量完毕后，可移至下一测量点，重复步骤，最终实现所有待测点的厚度检测。

为了详细说明本发明的技术内容，实现目的及效果，以下结合实施例并配合附图进行详细说明。

实施例

一种测量自由曲面任意点厚度的装置，同轴安装与工业检测机器人末端，用于检测某铝制薄壁类曲面工件，如图1、图2所示，所述装置包括超声测厚主体结构、缓冲连接结构和耦合剂供应结构。

超声测厚主体结构包括超声测厚探头14、探头延迟块17、超声探头固定套13、上壳体6、下壳体12、角度自适应弹簧11、压力传递板10、微型压力传感器8。探头延迟块17安装于超声测厚探头14末端，同轴固定在超声探头固定套13内，超声探头固定套13与压力传递板10同侧开有与角度自适应弹簧11直径相同圆槽，角度自适应弹簧11一端同轴嵌入超声探头固定套13凹槽，一端同轴嵌入压力传递板10凹槽，压力传递板10背面有与微型压力传感器8凸起膜片相同尺寸的凹槽，压力传递板10与微型压力传感器8同轴固定，微型压力传感器8与上壳体6通过埋头螺钉7固定，上壳体6与下壳体12均留有超声测厚探头线缆15与微型压力传感器线缆9的超声测厚探头走线孔21、微型压力传感器走线孔22，上壳体6与下壳体12同轴固定，此时角度自适应弹簧11存在一定预压力。

缓冲连接结构包括安装板2、同轴壳体4、缓冲弹簧5。缓冲弹簧5线径较大，安装板2通过高强度安装螺钉3与外部运动机构1末端同轴固定，安装板2中心有柱形凸台，同轴壳体4与安装板2通过螺纹同轴连接固定，缓冲弹簧5位于同轴壳体4内，一端同轴套入安装板2柱形凸台，一端同轴套入上壳体6背面柱形凸台，安装板2、同轴壳体4与上壳体6固定后缓冲弹簧5存在一定预压力。上壳体6与同轴壳体4留有间隙

耦合剂供应结构包括探头罩20、软管18、接头19。耦合剂采用探头供应式，在探头罩20开有螺纹孔，接头19连接软管18接入螺纹孔内，耦合剂通过软管18直接供应至探头延迟块17处，探头罩20内侧与探头延迟块17留有间隙，耦合剂可在探头延迟块17末端留有稳定液层。

缓冲连接结构通过高强度安装螺钉3与外部运动机构1末端同轴固定，超声测厚主体结构通过同轴壳体4与上壳体6的台阶导向结构定位，并通过缓冲弹簧5的预压力将超声测厚主体结构与缓冲连接结构连接，耦合剂供应结构通过螺纹与超声探头固定套13同轴连接，并通过顶丝16固定。

超声探头固定套13、探头罩20均采用尼龙材料加工，对超声测厚信号不产生干扰且减弱对超声测厚探头14的磨损，对超声测厚探头14起到保护作用。

一种测量自由曲面任意点厚度的测量方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：薄壁铝制工件24固定于工作台23上，测量装置同轴安装在工业检测机器人1末端。

步骤2：通过控制工业检测机器人1，使工业检测机器人1末端位姿指向厚度待测点，此时超声壁厚检测装置轴线通过自由曲面上的待测点；

步骤3：工业检测机器人1末端沿末端轴线姿势运动，使超声壁厚检测装置逐渐靠近待测点。运动机构运动速度减缓，超声壁厚检测装置缓慢靠近工件，耦合剂开始供应在超声延迟块17末端和探头罩20内侧形成稳定耦合剂液层；

步骤4：当探头罩20接触到工件24，探头罩20末端及超声延迟块17与工件外轮廓充分接触，根据所接触工件局部轮廓，角度自适应弹簧11产生形变，自适应调整测量装置主轴方向，使超声测厚探头14中心轴与待测点的法线方向重合，工业检测机器人1末端继续沿末端轴线缓慢运动；

步骤5：角度自适应弹簧11压缩产生一定形变后，缓冲弹簧5逐渐压缩产生形变，再次实现超声测厚主体结构角度微调，保证超声测厚探头14中心轴与待测点法线重合；随缓冲弹簧5不断压缩，压力传递板10将接触力传导给微型压力传感器14，当微型压力传感器14达到相应的阈值，工业检测机器人1停止运动，判断此时超声测厚探头14与工件24的耦合程度，读取并存入此时的厚度测量值；

步骤6：单个测量点厚度值测量完毕后，按设定测量路线a移至下一测量点，重复步骤2-5，最终实现所有待测点的厚度检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，包括超声测厚主体结构、缓冲连接结构和耦合剂供应结构；超声测厚主体结构用于探头角度自适应调整和探头与工件接触力的测量，使得测量轴线与工件接触点的矢法线自适应重合；缓冲连接结构用于保证测厚主体结构与外部运动机构的同轴连接，同时起缓冲和导向作用；耦合剂供应结构用于探头与工件的耦合。

2.根据权利要求1所述的测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，所述超声测厚主体结构包括超声测厚探头(14)、探头延迟块(17)、超声探头固定套(13)、上壳体(6)、下壳体(12)、角度自适应弹簧(11)、压力传递板(10)和微型压力传感器(8)；

探头延迟块(17)安装于超声测厚探头(14)末端，同轴固定在超声探头固定套(13)内，超声探头固定套(13)与压力传递板(10)同侧开有与角度自适应弹簧(11)直径相同圆槽，保证超声探头固定套(13)与压力传递板(10)同轴安装，同时起到导向作用，角度自适应弹簧(11)一端同轴嵌入超声探头固定套(13)凹槽，一端同轴嵌入压力传递板(10)凹槽，压力传递板(10)背面有与微型压力传感器(8)凸起膜片相同尺寸的凹槽，压力传递板(10)与微型压力传感器(8)同轴固定，微型压力传感器(8)背面与上壳体(6)固定，上壳体(6)与下壳体(12)均留有超声测厚探头线缆(15)与微型压力传感器线缆(9)的超声测厚探头走线孔(21)、微型压力传感器走线孔(22)，上壳体(6)与下壳体(12)同轴固定，角度自适应弹簧(11)存在一定预压力。

3.根据权利要求2所述的测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，所述微型压力传感器(8)背面与上壳体(6)通过埋头螺钉(7)固定；所述超声探头固定套(13)采用尼龙材料加工。

4.根据权利要求2所述的测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，所述缓冲连接结构包括安装板(2)、同轴壳体(4)和缓冲弹簧(5)；安装板(2)与外部运动机构(1)末端同轴固定，安装板(2)中心有柱形凸台，起到缓冲弹簧(5)的导向作用，同轴壳体(4)与安装板(2)通过螺纹同轴连接固定，缓冲弹簧(5)位于同轴壳体(4)内，一端同轴套入安装板(2)柱形凸台，一端同轴套入上壳体(6)背面柱形凸台，安装板(2)、同轴壳体(4)与上壳体(6)固定后缓冲弹簧(5)存在一定预压力；上壳体(6)与同轴壳体(4)存在间隙。

5.根据权利要求4所述的测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，所述安装板(2)通过安装螺钉(3)与外部运动机构(1)末端同轴固定。

6.根据权利要求4所述的测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，所述同轴壳体(4)与上壳体(6)的台阶导向结构定位，并通过缓冲弹簧(5)的预压力将超声测厚主体结构与缓冲连接结构连接。

7.根据权利要求1所述的测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，所述耦合剂供应结构包括探头罩(20)、软管(18)和接头(19)；耦合剂采用探头供应式，在探头罩(20)开有螺纹孔，接头(19)连接软管(18)接入螺纹孔内，耦合剂通过软管(18)供应至探头延迟块(17)处，探头罩(20)内侧与探头延迟块(17)留有间隙，耦合剂可在探头延迟块(17)末端留有稳定液层。

8.根据权利要求7所述的测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，耦合剂供应结构通过螺纹与超声探头固定套(13)同轴连接，并通过顶丝(16)固定。

9.根据权利要求7所述的测量自由曲面任意点厚度的装置，其特征在于，所述的探头罩(20)采用尼龙材料加工。

10.一种采用如权利要求1～9任意一项所述装置的自由曲面任意点厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过外部运动机构(1)，使运动机构(1)末端位姿指向厚度待测点，超声壁厚检测装置轴线通过自由曲面上的待测点；

步骤2、运动机构(1)沿末端中心轴线姿势直线运动，使超声壁厚检测装置逐渐靠近待测点，耦合剂开始供应在探头延迟块(17)末端和探头罩(20)内侧形成稳定耦合剂液层；

步骤3、当探头罩(20)接触到工件，探头罩(20)末端及探头延迟块(17)与工件外轮廓接触，根据所接触工件局部轮廓，角度自适应弹簧(11)产生形变，自适应调整测量装置主轴方向，使超声测厚探头(14)中心轴与待测点的矢法线方向重合，运动机构(1)末端继续沿末端中心轴线运动；

步骤4、角度自适应弹簧(11)压缩产生一定形变后，缓冲弹簧(5)逐渐压缩产生形变，再次实现超声测厚主体结构角度微调，保证超声测厚探头(14)中心轴与待测点法线重合；随缓冲弹簧(5)不断压缩，压力传递板(10)将接触力传导给微型压力传感器(8)，当微型压力传感器(8)达到相应的阈值，运动机构(1)停止运动，判断此时超声测厚探头(14)与工件的耦合程度，读取并存入此时的厚度测量值；

步骤5、单个测量点厚度值测量完毕后，移至下一测量点，重复步骤，最终实现所有待测点的厚度检测。

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