CN111843617B - 一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置，包括刀柄、筒体、筒体下盖、销、外套筒、内套筒和超声探头。筒体为圆柱状体结构，筒体的外圆周面上向内开设有电池仓，电池组位于电池仓内，电池仓上设有电池盖，电池盖与筒体通过螺栓相连。刀柄的端部与机床主轴相连，刀柄的另一端与筒体的端部相连，筒体的另一端与筒体下盖的端部相连。筒体内设有电路板仓，硬件电路板位于筒体的电路板仓内。销穿过筒体下盖和内套筒，外套筒套设在内套筒的外表面上，外套筒的端部与筒体下盖的另一端相连。超声探头的端部穿过内套筒内部后与硬件电路板电连接，硬件电路板与电池组电连接。

Description

一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置
技术领域
本发明属于机床在机检测技术领域，具体涉及一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置。
背景技术
薄壁零件是航空航天制造业中重要的结构部件，如外壳、墙板和横梁等。这类零件具有重量轻、承载力强等特点，通常由钛/铝合金制造，以减轻其重量并增加其刚度。然而，薄壁零件的缺点同样明显：形状复杂、易变形、刚度低、装夹困难，在加工制造和测量的过程中，为保证薄壁零件的最终加工精度，需在加工过程中进行厚度测量，用于保证零件被正确加工，机床处于正常工作状态。
超声波具有较好的方向性、穿透性，在工业中被广泛的应用于金属探伤、厚度与距离的测量，同时在无损检测、海洋探查、医学诊断与开发等众多领域中发挥着十分重要的作用。超声检测技术是常规检测技术中使用最多的一种。超声测厚是超声检测的一个应用方面，具有成本低、使用方便、速度快、精度高、对人体无害、便于现场使用等诸多优势使其成为工业中应用非常广泛的厚度测量技术。
目前，国内工厂中较常用的做法为，在加工过程中，以人工手持超声测厚仪进行测量的方式保证加工的可靠性，若测量厚度值超出容差范围，则通过报废该工件避免后续加工的方式节约成本。此种提升加工可靠性的方式在引入人力成本的同时降低了机床加工效率，且难以用于未来的“无人制造”环境。
针对上述的情况，亟需一种在机超声测厚装置，通过刀柄安装于机床，在机床加工过程这种恶劣环境下实现对零件壁厚的自动、快速测量，将厚度数据返回到上位机中，替代人工操作实现零件壁厚的测量，避免了零件反复重新装夹带入的误差，提高机床的加工效率，降低人工测量带入的误差，同时可以在机床加工过程中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
本发明的目的是解决上述问题，提供一种能够解决在恶劣环境下的机床加工过程中，工件壁厚的快速、自动、测量问题的柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：1、一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置，其特征在于：包括刀柄、筒体、筒体下盖、销、外套筒、内套筒和超声探头，筒体为圆柱状体结构，筒体的外圆周面上向内开设有电池仓，电池组位于电池仓内，电池仓上设有电池盖，电池盖与筒体通过螺栓相连；刀柄的端部与机床主轴相连，刀柄的另一端与筒体的端部相连，筒体的另一端与筒体下盖的端部相连，筒体内设有电路板仓，硬件电路板位于筒体的电路板仓内；销穿过筒体下盖和内套筒，外套筒套设在内套筒的外表面上，外套筒的端部与筒体下盖的另一端相连；超声探头的端部穿过内套筒内部后与硬件电路板电连接，硬件电路板与电池组电连接；超声探头将检测到的信号数据传递给硬件电路板，然后通过硬件电路板将信号数据传递给外部电脑进行数据计算。
优选地，所述筒体为中空的柱状体结构，筒体的端部设有筒体轴，筒体轴与刀柄相连，筒体的另一端设有螺纹结构并与筒体下盖螺纹连接。
优选地，所述电池仓的截面为矩形状，电池仓和电池盖之间设有电池仓防水圈，电池盖通过电池仓防水圈将电池仓进行密封。
优选地，所述电池仓的轴线与筒体的轴线互相垂直，筒体上设有电池仓孔，电池仓孔分布在电池仓的四周；电池盖上设有电池盖孔，螺栓依次穿过电池盖孔和电池仓孔将电池盖与筒体固连。
优选地，所述筒体下盖为阶梯状的柱状结构，筒体下盖的端面为螺纹结构并与筒体的端部螺纹连接，筒体下盖的另一端设有外螺纹并与外套筒螺纹连接。
优选地，所述筒体下盖的端部设有U形状的凹槽，内套筒上设有销孔，销依次穿过凹槽和销孔使内套筒沿U形状的凹槽往返运动。
优选地，所述筒体和筒体下盖之间设有电路板防水圈，筒体下盖与筒体配合时，电路板防水圈将电路板密封于筒体的电路板仓内。
优选地，所述筒体下盖内部安装有弹簧，内套筒穿设于筒体下盖内部并与弹簧接触，超声探头的端部依次穿过内套筒和弹簧后与硬件电路板电连接。
优选地，所述硬件电路板包括电源管理模块、触发关断模块、升压模块、脉冲激励产生模块、滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、模数转换模块、FPGA主控模块和蓝牙传输模块，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升压模块、脉冲激励产生模块、滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、模数转换模块、FPGA主控模块和蓝牙传输模块。
本发明的有益效果是：本发明所提供的一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置能够替代人工操作实现壁厚原位测量，提高测量效率并降低测量误差，同时避免人工操作零件反复装夹带入的误差，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。
附图说明
图1是本发明一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置的组装示意图；
图2是本发明的整体示意图；
图3是本发明柔性接触机构的组装示意图；
图4是本发明筒体下盖与销、外套筒、内套筒、超声探头和弹簧的连接结构示意图；
图5是本发明图4的主视图；
图6是本发明图5的剖面结构示意图；
图7是本发明硬件电路板的原理示意图；
图8是本发明安装在机床主轴上检测工件的原理示意图；
图9是本发明工作原理示意图。
附图标记说明：1、刀柄；2、筒体；3、电池组；4、电池仓防水圈；5、电池盖；6、硬件电路板；7、电路板防水圈；8、筒体下盖；9、销；10、外套筒；11、内套筒；12、超声探头；13、弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1到图9所示，本发明提供的一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置，包括刀柄1、筒体2、筒体下盖8、销9、外套筒10、内套筒11和超声探头12。筒体2为圆柱状体结构，筒体2的外圆周面上向内开设有电池仓，电池组3位于电池仓内，电池仓上设有电池盖5，电池盖5与筒体2通过螺栓相连。刀柄1的端部与机床主轴相连，刀柄1的另一端与筒体2的端部相连，筒体2的另一端与筒体下盖8的端部相连。筒体2内设有电路板仓，硬件电路板6位于筒体2的电路板仓内。销9穿过筒体下盖8和内套筒11，外套筒10套设在内套筒11的外表面上，外套筒10的端部与筒体下盖8的另一端相连。超声探头12的端部穿过内套筒11内部后与硬件电路板6电连接，硬件电路板6与电池组3电连接。超声探头12将检测到的信号数据传递给硬件电路板6，然后通过硬件电路板6将信号数据传递给外部电脑进行数据计算。
筒体2为中空的柱状体结构，筒体2的端部设有筒体轴，筒体轴与刀柄1相连，筒体2的另一端设有螺纹结构并与筒体下盖8螺纹连接。在本实施例中，刀柄1为现有成熟技术设备。筒体2上的筒体轴穿设于刀柄1内部，刀柄1将筒体轴固定，继而将筒体2与刀柄1进行固连。
筒体2上有平行设计的长槽孔，长槽孔呈圆弧状结构，便于筒体内部的硬件电路板6上的蓝牙从机模块与外界接受装置进行无线通信。为防止使用过程中机床切削液等通过长槽孔进入筒体2内部造成硬件电路板6短路或腐蚀等状况出现，使用凝胶将上述便于无线通信的长槽孔进行密封。在本实施例中，硬件电路板6通过六角铜柱固定安装于筒体2中的电路板仓内，电池组3的电源线通过电池仓与电路板仓之间的电源线孔与电路板6连接。
电池仓的截面为矩形状，电池仓和电池盖5之间设有电池仓防水圈4，电池盖5通过电池仓防水圈4将电池仓进行密封。电池仓的轴线与筒体2的轴线互相垂直，筒体2上设有电池仓孔，电池仓孔分布在电池仓的四周。电池盖5上设有电池盖孔，螺栓依次穿过电池盖孔和电池仓孔将电池盖5与筒体2固连。在实际使用过程中，电池仓的截面可以为圆形等根据使用而定，电池仓防水圈4为O型圈，能够起到密封的作用。
筒体下盖8为阶梯状的柱状结构，筒体下盖8的端面为螺纹结构并与筒体2的端部螺纹连接，筒体下盖8的另一端设有外螺纹并与外套筒10螺纹连接。筒体下盖8的端部设有U形状的凹槽，内套筒11上设有销孔，销9依次穿过凹槽和销孔使内套筒11沿U形状的凹槽往返运动。外套筒10通过螺纹与筒体下盖8配合时对销9进行轴向和径向的限定。筒体下盖8的截面为圆环形，筒体下盖8与筒体2连接端部的截面圆环内径大于筒体下盖8的另一端的截面圆环内径。
筒体2和筒体下盖8之间设有电路板防水圈7，筒体下盖8与筒体2配合时，电路板防水圈7将电路板6密封于筒体2的电路板仓内。
在本实施例中，筒体下盖8的外表面设有便于使用扳手拧紧的平面，在使用过程中工作人员通过扳手夹住该平面，然后扭动筒体下盖8，使筒体下盖8与筒体2进行紧密配合。筒体下盖8中用于超声探头12的连接线与硬件电路板6相连的通孔，为了避免本发明在使用过程中机床的切削液从筒体下盖8流入筒体2内造成硬件电路板6出现短路或腐蚀等现象，因此使用凝胶将其密封。
超声探头12为现有成熟技术设备，超声探头12的安装不作轴向固定，即超声探头可相对于内套筒11进行轴向运动，此结构可使进入内套筒11的切削液等液体由此流出，减少内套筒11内的液体，避免意外发生。
筒体下盖8内部安装有弹簧13，内套筒11穿设于筒体下盖8内部并与弹簧13接触，超声探头12的端部依次穿过内套筒11和弹簧13后与硬件电路板6电连接。在实际使用过程中弹簧13始终处于压缩状态，利用弹簧13的弹力推动内套筒11与待测零件表面充分的接触，并在测量过程结束后实现复位。弹簧13的端部与筒体下盖8的腔内端部贴合，弹簧13的另一端与内套筒11紧密贴合。在未测量的状态下，即超声探头12未紧密贴合工件情况下，弹簧13处于压缩状态，内套筒11与超声探头12被弹簧推至最远端，本发明的长度处于最长的状态。在机床进行测量工作时，超声探头12与待测工件紧密接触后可进行适当压缩，弹簧13的压缩可使得超声探头12与被测工件紧密柔性接触。机床完成测量工作后，超声探头12离开待测工件表面后，在弹簧13的作用下，超声探头12可复位至最远端。
如图7所示，硬件电路板6包括电源管理模块、触发关断模块、升压模块、脉冲激励产生模块、滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、模数转换模块、FPGA主控模块和蓝牙传输模块，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升压模块、脉冲激励产生模块、滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、模数转换模块、FPGA主控模块和蓝牙传输模块。在本实施例中，电源管理模块、触发关断模块、升压模块、脉冲激励产生模块、滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、模数转换模块、FPGA主控模块和蓝牙传输模块均为现有成熟技术设备。
在本实施例中的硬件电路板6中，电源管理模块中的电源使用的是锂电池组。关断模块包括水银开关，水银开关控制整个装置的开通与关断。电源管理模块为本发明装置的各个模块提供相应的电压，升压模块产生高压驱动脉冲激励产生模块，脉冲激励产生模块产生170V的尖脉冲输出到超声探头的超声波发射端，超声波在待测工件内部进行多次反射后由超声探头的接收端接收。超声探头接收到的反射超声波含有较多噪声，经过滤波电路进行滤除，得到波形较好的模拟信号。模拟信号经过程控放大模块进行放大到合适的电压值，经过放大后的模拟信号经模数转换模块转换为数字信号，FPGA对数字信号进行比较筛选，得到最高波峰值及其时间，并同时得到最高波峰之后第二波峰值，并将得到的两次峰值数据及其前后两次采样值的数据通过蓝牙传输模块传输至电脑，进行厚度值计算。
如图8和图9所示，为了便于理解本发明的工作原理，将本发明的工作过程叙述一遍：
本发明通过刀柄1安装于机床主轴，在竖直状态下对处于平面上的待测零件进行测量。刀柄1通过机床数控系统的控制，机床主轴带动本发明装置与待测零件进行接触。为使超声探头12与待测零件进行良好接触，控制本发明尽量紧密接触待测零件。超声探头12在待测零件的压力作用下压缩弹簧13，内套筒11受到筒体下盖8端部边缘的U型槽的约束，进行直线运动而不能旋转。同时外套筒10使得销9受到U型槽开放端的约束，而避免销9运动脱离U型槽。并且外套筒10还对销9进行径向约束，避免其脱离内套筒11上的销孔。测得到数据通过蓝牙传输模块发送至外部接受模块，并于服务器电脑进行厚度值的计算。计算得到的厚度值传输至数控系统，对机床加工过程进行实时补偿。同时计算后的厚度数据值与装置状态通过外部显示器进行显示。
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 (5)

1.一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置，其特征在于：包括刀柄(1)、筒体(2)、筒体下盖(8)、销(9)、外套筒(10)、内套筒(11)和超声探头(12)，筒体(2)为圆柱状体结构，筒体(2)的外圆周面上向内开设有电池仓，电池组(3)位于电池仓内，电池仓上设有电池盖(5)，电池盖(5)与筒体(2)通过螺栓相连；刀柄(1)的端部与机床主轴相连，刀柄(1)的另一端与筒体(2)的端部相连，筒体(2)的另一端与筒体下盖(8)的端部相连，筒体(2)内设有电路板仓，硬件电路板(6)位于筒体(2)的电路板仓内；销(9)穿过筒体下盖(8)和内套筒(11)，外套筒(10)套设在内套筒(11)的外表面上，外套筒(10)的端部与筒体下盖(8)的另一端相连；超声探头(12)的端部穿过内套筒(11)内部后与硬件电路板(6)电连接，硬件电路板(6)与电池组(3)电连接；超声探头(12)将检测到的信号数据传递给硬件电路板(6)，然后通过硬件电路板(6)将信号数据传递给外部电脑进行数据计算；
所述筒体下盖(8)为阶梯状的柱状结构，筒体下盖(8)的端面为螺纹结构并与筒体(2)的端部螺纹连接，筒体下盖(8)的另一端设有外螺纹并与外套筒(10)螺纹连接；
所述筒体下盖(8)的端部设有U形状的凹槽，内套筒(11)上设有销孔，销(9)依次穿过凹槽和销孔使内套筒(11)沿U形状的凹槽往返运动；
所述筒体(2)和筒体下盖(8)之间设有电路板防水圈(7)，筒体下盖(8)与筒体(2)配合时，电路板防水圈(7)将硬件 电路板(6)密封于筒体(2)的电路板仓内；
所述筒体下盖(8)内部安装有弹簧(13)，内套筒(11)穿设于筒体下盖(8)内部并与弹簧(13)接触，超声探头(12)的端部依次穿过内套筒(11)和弹簧(13)后与硬件电路板(6)电连接；弹簧(13)的端部与筒体下盖(8)的腔内端部贴合，弹簧(13)的另一端与内套筒(11)紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置，其特征在于：所述筒体(2)为中空的柱状体结构，筒体(2)的端部设有筒体轴，筒体轴与刀柄(1)相连，筒体(2)的另一端设有螺纹结构并与筒体下盖(8)螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置，其特征在于：所述电池仓的截面为矩形状，电池仓和电池盖(5)之间设有电池仓防水圈(4)，电池盖(5)通过电池仓防水圈(4)将电池仓进行密封。
4.根据权利要求1所述的一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置，其特征在于：所述电池仓的轴线与筒体(2)的轴线互相垂直，筒体(2)上设有电池仓孔，电池仓孔分布在电池仓的四周；电池盖(5)上设有电池盖孔，螺栓依次穿过电池盖孔和电池仓孔将电池盖(5)与筒体(2)固连。
5.根据权利要求1所述的一种柔性接触的刀柄式在机超声测厚装置，其特征在于：所述硬件电路板(6)包括电源管理模块、触发关断模块、升压模块、脉冲激励产生模块、滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、模数转换模块、FPGA主控模块和蓝牙传输模块，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升压模块、脉冲激励产生模块、滤波模块、程控放大模块、高速AD模块、模数转换模块、FPGA主控模块和蓝牙传输模块。
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