一種接觸式在機(jī)超聲自動(dòng)測(cè)厚的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)大型薄壁件的接觸式超聲在機(jī)自動(dòng)測(cè)厚的測(cè)頭 裝置與測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄壁件是目前高端裝備中的一類(lèi)典型零件，具有尺寸大、形狀復(fù)雜、剛度低等特 點(diǎn)，對(duì)壁厚精度要求較高，而且壁厚很難一次加工到位。因此需要在加工間隙對(duì)薄壁件壁厚 進(jìn)行測(cè)量，以便根據(jù)測(cè)量結(jié)果修改加工參數(shù)進(jìn)行再加工。目前主要采用手持式測(cè)量，由于測(cè) 量過(guò)程中探頭與工件的相對(duì)姿態(tài)需要人工反復(fù)找正，導(dǎo)致測(cè)量效率和精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。 隨著對(duì)大型薄壁零件的加工要求和測(cè)量要求的提高，傳統(tǒng)的手持式超聲測(cè)量已經(jīng)無(wú)法滿足 工業(yè)界需求。而在機(jī)自動(dòng)測(cè)厚憑借測(cè)量效率和精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為測(cè)厚領(lǐng)域 的技術(shù)熱點(diǎn)。采用接觸式耦合在機(jī)自動(dòng)超聲測(cè)厚的關(guān)鍵問(wèn)題是：超聲測(cè)頭與工件的柔性接 觸、接觸判斷狀態(tài)的判斷以及耦合劑自動(dòng)噴淋。
[0003] 2011年中北大學(xué)王明泉、李光亞等在專(zhuān)利發(fā)明CN102494645A中公開(kāi)了一種基于 超聲的內(nèi)腔尺寸精密測(cè)量裝置及其方法，采用超聲測(cè)量原理對(duì)待測(cè)試件壁厚進(jìn)行測(cè)量，利 用多組超聲探頭對(duì)被測(cè)件壁厚進(jìn)行非接觸測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的融合處理計(jì)算被測(cè)件內(nèi) 腔尺寸數(shù)據(jù)。然而，該方法是基于非接觸液浸測(cè)量，并且測(cè)量裝置獨(dú)立無(wú)法做到在機(jī)測(cè)量。 2014年大連理工大學(xué)林莉、馬志遠(yuǎn)等在發(fā)明專(zhuān)利CN104197872A發(fā)明了一種彈性各向異性 金屬基體熱障涂層厚度超聲測(cè)量方法，采用一套包括超聲波C掃描裝置、水浸點(diǎn)聚焦探頭、 數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成的超聲脈沖回波法C掃描測(cè)厚系統(tǒng)，該方法針對(duì)聚焦超聲 探頭，涉及焦距調(diào)整，系統(tǒng)復(fù)雜。并且上述研究均未提及接觸式超聲在機(jī)自動(dòng)測(cè)量問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服曲面薄壁件厚度測(cè)量難題，面向接觸式超聲探 頭在機(jī)自動(dòng)測(cè)量要求，針對(duì)超聲探頭與被測(cè)件表面的測(cè)量姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整與測(cè)量難題，發(fā)明 了一種適用于任意厚度的薄壁件接觸式超聲在機(jī)測(cè)頭裝置及測(cè)量方法。超聲測(cè)頭裝置中采 用柔性接觸緩沖結(jié)構(gòu)，減小了因撞擊薄壁件表面導(dǎo)致的探頭受沖擊破壞的可能性；建立探 頭到位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)安裝接近開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)彈簧壓縮量，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲探頭與待測(cè)工件之 間接觸狀態(tài)的判斷；設(shè)計(jì)了耦合劑自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，使用切削液作為耦合劑，方便獲取與回收 耦合劑。本裝置可集成于機(jī)床主軸，在保證測(cè)量精度的情況下，實(shí)現(xiàn)零件厚度參量的在機(jī)自 動(dòng)化檢測(cè)，提升薄壁件的加工效率。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種接觸式在機(jī)超聲自動(dòng)測(cè)厚的測(cè)量方法，其特征是： 測(cè)量方法中采用了集成超聲測(cè)頭裝置、柔性接觸緩沖系統(tǒng)、探頭到位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和耦合 劑自動(dòng)噴淋系統(tǒng)來(lái)完成超聲自動(dòng)測(cè)厚的測(cè)量；測(cè)量方法的具體說(shuō)明如下：
[0006] 1)所述集成超聲測(cè)頭裝置A中，上筒體7與下筒體4通過(guò)高強(qiáng)度膠連接后，上下筒 體通過(guò)環(huán)形均布的螺釘9與主軸轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)8連接，整體以刀柄形式與機(jī)床主軸E連接；安裝 有密封圈3的超聲探頭1下端安裝于下筒體的中部，超聲探頭1上端通過(guò)墊片2與接近開(kāi) 關(guān)識(shí)別板6連接，接近開(kāi)關(guān)識(shí)別板6通過(guò)鍵槽導(dǎo)向連接于上筒體7內(nèi)壁，上端通過(guò)彈簧12 連接與主軸轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)8 ;耦合劑注入嘴10和耦合劑噴淋嘴5分別通過(guò)螺紋安裝在測(cè)頭筒體 的上下兩側(cè)，通過(guò)在上筒體7上的軸向注液腔a和下筒體4中的環(huán)形槽b流入，可實(shí)現(xiàn)耦合 劑噴淋系統(tǒng)與超聲測(cè)頭內(nèi)部探頭安裝區(qū)域的分離，并獲得耦合劑在各個(gè)方向的穩(wěn)定均勻噴 淋。
[0007] 2)在所述的柔性接觸緩沖系統(tǒng)中，在與探頭1剛性連接的墊片2、接近開(kāi)關(guān)識(shí)別板 5的上方安裝彈簧12作為緩沖裝置，并考慮探頭與工件接觸力的大小確定彈簧12的剛度系 數(shù)，減小接觸時(shí)探頭所承受的沖擊，保護(hù)探頭。
[0008] 3)采用探頭到位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)超聲探頭與工件的接觸狀態(tài)，當(dāng)探頭1慢速接 近被測(cè)件B，二者接觸后，機(jī)床主軸E繼續(xù)帶動(dòng)探頭1運(yùn)動(dòng)，接近開(kāi)關(guān)識(shí)別板6向上移動(dòng)，并 壓縮彈簧12,當(dāng)壓縮量達(dá)到接近開(kāi)關(guān)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)11發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，機(jī)床停 止運(yùn)行，在當(dāng)前位置完成厚度測(cè)量，提高超聲測(cè)厚效率，保證測(cè)量精度。
[0009] 4)耦合劑自動(dòng)噴淋系統(tǒng)采用軸向注流結(jié)合周向整流的方式，對(duì)耦合劑進(jìn)行流動(dòng)控 制，在下筒體4的底部?jī)?nèi)有環(huán)形貯液槽b，并在耦合劑流經(jīng)的槽底上設(shè)置了若干個(gè)均勻分布 的篩孔c作為耦合劑出口，最終實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)頭內(nèi)耦合劑的穩(wěn)定均勻流動(dòng)狀態(tài)。
[0010] 5)在機(jī)測(cè)量過(guò)程：對(duì)裝夾后的被測(cè)薄壁件B進(jìn)行接觸式在機(jī)自動(dòng)超聲測(cè)量。啟動(dòng) 外部液壓系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床自動(dòng)控制超聲測(cè)量裝置按照預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)量路徑運(yùn)動(dòng)，在數(shù)控機(jī) 床控制下，超聲探頭1以進(jìn)給速度逐漸與被測(cè)薄壁件B接觸，在二者接觸后，機(jī)床主軸E繼 續(xù)帶動(dòng)探頭1運(yùn)動(dòng)，接近開(kāi)關(guān)識(shí)別板6向上移動(dòng)，并壓縮彈簧12,當(dāng)彈簧12壓縮量達(dá)到一定 值時(shí)，接近開(kāi)關(guān)11與識(shí)別板6之間的距離達(dá)到接近開(kāi)關(guān)11的設(shè)置閾值，接近開(kāi)關(guān)11的狀 態(tài)由〇變成1，并通過(guò)光電耦合方式傳送至數(shù)控機(jī)床PLC系統(tǒng)，保證了超聲探頭1與被測(cè)薄 壁件B的柔性接觸與接觸狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。在判斷出超聲探頭1與被測(cè)件B接觸后，機(jī)床停止 運(yùn)動(dòng)，測(cè)頭停駐一段時(shí)間，耦合劑噴淋嘴5進(jìn)行耦合劑自動(dòng)噴淋，超聲探頭1的信號(hào)線F與 上層采集系統(tǒng)的超聲專(zhuān)用板卡G和計(jì)算機(jī)H連接，自動(dòng)完成相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處 理等，完成當(dāng)前點(diǎn)處的厚度超聲測(cè)量；然后超聲測(cè)頭裝置在數(shù)控機(jī)床的控制下，運(yùn)動(dòng)至下一 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)以上在機(jī)超聲測(cè)量過(guò)程，直至完成被測(cè)薄壁件B厚度的在機(jī)自動(dòng)測(cè)量。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是，超聲測(cè)頭裝置的集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可安裝于機(jī)床主軸、 機(jī)械手執(zhí)行末端，實(shí)現(xiàn)了接觸式超聲在機(jī)自動(dòng)測(cè)厚，保證了厚度測(cè)量的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，數(shù) 據(jù)可靠性強(qiáng)，提高了測(cè)量效率和測(cè)量精度。
【附圖說(shuō)明】：
[0012] 附圖1為集成超聲測(cè)頭裝置A的剖視圖，附圖2為集成超聲測(cè)頭裝置A的俯視圖， 圖3為下筒體4的結(jié)構(gòu)圖。其中：1-超聲探頭，2-墊片，3-密封圈，4-下筒體，5-耦合劑噴 淋嘴，6-接近開(kāi)關(guān)識(shí)別板，7-上筒體，8-主軸轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)，9-螺釘，10-耦合劑注入嘴，11-接 近開(kāi)關(guān)，12-彈簧，a-軸向注液腔，b-環(huán)形貯液槽，C-環(huán)形篩孔。
[0013] 附圖4為在機(jī)超聲測(cè)量系統(tǒng)示意圖，其中：A-集成超聲測(cè)頭裝置，B-被測(cè)件，C-帶 螺栓壓板組件，D-工作臺(tái)，E-機(jī)床主軸，F(xiàn)-信號(hào)線，G-超聲專(zhuān)用板卡，H-計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】：集成超聲測(cè)頭裝置的 組裝：首先將密封圈3套在接觸式超聲探頭1上部，并將超聲探頭1安裝于測(cè)頭下筒體4的 中部，然后將上筒體7和下筒體4膠接，接近開(kāi)關(guān)識(shí)別板6通過(guò)墊片2壓在超聲探頭1上 方，并在上筒體7內(nèi)壁通過(guò)鍵槽導(dǎo)向連接接近開(kāi)關(guān)識(shí)別板6,接近開(kāi)關(guān)識(shí)別板6與主軸轉(zhuǎn)接 機(jī)構(gòu)8通過(guò)彈簧12連接，根據(jù)探頭1與被測(cè)薄壁件B的接觸力以及接近開(kāi)關(guān)11的設(shè)置閾 值，確定彈簧12的剛度為130N/m，接近開(kāi)關(guān)11通過(guò)螺紋實(shí)現(xiàn)與主軸轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)8的連接，使 用切削液作為耦合劑，耦合劑注入嘴10通過(guò)螺紋與測(cè)頭上筒體7筒壁中的軸向注液腔a連 接，通過(guò)在下筒體的環(huán)形貯液槽b上均布8個(gè)環(huán)形