CN113008176B - 一种适用于复杂曲面的自适应超声波在机测厚装置及测厚方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于复杂曲面的自适应超声波在机测厚装置及测厚方法，实现超声波探头在复杂曲面厚度测量点处实际法向的自适应找正，提高超声波在机测厚的精确性和稳定性。解决了由于现有待测工件的理论设计模型和实际加工模型存在区别，导致规划测量路径时，被测点法向出现偏差，降低厚度测量精确性的缺陷。

Description

一种适用于复杂曲面的自适应超声波在机测厚装置及测厚 方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，特别涉及一种适用于复杂曲面的自适应超声波在机测厚装置及测厚方法。

背景技术

在使用超声波技术对工件进行测厚的过程中，超声波探头的轴向必须与被测点的法向保持一致，如果超声波探头轴向与被测点法向产生偏离，超声波无法沿着被测点的法向入射，将会严重影响厚度测量的准确性。所以，超声波测厚工艺多应用于平板和薄壁圆管等易于确定法向的工件，复杂曲面工件的超声波测厚运用较少。

现阶段工厂工艺人员通常采用手持超声波测厚仪的方法对复杂曲面零件进行测厚，由于复杂曲面工件曲率大，探头与工件表面不易耦合，工艺人员仅凭工艺经验反复找正测量点法向，导致测量效率和精度低，该种测量方式已无法适应工业的发展。而在机自动测厚技术凭借其测量快，精度高，数据传输快的优点，以逐渐运用于工厂的实际生产中，但针对于复杂曲面零件，被测点法向的找正和超声波探头与复杂曲面的接触方式仍是关键问题。

2014年，中北大学的王明泉，李光亚在专利CN102494645A中公开一种基于超声的内腔尺寸精密测量装置及其方法，该方法通过搭建多探头壁厚超声波测量系统并结合上位机数据融合处理算法，实现了工件内腔尺寸的测量，但是该方法属于非接触液浸式测量，无法集成到数控机床上实现在机测量。2015年，大连理工大学的李如阳，廉盟等在专利CN105157630A中公开了一种接触式在机超声自动测厚的测量方法，该方法通过将超声波探头、柔性缓冲系统、探头到位自动检测系统集成，实现了薄壁件的自动化在机测量。但是该方法无法实现被测点法向的自动化找正。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明的目的是提出一种适用于复杂曲面的自适应超声波在机测厚装置及测厚方法，使得超声波探头轴向能够与被测点的实际法向保持一致，保证超声波在机测厚的精确性和稳定性。解决了由于现有待测工件的理论设计模型和实际加工模型存在区别，导致规划测量路径时，被测点法向出现偏差，降低厚度测量精确性的缺陷。

本发明的技术方案是：一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，包括刀柄式接头、弹簧套筒、缓冲弹簧、探头夹具、超声波探头、夹具螺盖和圆锥形延迟块；

所述刀柄式接头整体为柱状体，沿轴线开有通孔；一端开有外螺纹，另一端位于弹簧套筒内；刀柄式接头靠近另一端的外壁设有环形凸起，该环形凸起与弹簧套筒一端固连；

所述探头夹具整体为柱状体，沿轴线开有通孔，且该通孔与刀柄式接头上开的通孔轴线重合，作为导线孔；探头夹具外壁为多阶状，一端位于弹簧套筒中并通过台阶面进行限位，另一端与夹具螺盖连接；探头夹具与弹簧套筒内壁之间留有间隙；

所述超声波探头位于探头夹具的通孔中，另一端与圆锥形延迟块连接；

所述缓冲弹簧通过刀柄式接头和探头夹具进行固定，且初始状态下缓冲弹簧为压缩状态，探头夹具通过缓冲弹簧进行卡位固定；

初始状态下，刀柄式接头、弹簧套筒、缓冲弹簧、探头夹具、超声波探头、夹具螺盖和圆锥形延迟块轴线相互重合。

本发明进一步的技术方案是：所述探头夹具一端沿径向向外设有二阶凸起，凸起面与弹簧套筒内壁进行限位。

本发明进一步的技术方案是：所述刀柄式接头位于弹簧套筒中的端作为上弹簧导柱，探头夹具的小径凸起端作为下弹簧导柱；两个弹簧导柱相互不接触且内径相同。

本发明进一步的技术方案是：所述缓冲弹簧一端套在上弹簧导柱上，通过环形凸起进行限位，另一端套在下弹簧导柱上，通过大径凸起面进行限位。

本发明进一步的技术方案是：所述圆锥形延迟块材料为有机玻璃制成。

本发明进一步的技术方案是：所述圆锥形延迟块的圆锥角度为1.5°，延迟块底面直径为2mm。

本发明进一步的技术方案是：所述超声波探头为信号线埋入式探头，信号线处于探头尾部，用绝缘漆直接将接线口封装在超声波探头内部，避免接线口沾染切削液而短路。

本发明进一步的技术方案是：所述缓冲弹簧初始状态为压缩状态保证超声波探头轴向在非测量状态下始终与测厚装置轴向保持一致。

本发明进一步的技术方案是：一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置的测厚方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立在机测厚系统：将待测工件通过夹具进行夹紧，并位于机床上；测厚装置通过外螺纹与机床或机械手连接，超声波探头的引出线从导线孔引出后与UT-EDGE超声波云盒连接，UT-EDGE超声波云盒与计算机通过网线进行数据传输；

步骤2：进行缓冲弹簧压入深度标定实验，得出最佳弹簧压入深度h，包括以下子步骤：

子步骤2.1：根据待测工件的理论设计模型确定理论测量点P_i(i＝1,2,3,4,5)的坐标，然后根据弹簧压入深度h，来确定实际测量点P'_i(i＝1,2,3,4,5)的坐标；设理论测量点P_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i，单位外法矢向量为

实际测量点P'_i坐标为(X'_i,Y'_i,Z'_i)，则

子步骤2.2：定义S_i(i＝1,2,3,4,5)为每个测量点对应的测量开始点，安全高度为h₁；根据测量开始点坐标与实际测量点坐标P'_i生成数控代码；

子步骤2.3：对上述测量点进行在机测厚实验，评估不同的弹簧压入深度h_i得到的测厚数据的稳定性来确定最合适的弹簧压入深度，评估标准为测量的厚度数据的方差。最后选用方差最小的测厚数据对应的弹簧压入深度h_n作为最佳弹簧压入深度；

步骤3：在机测厚装置对工件表面进行壁厚测量点的法向找正，包括以下子步骤：

步骤3.1：开始测量时，自适应超声波在机测厚装置会以v₁mm/min的进给速度接近壁厚测量点；到达测量安全高度后，自适应超声波在机测厚装置a以v2mm/min的速度进给，其中v1大于v2；此时超声波探头的轴向与壁厚测量点的设计模型法向保持一致；

步骤3.2：超声波探头以v₂mm/min的速度接触壁厚测量点后，超声波探头继续沿着测量点法向向下运动；在接触力和缓冲弹簧的共同作用下，探头夹具带动超声波探头发生偏转，直到超声波探头的轴向和实际加工模型的法向保持一致，等待缓冲弹簧压缩至步骤2中设定的弹簧压入深度后，机床进行停顿，此时超声波探头进入稳定测量状态；

步骤3.3：测量结束后，超声波探头离开待测工件表面，在缓冲弹簧7的作用下，探头夹具11自动回正，探头轴向与设计模型法向保持一致；

步骤3.4：随后进入下一个点的测量，重复上述测量过程，直到完成所有点的测量；

步骤4：在机测厚装置a会根据数控程序完成所有壁厚测量点的检测，并通过网线将超声波波形从UT-EDGE超声波云盒传输到计算机中进行厚度计算和数据处理，最终完成全部检测。

本发明进一步的技术方案是：所述弹簧压入深度h为2mm。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明和现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明结构简单，易于装配，可与机床主轴或者机械手末端集成，适用性广。

(2)具有良好的保护性，可以承受较大冲击力，避免超声波探头的损伤和破坏。

(3)本装置根据曲面工件曲率特性设计了新型延迟块超声波探头结构，该延迟块为圆锥形，材料为有机玻璃，圆锥角度为1.5°，延迟块底面直径为2mm。延迟块的设计使得在测量曲面工件时，将现有探头的面面接触变为点面接触，大大提高了测量的准确性，提高了测量效率，同时使得超声波探头与曲面工件始终保持良好接触状态，便于高幅值信号的获取。

(4)设计了柔性缓冲结构，将附图1中的缓冲弹簧与探头夹具通过探头夹具上方的二级阶梯环面进行连接，利用弹簧的弹性减少探头与工件接触时的冲击，降低探头损伤的风险。

(5)设计了超声波探头自适应调整机制，由附图1中的弹簧套筒，缓冲弹簧，下弹簧导柱，探头夹具组成，弹簧套筒与探头夹具之间有一个微小的空隙，当超声波探头与复杂曲面零件接触受力后，由于空隙的存在，探头夹具夹持着超声波探头不仅会发生轴向的平移运动也会发生旋转运动，即不仅能够沿着装置轴线进行平移运动，而且可以使得探头夹具发生微小角度的旋转运动实现工件被测点法向的自动找正，提高厚度测量精度。

(6)设计了超声波探头回正结构，附图1中的上弹簧导柱，缓冲弹簧构成，本发明在组装时，缓冲弹簧会有一个初始压缩量，在该弹簧力的作用下保证超声波探头轴向在非测量状态下始终与测厚装置轴向保持一致，提高测量动作的可重复性，保证该装置在倾斜时超声波探头轴线方向不会发生偏移，大大提高测量的精确性和稳定性。

(7)设计了刀柄式接头和装置内部信号线走线方式，密封性好，可以适应机床内的复杂环境，内部走线方式和埋入式超声波探头可以保护装置内部的超声波探头和信号线不被机床内的切削液或者切屑污染，附图1中夹具用密封圈和探头用密封圈可以进一步隔绝切削液。

附图说明

图1为复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置的剖视图。

图2为复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置的俯视图。

图3为复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置法向找正原理图。

图4为缓冲弹簧压入深度标定实验原理图。

图5为缓冲弹簧压入深度为2mm时的测厚数据图。

图6为超声波在机测厚系统示意图。

其中：1-连接螺纹，2-刀柄式接头，3-导线孔，4-连接螺栓，5-弹簧套筒，6-上弹簧导柱，7-缓冲弹簧，8-下弹簧导柱，9-固定螺栓，10-夹具用密封圈，11-探头夹具，12-超声波探头，13-夹具螺盖，14-探头用密封圈，15-圆锥形延迟块；

a-自适应超声波在机测厚装置，b-UT-EDGE超声波云盒，c-上位计算机，d-宽弦空心风扇叶片，e-顶针，f-叶片夹具，g-机床导轨。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。

参见图1-图6，一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其主要特征包括刀柄式接头2、弹簧套筒5、缓冲弹簧7、探头夹具11、超声波探头12、夹具螺盖13和锥形延迟块15组成。本发明结构小巧，整体长度为95mm，最大直径为40mm，装置的材料为铝合金7075，整体重量为0.65kg。所述的超声波在机测厚装置a中，将探头用密封圈14放置入探头夹具11的密封圈槽中，圆锥形延迟块15与超声波探头12连接后，从下方安装入探头夹具11，将夹具螺盖13通过螺纹与探头夹具11连接，完成超声波探头的初步轴向固定。使用固定螺栓9从探头夹具11上方拧入，完成超声波探头12在探头夹具11中的最终固定。将夹具用密封圈10放入弹簧套筒5的密封圈槽中，将固定完成的探头夹具11整体从弹簧套筒5上方放入，缓冲弹簧7通过探头夹具上方的下弹簧导柱8和刀柄式接头2下方的上弹簧导柱6进行固定。刀柄式接头2和弹簧套筒5通过连接螺栓4环形均布连接，超声波在机测厚装置通过连接螺纹1与机床或机械手连接。所述探头夹具11和超声波探头12之间通过密封圈进行密封。探头夹具11和弹簧套筒5之间通过密封圈进行密封。本实施例中，超声波探头的频率为7.5MHz。

基于上述装置的测厚方法包括以下步骤：

步骤一：超声波在机测厚装置a装配。将探头用密封圈14放置入探头夹具11的密封圈槽中，圆锥形延迟块15与超声波探头12连接后，从下方安装入探头夹具11，本发明所使用圆锥形延迟块下底面直径为3mm,整体长度为12mm，所使用超声波探头为信号线埋入式探头，无暴露式信号线接口。将夹具螺盖13通过螺纹与探头夹具11连接，完成超声波探头的初步轴向固定。使用固定螺栓9从探头夹具11上方拧入，完成超声波探头12在探头夹具11中的最终固定。将夹具用密封圈10放入弹簧套筒5的密封圈槽中，将固定完成的探头夹具11整体从弹簧套筒5上方放入，缓冲弹簧7通过探头夹具上方的下弹簧导柱8和刀柄式接头2下方的上弹簧导柱6进行固定。刀柄式接头2和弹簧套筒5通过连接螺栓4环形均布连接，超声波在机测厚装置通过连接螺纹1与机床或机械手连接。自适应超声波在机测厚装置a将信号线从导线孔3中引出，与UT-EDGE超声波云盒b连接，UT-EDGE超声波云盒b与计算机c通过网线进行数据传输。

步骤二：缓冲弹簧压入深度标定实验。由于理论设计模型和实际加工模型并不完全相同，仅以壁厚测量点在理论设计模型中的坐标进行后置处理得到测量数控程序，有可能使得探头无法接触到叶片，从而导致厚度数据读取缺失。所以本发明提出：在进行数控机床程序生成时，以理论坐标点为基础，将探头的实际测量点沿测量点法向向叶片内部偏置一个弹簧压入深度h，保证探头能够接触到叶片，并标定出最合适的弹簧压入深度h，在不破坏探头的基础上，保证厚度数据获取的稳定性。如图4所示，选用一块厚度为2.90mm的TC4平板，首先根据理论设计模型确定理论测量点P_i(i＝1,2,3,4,5)的坐标,然后根据不同的弹簧压入深度h，来确定实际测量点P'_i(i＝1,2,3,4,5)的坐标。S_i(i＝1,2,3,4,5)为每个测量点对应的测量开始点，安全高度为10mm，然后根据测量开始点坐标与实际测量点坐标生成数控代码，对上述测量点进行在机测厚实验。最后评估不同的弹簧压入深度h得到的测厚数据的稳定性来确定最合适的弹簧压入深度h，评估标准为测量数据的方差，选用方差最小的测厚数据对应的弹簧压入深度h。如图5所示，通过标定实验可以得到结论，在弹簧压入深度h为2mm时，超声波探头12与TC4平板充分接触，厚度数据获取十分稳定。

步骤三：宽弦空心风扇叶片壁厚在机测量。如图6所示，首先将宽弦空心风扇叶片通过顶针e和叶片夹具f安装到机床上。然后根据理论壁厚测量点的坐标信息、理论壁厚测量点的法矢方向和标定的弹簧压入深度生成空心叶片壁厚测量的数控程序。最后，自适应超声波在机测厚装置a会根据数控程序完成所有壁厚测量点的检测，并通过网线将超声波波形从UT-EDGE超声波云盒b传输到计算机c中进行厚度计算和数据处理。

自适应超声波在机测厚装置a进行复杂曲面测厚会按照图3所示原理进行壁厚测量点的法向找正。首先，在开始测量时，自适应超声波在机测厚装置a会以3000mm/min的进给速度接近壁厚测量点。到达测量安全高度后，自适应超声波在机测厚装置a会以50mm/min的速度进给，此时超声波探头12的轴向与壁厚测量点的设计模型法向保持一致。然后，超声波探头12会慢慢与壁厚测量点接触，由于弹簧压入深度h的存在，接触后，超声波探头12仍会继续沿着测量点法向向下运动，由于理论设计模型法向和实际加工模型法向存在区别，在接触力和缓冲弹簧7的共同作用下，探头夹具11会带动超声波探头12发生微小角度的偏转，直到超声波探头12的轴向和实际加工模型的法向保持一致，等待缓冲弹簧7压缩到既定的压入深度，机床会停顿10秒，此时超声波探头12进入稳定测量状态。最后，测量结束，超声波探头12以3000mm/min的进给速度离开空心叶片表面，在缓冲弹簧7的作用下，探头夹具11自动回正，探头轴向与设计模型法向保持一致，随后进入下一个点的测量程序，重复上述测量过程，直到完成所有点的测量。

对宽弦空心风扇叶片分别使用自适应超声波在机测厚装置a和人工手持测厚仪方法分别进行测厚，获得的测量结果如表1所示。在测量过程中，自适应超声波在机测厚装置a获得的壁厚测量数据稳定性好，精确性高，和人工手持测量得到的叶片壁厚数据偏差最大不超过0.02mm，同时大大节省了测量时间。从该对比结果可以说明，本发明可以适用于复杂曲面工件的厚度在机测量，且可以保证测厚精度。

表1空心风扇叶片超声波在机测厚结果

Claims (10)

1.一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其特征在于，包括刀柄式接头(2)、弹簧套筒(5)、缓冲弹簧(7)、探头夹具(11)、超声波探头(12)、夹具螺盖(13)和圆锥形延迟块(15)；

所述刀柄式接头(2)整体为柱状体，沿轴线开有通孔；一端开有外螺纹，另一端位于弹簧套筒(5)内；刀柄式接头(2)靠近另一端的外壁设有环形凸起，该环形凸起与弹簧套筒(5)一端固连；

所述探头夹具(11)整体为柱状体，沿轴线开有通孔，且该通孔与刀柄式接头(2)上开的通孔轴线重合，作为导线孔(3)；探头夹具(11)外壁为多阶状，一端位于弹簧套筒(5)中并通过台阶面进行限位，另一端与夹具螺盖(13)连接；探头夹具(11)与弹簧套筒(5)内壁之间留有间隙；

所述超声波探头(12)位于探头夹具(11)的通孔中，另一端与圆锥形延迟块(15)连接；

所述缓冲弹簧(7)通过刀柄式接头(2)和探头夹具(11)进行固定，且初始状态下缓冲弹簧(7)为压缩状态，探头夹具(11)通过缓冲弹簧(7)进行卡位固定；

初始状态下，刀柄式接头(2)、弹簧套筒(5)、缓冲弹簧(7)、探头夹具(11)、超声波探头(12)、夹具螺盖(13)和圆锥形延迟块(15)轴线相互重合。

2.如权利要求1所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其特征在于，所述探头夹具(11)一端沿径向向外设有二阶凸起，凸起面与弹簧套筒(5)内壁进行限位。

3.如权利要求1所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其特征在于，所述刀柄式接头(2)位于弹簧套筒(5)中的端作为上弹簧导柱(6)，探头夹具(11)的小径凸起端作为下弹簧导柱(8)；两个弹簧导柱相互不接触且内径相同。

4.如权利要求1所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其特征在于，所述缓冲弹簧(7)一端套在上弹簧导柱(6)上，通过环形凸起进行限位，另一端套在下弹簧导柱(8)上，通过大径凸起面进行限位。

5.如权利要求1所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其特征在于，所述圆锥形延迟块(15)材料为有机玻璃制成。

6.如权利要求5所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其特征在于，所述圆锥形延迟块(15)的圆锥角度为1.5°，延迟块底面直径为2mm。

7.如权利要求1所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其特征在于，所述超声波探头(12)为信号线埋入式探头，信号线处于探头尾部，用绝缘漆直接将接线口封装在超声波探头内部，避免接线口沾染切削液而短路。

8.如权利要求1所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置，其特征在于，所述缓冲弹簧(7)初始状态为压缩状态保证超声波探头轴向在非测量状态下始终与测厚装置轴向保持一致。

9.基于权利要求1所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置的测厚方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立在机测厚系统：将待测工件通过夹具进行夹紧，并位于机床上；测厚装置通过外螺纹与机床或机械手连接，超声波探头(12)的引出线从导线孔引出后与UT-EDGE超声波云盒连接，UT-EDGE超声波云盒与计算机通过网线进行数据传输；

步骤2：进行缓冲弹簧压入深度标定实验，得出最佳弹簧压入深度，包括以下子步骤：

子步骤2.1：根据待测工件的理论设计模型确定理论测量点P_i的坐标，其中i＝1,2,3,4,5 ；然后根据弹簧压入深度h，来确定实际测量点P'_i的坐标，其中i＝1,2,3,4,5设理论测量点P_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，单位外法矢向量为

实际测量点P'_i坐标为(X'_i,Y'_i,Z'_i)，则

子步骤2.2：定义S_i为每个测量点对应的测量开始点，其中i＝1,2,3,4,5，安全高度为h₁；根据测量开始点坐标与实际测量点坐标P'_i生成数控代码；

子步骤2.3：对上述测量点进行在机测厚实验，评估不同的弹簧压入深度h_i得到的测厚数据的稳定性来确定最合适的弹簧压入深度，评估标准为测量的厚度数据的方差；最后选用方差最小的测厚数据对应的弹簧压入深度h_n作为最佳弹簧压入深度；

步骤3：在机测厚装置对工件表面进行壁厚测量点的法向找正，包括以下子步骤：

步骤3.1：开始测量时，自适应超声波在机测厚装置会以v₁mm/min的进给速度接近壁厚测量点；到达测量安全高度后，自适应超声波在机测厚装置a以v2mm/min的速度进给，其中v1大于v2；此时超声波探头的轴向与壁厚测量点的设计模型法向保持一致；

步骤3.2：超声波探头以v₂mm/min的速度接触壁厚测量点后，超声波探头继续沿着测量点法向向下运动；在接触力和缓冲弹簧的共同作用下，探头夹具带动超声波探头发生偏转，直到超声波探头的轴向和实际加工模型的法向保持一致，等待缓冲弹簧压缩至步骤2中设定的弹簧压入深度后，机床进行停顿，此时超声波探头进入稳定测量状态；

步骤3.3：测量结束后，超声波探头离开待测工件表面，在缓冲弹簧(7)的作用下，探头夹具(11)自动回正，探头轴向与设计模型法向保持一致；

步骤3.4：随后进入下一个点的测量，重复上述测量过程，直到完成所有点的测量；

步骤4：在机测厚装置a会根据数控程序完成所有壁厚测量点的检测，并通过网线将超声波波形从UT-EDGE超声波云盒传输到计算机中进行厚度计算和数据处理，最终完成全部检测。

10.如权利要求9所述的一种复杂曲面工件自适应超声波在机测厚装置的测厚方法，其特征在于，所述弹簧压入深度h为2mm。

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