CN111854655B - 适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统及测厚方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统及测厚方法，包括法向调整装置、耦合剂喷口装置以及数据采集和处理装置，所述耦合剂喷口装置安装在法向调整装置上，所述数据采集和处理装置分别与法向调整装置、耦合剂喷口装置通讯连接，数据采集和处理装置能够控制法向调整装置驱使耦合剂喷口装置运动，本发明使用非接触式超声波探头，采用耦合剂喷口流道的结构，使水浸式探头完全浸没在耦合剂中，解决了非接触、无摩擦、高速的厚度测量，并具备法向控制功能，能够实现高精度的原位厚度测量，也能够实现外表面复杂曲面的厚度测量，能够实现连续快速测量，寿命长，应用范围广泛。

Description

适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统及测厚方法

技术领域

本发明涉及厚度测量技术领域，具体地，涉及一种适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统及测厚方法。

背景技术

当前形势下，现代制造业不断向高精度，高效率，智能化的方向发展，尤其是在航空航天，交通运输等领域，这不仅需要加工制造方法的进步，同时也对检测手段提出了越来越高的要求。对于在航空航天领域常见的大型薄壁件的高效、高精度厚度检测成为当前的技术难点。超声波测厚可用于厚度测量，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

专利文献CN209069230U公开了一种超声波测厚仪，包括：主机，其外壳的侧壁固定有第一板体，所述第一板体由顶面向下延伸形成第一插槽；超声波探头；耦合剂装置，其包括固定头和耦合剂容器，所述固定头朝向第一插槽的面固定有L形的第一卡板，所述第一卡板可插入所述第一插槽以对固定头固定，所述耦合剂容器可拆卸的固定于固定头上；砂纸组件，其可拆卸的固定于固定头朝外的一侧。但该设计不能满足对于数控车床需要法向调整以适应被加工工件复杂曲面测厚的需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统及测厚方法。

根据本发明提供的一种适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，包括法向调整装置、耦合剂喷口装置以及数据采集和处理装置；

所述耦合剂喷口装置安装在法向调整装置上；

所述数据采集和处理装置分别与法向调整装置、耦合剂喷口装置通讯连接；

数据采集和处理装置能够控制法向调整装置驱使耦合剂喷口装置运动。

优选地，所述法向调整装置包括电机外壳10、盖板11以及伺服电机12；

所述伺服电机12安装在电机外壳10的内部；

所述盖板11匹配安装在电机外壳10上。

优选地，所述法向调整装置还包括防水接线口13以及两个探头支架安装孔14；

所述防水接线口13设置在盖板11上；

所述两个探头支架安装孔14对称设置在电机外壳10的两侧。

优选地，耦合剂喷口装置包括喷口流道20、超声波探头21、入口流道22、探头密封圈23以及探头支架24；

所述入口流道22安装在喷口流道20和探头支架24之间；

所述喷口流道20上设置有喷口流道通孔201；

所述入口流道22轴向方向上设置有入口流道通孔221，所述入口流道22径向方向上设置有与入口流道通孔221相连通的流道孔222；

所述超声波探头21的一端安装在探头支架24的内部，所述超声波探头21的另一端延伸至入口流道通孔221中；

所述探头密封圈23设置在超声波探头21和探头支架24之间；

所述超声波探头21、喷口流道通孔201、入口流道通孔221轴向方向的中心线重合；

所述探头支架24通过探头支架安装孔14匹配安装在电机外壳10上。

优选地，所述探头支架24包括固定端241以及转动端242；

所述转动端242的一端紧固安装固定端241，所述转动端242的另一端通过两个探头支架安装孔14匹配安装在电机外壳10上。

优选地，耦合剂喷口装置还包括密封圈141、轴套142以及法兰盘143；

所述转动端242为U型结构，所述转动端242的两侧分别设置有转动端孔2421；

所述法兰盘143上设置有与法兰盘143一体连接的转轴，法兰盘143上的转轴的一端依次穿过转动端孔2421、探头支架安装孔14并延伸至电机外壳10的内部，所述法兰盘143的另一端紧固安装在转动端242上；

轴套142、密封圈141依次套装在法兰盘143转轴上并安装在探头支架安装孔14内；

所述伺服电机12能够驱使法兰盘143带动转动端242转动。

优选地，所述数据采集和处理装置包括超声波测厚仪、控制器以及伺服舵机驱动器；

所述超声波测厚仪能够获取超声波探头21采集的数据并将采集的数据输送给控制器；

所述控制器通过获得的数据指导伺服舵机驱动器控制伺服电机12动作。

优选地，所述数据采集和处理装置还包括数控系统以及电池；

所述数控系统与所述控制器通讯连接；

所述电池给控制器以及伺服电机12供电。

优选地，所述控制器采用无线WIFI与所述数控系统通讯。

根据本发明提供的一种适用于数控车床的非接触式超声波测厚方法，采用所述的适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，包括如下步骤：

步骤一、将法向调整装置、耦合剂喷口装置通过刀柄接口安装到车床上，连接数据线和耦合剂接管，利用车床冷却液作为超声波耦合剂，测试通信；

步骤二、车床打开冷却液，对刀，利用标准块进行校准；

步骤三、将被测工件60外表面参数导入控制器，有内置程序生成测厚轨迹，同时将车床轨迹导入数控系统；

步骤四、开始测量，打开冷却液；

步骤五、车床按步进给，每一步完成进给后发出信号到控制器，控制器根据接收到的信号调整超声波探头21法向，采集数据；

步骤六、控制器数据采集完成后发送当前完成信号到数控系统，数控系统重复步骤五；

步骤七、全部测点测量完成后关闭冷却液，控制器整理数据得出被测薄壁环形工件厚度分布，生成刀路补偿信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明基于数控车床设计的超声波厚度测量系统，使用非接触式超声波探头，并具备法向控制功能，能够实现高精度的原位厚度测量，也能够实现外表面复杂曲面的厚度测量，高效实用。

2、通过采用耦合剂喷口流道20的结构，解决了水浸式超声波探头需要完全浸没在耦合剂的工作环境的问题，从而避免将整个零件浸没在水箱，降低了成本。

3、采用水浸式超声波探头，解决了非接触、无摩擦的厚度测量，可以连续测量，测量速度快，寿命长。

4、装置采用内置电源，无线通信，整个装置只在内部有线连接，与外部实现无线通信，结构集成度高。

5、控制器采用Linux内核操作系统，具备多种接口，方便接入当地互连网，适应性强，方便二次开发。

6、法向调整装置通过刀柄接口直接与车床相连，安装拆卸方便。

7、本发明通过内置程序与数控系统通信，实现了整个测量过程的全自动化，具有很好的集成性和较广的应用范围，适用于各类数控车床及数控系统，对不同被测工件60外形具有良好的适应能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为法向调整装置和耦合剂喷口装置的结构示意图；

图2为法向调整装置的结构示意图；

图3为耦合剂喷口装置的截面示意图；

图4为耦合剂喷口装置的爆炸示意图；

图5为本发明的控制原理示意图；

图6为法向调整装置和耦合剂喷口装置在车床上的安装示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，包括法向调整装置、耦合剂喷口装置以及数据采集和处理装置，所述耦合剂喷口装置可转动的安装在法向调整装置上，所述数据采集和处理装置分别与法向调整装置、耦合剂喷口装置通讯连接，本发明基于数控车床设计的超声波厚度测量系统，使用非接触式超声波探头，并具备法向控制功能，能够实现高精度的原位厚度测量，也能够实现外表面复杂曲面的厚度测量，高效实用。

具体地，如图1、图2所示，所述法向调整装置包括电机外壳10、盖板11以及伺服电机12，所述伺服电机12安装在电机外壳10的内部，所述电机外壳10能够有效固定伺服电机12，所述盖板11匹配安装在电机外壳10上，在一个优选例中，盖板11与电机外壳10的连接处设置有密封垫，盖板11通过螺钉与电机外壳10紧固连接，法向调整装置还包括防水接线口13以及两个探头支架安装孔14，所述防水接线口13设置在盖板11上，由于法向调整装置工作在耦合剂大量喷射的环境中，因此采用盖板11以及盖板11上的防水接线口13使伺服电机12的线缆通过防水接线口13进入，有效的将伺服电机12与外部环境隔离，防止伺服电机12扭矩输出轴进水，影响电机的正常运转。法相调整部分主要功能为调整超声波探头21的朝向，以保持其始终垂直于被测零件被加工曲面的法向。

进一步地，在一个优选例中，伺服电机12采用微型伺服舵机，伺服电机通过输出轴输出扭矩调整探头支架24的角度，保持超声波探头21方向在一定单位内始终垂直于工件表面。微型伺服舵机通过磁编码反馈控制，有较高的定位和重复定位精度，同时提供较大的输出扭矩，减少测量时的震动，提高测量精度。

具体地，如图3所示，耦合剂喷口装置包括喷口流道20、超声波探头21、入口流道22、探头密封圈23以及探头支架24，所述入口流道22安装在喷口流道20和探头支架24之间；所述喷口流道20上设置有喷口流道通孔201；所述入口流道22上设置有入口流道通孔221以及与入口流道通孔221相连通的流道孔222，所述超声波探头21的一端安装在探头支架24的内部，所述超声波探头21的另一端延伸至入口流道通孔221中，当耦合剂通过流道孔222进入喷口流道20，从喷口流道20喷出射向被测工件60，构成了由超声波探头21到被测工件60表面的耦合剂环境，能够实现精确高效测量。通过采用耦合剂喷口流道20的结构，解决了水浸式探头需要完全浸没在耦合剂的工作环境的问题，从而避免将整个被测工件60浸没，降低了成本。通过采用水浸式超声波探头21，解决了非接触、无摩擦、高速连续的厚度测量，解决了现有技术中接触式探头测量只能针对单个被测点挤压测量、效率低下易磨损的问题，而非接触探头可以连续测量，测量速度快，寿命长。

进一步地，所述探头密封圈23设置在超声波探头21和探头支架24之间，探头密封圈23能够有效防止进入入口流道通孔221中的耦合剂从超声波探头21和探头支架24之间漏出，同时也起到了固定超声波探头21的作用。所述超声波探头21、喷口流道通孔201、入口流道通孔221的中心线重合，所述两个探头支架安装孔14对称设置在电机外壳10的两侧；所述探头支架24通过探头支架安装孔14匹配安装在电机外壳10上。

具体地，如图1、图2、图3、图4所示，所述探头支架24包括固定端241以及转动端242；所述转动端242的一端紧固安装固定端241，例如通过相匹配的螺栓孔以及配套的螺栓紧固连接；所述转动端242的另一端通过两个探头支架安装孔14匹配安装在电机外壳10上，在一个优选例中，耦合剂喷口装置还包括密封圈141、轴套142以及法兰盘143，转动端242为U型结构，所述转动端242的两侧分别设置有转动端孔2421；所述法兰盘143上设置有与法兰盘143一体连接的转轴，法兰盘143上的转轴的一端依次穿过转动端孔2421、探头支架安装孔14并延伸至电机外壳10的内部，所述法兰盘143的另一端紧固安装在转动端242上；轴套142、密封圈141依次套装在法兰盘143转轴上并安装在探头支架安装孔14内，所述伺服电机12能够驱使法兰盘143带动探头支架24转动从而实现调整超声波探头21朝向的功能。

进一步地，伺服电机12的扭矩输出轴通过法兰盘143和探头支架24相连接，用以输出扭转动力，喷口流道20的主要功能为通过喷射耦合剂为水浸式超声波探头21提供液体环境，超声波探头21通过发射超声波并接收工件内外表面的反射波，通过分析反射波时间差测量厚度。

为了保持测量的稳定和精确，本发明采用水浸式超声波探头，探头和被测工件60表面都需要充满耦合剂，超声波探头21通过发射并接收被待测表面反射的声波测量厚度，超声波穿透力强，稳定性好，可测量多种材料厚度。区别于接触式超声波探头，非接触式探头不需要与工件表面有压力就可完成测量，省略了测量端工件表面法向进给，节约时间，同时不会磨损探头和工件。水浸式超声波探头量程为0.1mm到16mm，测量时探头与被测工件60表面由厚度约为2到10㎜耦合剂层填充，避免探头和工件表面的机械接触，可与被测工件60保持相对运动的过程中完成测量。有较高的测量速度和精度。

具体地，所述数据采集和处理装置包括超声波测厚仪、控制器以及伺服舵机驱动器；所述超声波测厚仪能够获取超声波探头21采集的数据并将采集的数据输送给控制器，超声波测厚仪主要用途是收集并放大处理超声波探头21采集的数据，通过RS232串口输出到控制器，所述控制器通过获得的数据指导伺服舵机驱动器控制伺服电机12动作，伺服舵机驱动器用以驱动伺服电机12运动，控制器的主要功能为读取和储存测厚仪采集的数据，调控伺服电机12运动，完成耦合剂喷口装置法向调整。

进一步地，在一个优选例中，控制器采用第四代树莓派，树莓派基于ARM架构，外形仅有信用卡大小，但是具备所有PC的基本功能，实现数据处理和通信。第四代树莓派采用了性能更高的12GHz，ARM Cortex-A72处理器，同时具有较高的集成性，具有多种接口以及适用于多种通信协议，可与数控系统上位机，超声波数据采集仪，伺服舵机进行通讯，还具备工业物联网接口；另外树莓派使用基于Linux的操作系统，有较高的兼容性，便于进一步开发。

进一步地，控制器接收数控系统上位机通讯，和车床协同控制测量；在一次测量完成后保存和输出厚度数据，为数控系统控制车床提供刀路补偿信息，电池为控制器以及伺服电机12供电，与数控系统的通信为无线WIFI，与外部实现无线通信，装置采用内置电源，结构集成度高。

具体地，如图6所示，超声波测厚系统安装在车床上，控制器箱30安装在车床防护板40上，控制器、伺服舵机驱动器以及电池安装在控制器箱30内，用于数据分析和通信；法向调整装置、耦合剂喷口装置安装在车床刀方50上，朝向被测工件60，主要用途为加持并调整超声波探头方向，安装拆卸方便。其中，伺服电机12的供电线路通过防水接线口13进入控制器箱30中；超声波探头21的信号线也与控制器箱30中的控制器连接。

本发明通过采用微型伺服舵机法向调整结构，解决了超声波探头法向对正的问题，自动适应被测薄壁环形工件外表面复杂曲面，对人工难以测量的曲面有很好的适应性；通过采用控制器，解决了数据处理和电机控制的问题。控制器有高集成性和可开发性，对数据处理、电机控制、上位机通讯均有良好的表现，同时可接入工业互联网，对大数据分析有广泛的适应性和应用前景。

本发明中所述的薄壁环形工件外表面复杂曲面中薄壁通常指壁厚小于16mm，或径厚比大于100，同时也与薄壁环形工件的材料有关。同时在具体地测量中也要考虑超声波探头的测量量程，与薄壁环形工件相匹配。

具体地，本发明中的“薄壁”意指本系统更适合对加工过程中的易变形、径厚比较大的环形工件进行测量。

如图5所示，在线非接触式超声波测厚系统的工作原理如下：

在准备阶段，先完成测厚系统在车床上的安装和校准，车床对刀，刀轴到达初始位置，连接车床冷却液管道到流道孔222，打开冷却液，利用车床冷却液作为耦合剂，冷却液从流道孔222进入到喷口流道通孔201，从喷口流道20持续喷射到工件表面，形成稳定的耦合剂膜；通过无线网络将被测薄壁环形工件外表面模型的参数导入到控制器中，构建外表面曲面法向数据集，发送准备完成信号，准备开始测量。

在测量阶段，车床的运动轨迹和切削加工轨迹类似，车床刀架夹持测厚系统，运动到第一个待测高度，完成后发送就位信息到控制器。控制器接收就位信息后，根据先前生成的曲面参数，调整耦合剂喷口装置的角度，以保证超声波探头21始终垂直于被测工件60表面，调整完毕后开始读取超声波测厚仪采集的数据。完成规定量数据采集后发送信息到数控系统，数控系统调整刀架位置，刀轴进给到下一被测高度，再次完成测量，直到垂直方向上所有位置均完成测量，测量结束。控制器整理数据得出被测薄壁环形工件厚度分布，生成刀路补偿信息，从而辅助车床进一步加工。

应用在数控车床上的在线非接触式超声波测厚系统通过微型伺服舵机，实现了在数控车床上薄壁环形工件厚度测量的法向调控，构建耦合剂喷射流道，为水浸式超声波探头提供水膜，实现车床上的曲面薄壁零件的高频，高速，非接触的在线原位厚度测量。装置通过内置程序与数控系统通信，实现了整个测量过程的全自动化，具有很好的集成性和较广的应用范围，适用于各类数控车床及数控系统，对不同被测工件60外形具有良好的适应能力。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，其特征在于，包括法向调整装置、耦合剂喷口装置以及数据采集和处理装置；

所述耦合剂喷口装置安装在法向调整装置上；

所述数据采集和处理装置分别与法向调整装置、耦合剂喷口装置通讯连接；

数据采集和处理装置能够控制法向调整装置驱使耦合剂喷口装置运动；

所述法向调整装置包括电机外壳(10)、盖板(11)以及伺服电机(12)；

所述伺服电机(12)安装在电机外壳(10)的内部；

所述盖板(11)匹配安装在电机外壳(10)上；

所述法向调整装置还包括防水接线口(13)以及两个探头支架安装孔(14)；

所述防水接线口(13)设置在盖板(11)上；

所述两个探头支架安装孔(14)对称设置在电机外壳(10)的两侧；

耦合剂喷口装置包括喷口流道(20)、超声波探头(21)、入口流道(22)、探头密封圈(23)以及探头支架(24)；

所述入口流道(22)安装在喷口流道(20)和探头支架(24)之间；

所述喷口流道(20)上设置有喷口流道通孔(201)；

所述入口流道(22)轴向方向上设置有入口流道通孔(221)，所述入口流道(22)径向方向上设置有与入口流道通孔(221)相连通的流道孔(222)；

所述超声波探头(21)的一端安装在探头支架(24)的内部，所述超声波探头(21)的另一端延伸至入口流道通孔(221)中；

所述探头密封圈(23)设置在超声波探头(21)和探头支架(24)之间；

所述超声波探头(21)、喷口流道通孔(201)、入口流道通孔(221)轴向方向的中心线重合；

所述探头支架(24)通过探头支架安装孔(14)匹配安装在电机外壳(10)上；

耦合剂喷口装置还包括密封圈(141)、轴套(142)以及法兰盘(143)；

所述探头支架(24)包括转动端(242)，所述转动端(242)为U型结构，所述转动端(242)的两侧分别设置有转动端孔(2421)；

所述法兰盘(143)上设置有与法兰盘(143)一体连接的转轴，法兰盘(143)上的转轴的一端依次穿过转动端孔(2421)、探头支架安装孔(14)并延伸至电机外壳(10)的内部，所述法兰盘(143)的另一端紧固安装在转动端(242)上；

轴套(142)、密封圈(141)依次套装在法兰盘(143)转轴上并安装在探头支架安装孔(14)内；

所述伺服电机(12)能够驱使法兰盘(143)带动转动端(242)转动。

2.根据权利要求1所述的适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，其特征在于，所述探头支架(24)还包括固定端(241)；

所述转动端(242)的一端紧固安装固定端(241)，所述转动端(242)的另一端通过两个探头支架安装孔(14)匹配安装在电机外壳(10)上。

3.根据权利要求1所述的适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，其特征在于，所述数据采集和处理装置包括超声波测厚仪、控制器以及伺服舵机驱动器；

所述超声波测厚仪能够获取超声波探头(21)采集的数据并将采集的数据输送给控制器；

所述控制器通过获得的数据指导伺服舵机驱动器控制伺服电机(12)动作。

4.根据权利要求3所述的适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，其特征在于，所述数据采集和处理装置还包括数控系统以及电池；

所述数控系统与所述控制器通讯连接；

所述电池给控制器以及伺服电机(12)供电。

5.根据权利要求4所述的适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，其特征在于，所述控制器采用无线WIFI与所述数控系统通讯。

6.一种适用于数控车床的非接触式超声波测厚方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的适用于数控车床的非接触式超声波测厚系统，包括如下步骤：

步骤一、将法向调整装置、耦合剂喷口装置通过刀柄接口安装到车床上，连接数据线和耦合剂接管，利用车床冷却液作为超声波耦合剂，测试通信；

步骤二、车床打开冷却液，对刀，利用标准块进行校准；

步骤三、将被测工件(60)外表面参数导入控制器，有内置程序生成测厚轨迹，同时将车床轨迹导入数控系统；

步骤四、开始测量，打开冷却液；

步骤五、车床按步进给，每一步完成进给后发出信号到控制器，控制器根据接收到的信号调整超声波探头(21)法向，采集数据；

步骤六、控制器数据采集完成后发送当前完成信号到数控系统，数控系统重复步骤五；

步骤七、全部测点测量完成后关闭冷却液，控制器整理数据得出被测薄壁环形工件厚度分布，生成刀路补偿信息。

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