CN114485497B - 一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置与方法，属于超声测量技术领域。该装置将电磁超声探头固定在夹钳式固定支架上，并集成到机器人上，通过对机器人离线编程实现电磁超声探头在双层薄壁结构复杂曲面母线上的扫描运动；在测量过程中，利用电磁超声探头间距、双层薄壁结构内外层厚度、电磁超声探头与内外表面提离距离解算得到双层薄壁结构配合间隙。本发明克服了双层薄壁结构难以接触部分配合间隙测量难题，采用电磁超声非接触测量方法，解算出配合间隙，在保证测量精度的基础上提高了检测效率，减少劳动强度，实现了双层薄壁结构配合间隙的快速测量。

Description

一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置与方法

技术领域

本发明属于超声测量技术领域，特别涉及一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置与方法。

背景技术

在航空航天装备中使用双层薄壁结构可以有效提高结构强度，在双层薄壁结构一次成型中，由于薄壁件尺寸差，刚度低，在旋压过程中无法严格保证精度导致在成型过程中存在配合间隙。当配合间隙过大时会影响后续的焊接加工，造成结构的不稳定，因此在加工质量检验环节中，测量双层薄壁结构的配合间隙是十分必要的。

对于透射性较强的材料可用光学共焦法测量双层结构的厚度和间隙，在工业加工中的小范围的间隙测量大多利用间隙尺手工测量；对于可视截面，可通过计算机视觉技术对双层结构间隙进行测量。对于复杂曲面非可视状态下双层薄壁结构的配合间隙，目前还缺少相关的测量途径。

对于机械加工中的间隙测量，目前相关领域学者已经进行了一部分研究，在专利《一种薄壁件靠模装夹贴合状态检测与评估方法》(申请号：CN201410476098.8)中，为解决薄壁件靠模装夹贴合状态难以精确判断的问题，利用超声扫描测量方法，通过对反射子波辨识、峰值提取及灰度比较，评估靠模装夹贴合状态；在专利《一种用于框架组件的同轴度和间隙测量装置》(申请号：CN202011106269.X)中，在规定的力的范围内，通过给固定在工作台单元上的框架组件施加作用力，然后通过间隙单元测量施力点对应面的微小位移确定装配间隙。

上述研究中，均未提及一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置与方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明针对双层薄壁结构配合间隙的测量难题，提供了一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置与方法。该装置通过法兰盘与机器人连接，将两个电磁超声探头置于装置末端，通过对机器人的运动控制实现对双层薄壁结构的扫描测量，在多自由度机器人系统的带动下，可适应对复杂曲面的扫描测量。通过超声线缆将电磁超声探头与工控机机箱连接，机箱内置的超声模块提供激励信号；测量前标定待测材料声速、电磁超声探头之间的距离以及提离距离-幅值函数；测量过程中采集两个电磁超声探头与双层薄壁结构内外表面的提离距离以及每层厚度；利用电磁超声探头间距、电磁超声探头与测点提离距离以及双层厚度值解算双层薄壁结构配合间隙大小。

本发明采用的技术方案为：

一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置，该装置安装于机器人末端，利用机器人的多自由度运动与转台配合完成对双层薄壁零件的厚度及提离距离测量。该超声测量装置包括夹钳式固定支架2、微型精密运动滑轨3、连接架4、夹持环5、电磁超声探头6、显示器9和工控机。通过工控机控制整个扫描测量过程并完成双层薄壁结构的间隙解算。

该装置通过法兰盘1与机器人末端连接；所述夹钳式固定支架2通过螺栓与法兰盘1连接固定，夹钳式固定支架2包括两个钳腿，钳腿上设有若干通孔以达到减重效果。所述微型精密运动滑轨3由导轨和滑块连接而成，其中导轨通过螺栓固定于夹钳式固定支架2的钳腿末端，滑块安装在导轨内可沿导轨滑动，滑块下表面与连接架4通过螺栓连接。所述连接架4下端连接夹持环5，夹持环5用于夹持电磁超声探头6，其内径通过自身的紧固螺栓进行微调从而在不磨损电磁超声探头的前提下将其夹紧。

微型精密运动滑轨3的滑块通过手动调距装置31调整位置，从而实现对两个电磁超声探头6间距调整，调整后利用锁紧按钮32进行锁紧，距离可调性使整个测量装置具有一定程度上的普适性。

所述电磁超声探头6的接口通过超声线缆与工控机机箱8内置的超声模块连接，机箱内置的超声模块包含超声卡、数据采集卡以及控制单元；所述线缆固定环7用于超声线缆穿过以防止缠绕发生危险。所述的超声模块发射脉冲电信号至电磁超声探头6，两个电磁超声探头6在夹钳式固定支架2的夹持下在被测零件内外两侧激励/接收超声波；接收到的回波信号在工控机中的测厚软件中完成厚度以及提离距离的计算，再利用厚度、提离距离、电磁超声探头间距完成双层薄壁结构间隙解算，并在显示器9中显示出实时数据。

一种利用上述双层薄壁结构配合间隙超声测量装置的超声测量方法，利用机器人的路径规划以及转台的回转运动完成测量，超声模块发送脉冲电信号至电磁超声探头6内置的线圈，工件表面产生感生电流在电磁超声探头6内置的永磁铁的作用下产生洛伦兹力，工件表面质点因此产生振动，振动以超声波的形式在零件内传播，遇到边界之后发生反射，再由电磁超声探头6接收到回波，数据采集卡对回波信号进行采集，完成A/D转换，在工控机中完成厚度及间隙计算。具体测量步骤如下：

步骤1测量系统组装

将装置通过法兰盘1与机器人系统连接，为适应不同工件壁厚尺寸的变化，在装置末端安装微型精密运动滑轨3，实现对电磁超声探头6间距进行微调，电磁超声探头6接口连接超声线缆，超声线缆另一端与工控机内置的超声模块连接。双层薄壁工件装夹在转台上，测量时利用机器人运动配合转台转动完成整个工件的扫描测量。

步骤2电磁超声测量装置标定

对一个与被测工件材料相同、厚度已知为L的标准件(L提前通过三坐标测量仪确定)进行标定，标定过程分为三步：一是被测材料中声速标定，二是提离距离与信号幅值的标定，三是两个电磁超声探头的间距标定。

具体如下：

使电磁超声探头6与标准件表面垂直(可接触测量)，采集超声回波信号后选取两个相邻脉冲信号，通过回波相似性匹配计算两个相邻回波的时间差Δt_c，则横波在该材料中的传播速度c_s为：

为了防止电磁超声探头在制造过程中阻抗存在差异，对两个电磁超声探头分别进行提离距离-幅值标定，利用距离分辨率较高的精密运动平台精确控制标定步长，建立提离距离-幅值标定曲线。在观测区选择第k个回波进行幅值记录(之后的每次测量都记录该回波幅值)，从接触测量开始记录幅值，每次将电磁超声探头远离标准件表面Δh，并记录第k个回波的峰-峰值，在达到测量极限时停止记录(无法观测到明显回波)，得到两个电磁超声探头的幅值数据[A₁₁,A₁₂,A₁₃...]、[A₂₁,A₂₂,A₂₃...]，根据提离距离和幅值拟合标定函数：

结合双层薄壁结构实际厚度调整微型精密运动滑轨，对两个电磁超声探头间距进行调整，但由于探头在末端的装夹过程中会对间距产生影响，因此需要再次进行精确标定。固定电磁超声探头与微型精密运动滑轨，利用三坐标测量机测量两个电磁超声探头的准确间距L₁₂。

步骤3双层薄壁结构测量路径规划

(1)双层薄壁工件的测点规划

根据测量需求确定N条均匀分布的测量轨迹，当机器人带动超声测量装置完成从a到b的一次扫描测量后，转台带动工件转动α角后开始沿下一条母线从b到a的扫描测量。由于双层薄壁工件属于回转体，只需在一条母线上进行轨迹规划，根据测量密度要求在工件数模的外层结构中提取第一条母线上的n个测点坐标{P₁₁₁,P₁₁₂…P_11n}。

(2)机器人运动扫描运动的离线编程

以一侧电磁超声探头测量端面中点为原点建立机器人工具坐标系，在双层薄壁零件装夹固定后进行坐标系标定，将电磁超声探头控制坐标系、工件坐标系转换到装备坐标系中，便于后续的测点信息记录；在离线编程软件中创建双层薄壁零件，外层薄壁结构第1条测量母线上n个测点{P₁₁₁,P₁₁₂…P_11n}，对应的内层薄壁结构上的测点为{P₂₁₁,P₂₁₂…P_21n}，通过外层测点设计机器人扫描运动轨迹。在第j个测点(j取值1～n)到第j+1个测点之间设置m个调整点，将从点P_11j到点P_11j+1的坐标平移量分解为m次的直线运动，与此同时将从点P_11j到点P_11j+1的探头偏转角拆分为m次位姿调整，调整后到达P_11j+1时，电磁超声探头位于该测点法线上。重复上述步骤，完成所有测点间调整点的位移以及位姿分配，形成一条完整扫描测量轨迹。

步骤4双层结构的间隙解算

在装置安装、标定后两个电磁超声探头6之间的间距已经确定，并且在后续的扫描测量过程中，该距离L₁₂不再发生变化。

电磁超声探头6被夹持环5夹持，并通过超声线缆与工控机机箱8连接，在机器人的带动下沿零件母线方向进行扫描测量。电磁超声探头6法线与外层零件表面测点切面垂直完成超声波的自发自收过程。分别得到外/内层第i条测量轨迹(i取值1～N)上的第j个测点的两个回波之间声时差Δt_1ij和Δt_2ij，已知超声横波在被测零件内的传播速度c_s(通过步骤2标准件标定得到)计算外层某一测点壁厚d_1ij和内层壁厚d_2ij；提取回波信号中第k个脉冲的峰-峰值，代入标定方程F(A)中，计算两个电磁超声探头内外表面之间的提离距离h_1ij,h_2ij；利用外层壁厚d_1ij和内层壁厚d_2ij以及电磁超声探头与外表面间距h_1ij和电磁超声探头与内表面间距h_2ij，计算双层结构间隙δ_ij：

δ_ij＝L₁₂-(h_1ij+h_2ij+d_1ij+d_2ij)(3)

本发明的有益效果：双层薄壁结构在成型过程中存在加工误差，导致内外层存在配合间隙。为了在控制成本的前提下进行高效质量管理，本发明通过超声测量的方式对双层薄壁结构的间隙进行解算。本发明克服了双层薄壁结构难以接触部分配合间隙测量难题，采用电磁超声非接触测量方法，解算出配合间隙，在保证测量精度的基础上提高了检测效率，减少劳动强度，实现了双层薄壁结构配合间隙的快速测量。

附图说明

图1为双层薄壁结构配合间隙解算步骤。

图2为机器人测量过程中超声测量装置的应用及零件表面测量轨迹。

图3为超声测量装置沿双层薄壁结构一条母线的测量路径。

图4为超声测量装置末端Ⅰ局部放大。

图5为超声测量装置末端Ⅱ局部放大。

图6为电磁超声探头间距、在某一测点的位置信息、双层薄壁零件壁厚、电磁超声探头提离距离、双层薄壁结构配合间隙。

图中：1法兰盘，2夹钳式固定支架，3微型精密运动滑轨，4连接架，5夹持环，6电磁超声探头，7线缆固定环，8工控机机箱，9显示器，31手动调距装置，32锁紧按钮。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

被测工件材料为铝合金，外层结构上端面外直径600mm，底端外直径1000mm，壁厚约10mm；内层结构上端面外直径535mm，底端外直径935mm，壁厚约10mm；双层薄壁结构整体高度600mm。双层薄壁结构的回转面皆为光滑平缓曲面，要求对整个双层薄壁结构完成10条母线的测量。完成超声测量装置的组装，并利用该装置完成双层薄壁结构配合间隙的测量，具体步骤如下：

步骤1测量系统组装

将装置通过法兰盘1与机器人系统连接，为适应不同工件壁厚尺寸的变化，在装置末端安装微型精密运动滑轨3，使两个电磁超声探头与双层薄壁结构内外表面间距皆在2mm左右；电磁超声探头6接口连接超声线缆，超声线缆另一端与工控机内置的超声模块连接。

步骤2电磁超声测量装置标定

与被测双层薄壁结构材料相同，通过三坐标测量仪测量的标准件厚度为10.236mm，结合超声波传播时间计算得到材料横波波速：

对两个电磁超声探头分别进行提离距离-幅值标定，利用距离分辨率较高的精密运动平台精确控制标定步长，建立提离距离-幅值标定曲线。从接触测量开始记录幅值，每次将电磁超声探头远离标准件表面0.1mm，并记录第2个回波的峰-峰值，提离超过2.5mm后无法捕捉明显回波，停止测量。数据拟合后得到提离距离和幅值拟合标定函数：

固定电磁超声探头与微型精密运动滑轨，利用三坐标测量机测量两个电磁超声探头的准确间距L₁₂＝25.524mm。

步骤3双层薄壁结构测量路径规划

(1)双层薄壁工件的测点规划

根据测量需求确定10条均匀分布的测量轨迹，当机器人带动超声测量装置完成从a到b的一次扫描测量后，转台带动工件转动36°后开始沿下一条母线从b到a的扫描测量。由于双层薄壁结构是回转体，仅对第一条母线进行测点选择，在外侧结构的第一条母线上选择9个等间距测点{P₁₁₁,P₁₁₂…P₁₁₉}。

(2)机器人运动扫描运动的离线编程

以一侧电磁超声探头测量端面中点为原点建立机器人工具坐标系，在双层薄壁零件装夹固定后进行坐标系标定，将电磁超声探头控制坐标系、工件坐标系转换到装备坐标系中，便于后续的测点信息记录；在离线编程软件中创建双层薄壁零件，外层薄壁结构第1条测量母线上9个测点{P₁₁₁,P₁₁₂…P₁₁₉}，对应的内层薄壁结构上的测点为{P₂₁₁,P₂₁₂…P₂₁₉}，通过外层测点设计机器人扫描运动轨迹。在第j个测点到第j+1个测点之间设置5个调整点，将从点P_11j到点P_11j+1的坐标平移量分解为5次的直线运动，与此同时将从点P_11j到点P_11j+1的探头偏转角拆分为5次位姿调整，调整后到达P_11j+1时，电磁超声探头位于该测点法线上。重复上述步骤，完成所有测点间调整点的位移以及位姿分配，形成一条完整扫描测量轨迹。

步骤4双层结构的间隙解算

电磁超声探头6法线与外层零件表面测点切面垂直完成超声波的自发自收过程。在第一条母线上分别得到外/内层第1条测量轨迹上的9个测点的两个回波之间声时差Δt_11j和Δt_21j，计算得到外/内层9个测点的厚度数据d_11j、d_21j，将第二个回波幅值代入到提离距离-峰值标定函数F(A₁)、F(A₂)中计算得到两个电磁超声探头与外内层结构表面距离h_11j、h_21j(单位：mm)：

按照上述步骤计算得到10条被测量母线上所有的厚度数据与提离距离数据。

利用外层壁厚d_1ij和内层壁厚d_2ij以及电磁超声探头与外表面间距h_1ij和电磁超声探头与内表面间距h_2ij，计算双层结构间隙δ_ij：

δ_ij＝L₁₂-(h_1ij+h_2ij+d_1ij+d_2ij)(3)

计算得到所有δ_ij的结果如下(单位：mm)：

Claims (4)

1.一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置，其特征在于，该装置安装于机器人末端，利用机器人的多自由度运动与转台配合完成对双层薄壁零件的厚度及提离距离测量；该超声测量装置包括夹钳式固定支架(2)、微型精密运动滑轨(3)、连接架(4)、夹持环(5)、电磁超声探头(6)、显示器(9)和工控机；通过工控机控制整个扫描测量过程并完成双层薄壁结构的间隙解算；

该装置通过法兰盘(1)与机器人末端连接；所述夹钳式固定支架(2)由两个钳腿组成，夹钳式固定支架(2)顶部与法兰盘(1)连接固定；所述微型精密运动滑轨(3)由导轨和滑块连接而成，其中导轨固定于夹钳式固定支架(2)的钳腿末端，滑块安装在导轨内并能沿导轨滑动，滑块下表面与连接架(4)连接；连接架(4)下端连接夹持环(5)，夹持环(5)用于夹持电磁超声探头(6)，其内径通过自身的紧固螺栓进行微调从而在不磨损电磁超声探头的前提下将其夹紧；

微型精密运动滑轨(3)的滑块通过手动调距装置(31)调整位置，从而实现对两个电磁超声探头(6)间距调整，调整后利用锁紧按钮(32)进行锁紧；

所述电磁超声探头(6)通过超声线缆与工控机内置的超声模块连接；所述超声模块发射脉冲电信号至电磁超声探头(6)，两个电磁超声探头(6)在被测零件的内外两侧激励/接收超声波；接收到的回波信号在工控机中完成厚度以及提离距离的计算，再利用厚度、提离距离、电磁超声探头间距完成双层薄壁结构间隙解算，并在显示器(9)中显示出实时数据。

2.根据权利要求1所述的一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置，其特征在于，所述的超声模块包含超声卡、数据采集卡以及控制单元。

3.根据权利要求1或2所述的一种双层薄壁结构配合间隙超声测量装置，其特征在于，夹钳式固定支架(2)的钳腿上设有通孔以达到减重效果；所述超声线缆穿过线缆固定环(7)以防止缠绕发生危险。

4.一种利用如权利要求1-3任一所述的双层薄壁结构配合间隙超声测量装置的超声测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1 测量系统组装

将装置通过法兰盘(1)与机器人系统连接，为适应不同工件壁厚尺寸的变化，在装置末端安装微型精密运动滑轨(3)，实现对电磁超声探头(6)间距进行微调；电磁超声探头(6)通过超声线缆与工控机内置的超声模块连接；将双层薄壁工件装夹在转台上，测量时利用机器人运动配合转台转动完成整个工件的扫描测量；

步骤2 电磁超声测量装置标定

对一个与被测工件材料相同、厚度已知为L的标准件进行标定，标定过程分为三步：一是被测材料中声速标定，二是提离距离与信号幅值的标定，三是两个电磁超声探头的间距标定；具体如下：

使电磁超声探头(6)与标准件表面垂直，采集超声回波信号后选取两个相邻脉冲信号，通过回波相似性匹配计算两个相邻回波的时间差△t_c，则横波在该材料中的传播速度c_s为：

为了防止电磁超声探头在制造过程中阻抗存在差异，对两个电磁超声探头分别进行提离距离-幅值标定，利用精密运动平台精确控制标定步长，建立提离距离-幅值标定曲线；在观测区选择第k个回波进行幅值记录，之后的每次测量都记录该回波幅值，从接触测量开始记录幅值，每次将电磁超声探头远离标准件表面△h，并记录第k个回波的峰-峰值，在达到测量极限时停止记录，得到两个电磁超声探头的幅值数据[A₁₁,A₁₂,A₁₃...]和[A₂₁,A₂₂,A₂₃...],根据提离距离和幅值拟合标定函数：

固定电磁超声探头与微型精密运动滑轨，利用三坐标测量机测量两个电磁超声探头的准确间距L₁₂；

步骤3 双层薄壁结构测量路径规划

(1)双层薄壁工件的测点规划

根据测量需求确定N条均匀分布的测量轨迹，当机器人带动超声测量装置完成从a到b的一次扫描测量后，转台带动工件转动α角后开始沿下一条母线从b到a的扫描测量；由于双层薄壁工件属于回转体，只需在一条母线上进行轨迹规划，根据测量密度要求在工件数模的外层结构中提取第一条母线上的n个测点坐标{P₁₁₁,P₁₁₂…P_11n}；

(2)机器人运动扫描运动的离线编程

以一侧电磁超声探头测量端面中点为原点建立机器人工具坐标系，在双层薄壁零件装夹固定后进行坐标系标定，将电磁超声探头控制坐标系、工件坐标系转换到装备坐标系中，便于后续的测点信息记录；在离线编程软件中创建双层薄壁零件，外层薄壁结构第1条测量母线上n个测点{P₁₁₁,P₁₁₂…P_11n}，对应的内层薄壁结构上的测点为{P₂₁₁,P₂₁₂…P_21n}，通过外层测点设计机器人扫描运动轨迹；在第j个测点到第j+1个测点之间设置m个调整点，其中j取值1～n，将从点P_11j到点P_11j+1的坐标平移量分解为m次的直线运动，与此同时将从点P_11j到点P_11j+1的探头偏转角拆分为m次位姿调整，调整后到达P_11j+1时，电磁超声探头位于该测点法线上；重复上述步骤，完成所有测点间调整点的位移以及位姿分配，形成一条完整扫描测量轨迹；

步骤4 双层结构的间隙解算

电磁超声探头(6)被夹持环(5)夹持，通过超声线缆与工控机机箱(8)连接，在机器人的带动下沿零件母线方向进行扫描测量；电磁超声探头(6)法线与外层零件表面测点切面垂直完成超声波的自发自收过程；分别得到外/内层第i条测量轨迹上的第j个测点的两个回波之间声时差△t_1ij和△t_2ij，其中i取值1～N，已知超声横波在被测零件内的传播速度c_s，计算外层某一测点壁厚d_1ij和内层壁厚d_2ij；提取回波信号中第k个脉冲的峰-峰值，代入式(2)所示的标定方程中，计算两个电磁超声探头内外表面之间的提离距离h_1ij、h_2ij；利用外层壁厚d_1ij和内层壁厚d_2ij以及电磁超声探头与外表面间距h_1ij和电磁超声探头与内表面间距h_2ij，计算双层结构间隙δ_ij：

δ_ij＝L₁₂-(h_1ij+h_2ij+d_1ij+d_2ij) (3)。

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