本發(fā)明屬于超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種探頭自適應調(diào)整的薄壁件在機超聲測厚方法。

背景技術(shù)：

薄壁零件是航空航天領(lǐng)域重大裝備上的典型件，如火箭燃料貯箱壁板、飛機蒙皮等，其加工后的零件剩余壁厚須滿足等壁厚或按一定規(guī)律變壁厚的加工要求，且剩余壁厚往往是該類零件加工的核心要求。為保證最終加工完的零件滿足剩余壁厚要求，需測量獲得相應的壁厚數(shù)據(jù)，以及完成零件的加工質(zhì)量評估。由于零件剛性相對較低，且加工中的變形不可忽略，這就要求在零件加工過程中亦需要檢測零件壁厚，反饋給加工工藝系統(tǒng)，進行刀位點處厚度誤差的精確補償。然而，這類零件尺寸較大、面形較為復雜，給厚度測量效率和精度提出了更高的要求。為此，壁厚高效高精檢測已成為制約薄壁零件加工亟待突破的關(guān)鍵難題之一。目前，薄壁零件超聲測厚，多采用人工手持測量方法，該方法測量結(jié)果的一致性和穩(wěn)定性較差、人工勞動強度大，測量效率低。將測厚傳感器集成至數(shù)控機床上，實現(xiàn)厚度的在機測量，充分發(fā)揮大范圍高速運動、高精度定位、多自由度位姿自動調(diào)整等優(yōu)勢，為探尋一種薄壁零件高效高精超聲測厚方法及裝置提供了可行的方案。然而，如何保證超聲探頭與被測點處法矢的自適應吻合，是實現(xiàn)曲面零件在機測厚的瓶頸技術(shù)難題。

2013年史密斯等人在發(fā)明專利“超聲波測量”,CN103380386A中公開了一種超聲波測量方法，而該方法無法實現(xiàn)在機測量。2013年黃云等人在發(fā)明專利“管材部分液浸自動超聲波壁厚測量機構(gòu)及測量方法”,CN103148814A中公開了一種管材部分液浸自動超聲波壁厚測量機構(gòu)及測量方法，通過氣缸控制測量裝置運動，對核燃料管坯件進行壁厚自動測量。該方法僅實現(xiàn)了圓柱件的自動測量，而對任意復雜面形的自適應能力較差。

國內(nèi)外研究多集中于測厚精度保證、超聲信號提取與計算、特定面形自動測厚等，尚未提及探頭自適應調(diào)整的薄壁件在機超聲測厚方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是克服現(xiàn)有方法的不足，針對超聲探頭難以與曲面被測點處的法向保持一致、超聲檢測回波不穩(wěn)定、接收信號衰減大的難題，發(fā)明一種探頭自適應調(diào)整的薄壁件在機超聲測厚方法。該方法采用球軸結(jié)構(gòu)作為運動機構(gòu)，在機測量過程中，該結(jié)構(gòu)能夠在探頭接觸被測表面后，根據(jù)被測工件的局部面形自動調(diào)整探頭的角度與位置，達到理想的法向吻合狀態(tài)，具有自適應能力強、角度調(diào)整范圍寬、測量精度高、貼合緊密、響應迅速等優(yōu)勢。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種探頭自適應調(diào)整的薄壁件在機超聲測厚方法，其特征是，方法中采用球軸機構(gòu)作為自適應調(diào)整機構(gòu)；利用耦合劑噴射機構(gòu)為超聲測厚提供穩(wěn)定的耦合液面；為減小測厚沖擊，提高接觸穩(wěn)定性，采用彈簧作為彈性緩沖器；采用限位開關(guān)檢測裝置接觸狀態(tài)，保證測厚過程安全；使用基于聲時差的厚度計算方法，根據(jù)工件上下表面超聲回波的時間差與超聲傳播速度，計算出被測工件當前測點的厚度；測厚方法的具體步驟如下：

第一步安裝球軸機構(gòu)作為自適應調(diào)整機構(gòu)；

球軸套9通過軸套螺釘16與底盤10連接，球軸柱8與球軸套9通過各自的球面輪廓鉸接配合，構(gòu)成一個能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度旋轉(zhuǎn)的球軸機構(gòu)，球軸柱8的另一端通過螺釘5與導向塊6連接，將超聲探頭11安裝在底盤10中，超聲探頭11表面與底盤10底面調(diào)節(jié)平行后，用定位螺釘17將超聲探頭11緊定；

第二步安裝彈性緩沖器和耦合劑噴射機構(gòu)

彈簧4作為彈性緩沖器被安裝在導向塊6上面，兩者均裝在筒體3內(nèi)腔中，通過4個封蓋螺釘2將上封蓋1、下封蓋7和筒體3固定在一起；耦合劑噴射結(jié)構(gòu)采用傾斜入射方式，耦合劑通過軟管12經(jīng)沿底盤10均勻分布的噴射管道a噴射到測量間隙，為超聲測厚提供穩(wěn)定的耦合液面；通過保持架螺釘14把保持架13固定在筒體3上，將軟管12上端連接在保持架13的彈性卡槽中，并與耦合劑噴射機構(gòu)連接；將涂有密封膠的軟管12另一端插到噴射管道a的入口，軟管12下端與底盤10上的噴射管道a過盈連接，靠密封膠將配合區(qū)域密封，軟管12的材質(zhì)采用低剛度高彈性的橡膠；底盤上沿中心軸線均勻分布有三條噴射管道，噴射管道入口位于底盤10側(cè)壁，出口位于底盤10底部，并緊鄰超聲探頭11；將限位開關(guān)15用高強度膠粘貼在上封蓋1的末端中心；

第三步將測量裝置安裝到機床上

上述零件組裝完成后，構(gòu)成測量裝置；將上封蓋1上端的刀柄部分安裝在機床主軸18上，將安裝在上封蓋1上的限位開關(guān)電纜線b連接到數(shù)控系統(tǒng)PLC接口，將安裝在底盤10上的超聲探頭電纜線c連接到數(shù)據(jù)采集超聲專用板卡上，被測工件19裝到機床工作臺20上，由連接在工作臺20上的4組夾持組件21壓緊固定；

第四步在機噴水測量，并計算出被測工件當前測點的厚度

對裝夾完畢后的被測件曲面進行超聲在機噴水測量,超聲探頭11按照數(shù)控機床程序指定的路徑運動到被測點上方，以一定的進給速度沿Z軸方向接近被測工件19；此時,耦合劑噴射機構(gòu)開始工作，耦合劑沿底盤10噴出；與超聲探頭11連接的外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動開始采集超聲數(shù)據(jù)，超聲探頭11繼續(xù)沿Z軸方向進給，待超聲探頭11表面與工件19表面充分接觸，兩者表面法線方向高度重合后，接觸達到穩(wěn)定狀態(tài)；筒體3內(nèi)的導向塊6向上滑動并壓縮彈簧4，待與導向塊6連接的螺釘5觸發(fā)限位開關(guān)15，數(shù)控系統(tǒng)接收到限位狀態(tài)信號，主軸停止向下運動，數(shù)據(jù)采集通道關(guān)閉，耦合液停止噴射，測量裝置按照數(shù)控指令沿機床Z軸方向離開被測工件，然后運動到下一個測量點的上方，重復以上超聲在機噴水測量步驟，直至數(shù)控程序中指定測量點的測量工作全部完成；

測量時，數(shù)據(jù)采集采用集超聲波發(fā)射、接收及控制于一體超聲專用板卡，上位機PC作為控制核心，有接口與數(shù)控機床連接，每個測點數(shù)據(jù)采集完成后，上位機PC自動將采集到的數(shù)據(jù)采用基于聲時差的厚度計算方法，根據(jù)工件上下表面超聲回波的時間差與超聲傳播速度，計算出被測工件當前測點的厚度h；

式中，f_s為采樣頻率，v為超聲波在工件中的傳播速度，n為回波信號中兩相鄰波峰之間采樣點個數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：該方法在機測量過程中，能夠根據(jù)被測工件的局部面形自動調(diào)整探頭的角度與位置，達到理想的法向吻合狀態(tài)，具有自適應能力強、角度調(diào)整范圍寬、測量精度高、貼合緊密、響應迅速等特點。能夠?qū)崟r在機自動測厚，測量的效率高、穩(wěn)定性好。

附圖說明

附圖1為測量裝置的整體外觀圖，附圖2為測量裝置左剖視圖，附圖3為球軸套9與底盤10的局部結(jié)構(gòu)剖視圖，附圖4為超聲在機噴水測量安裝示意圖。其中：1-上封蓋，2-封蓋螺釘，3-筒體，4-彈簧，5-螺釘，6-導向塊，7-下封蓋，8-球軸柱，9-球軸套，10-底盤，11-超聲探頭，12-軟管，13-保持架，14-保持架螺釘，15-限位開關(guān)，16-軸套螺釘，17-定位螺釘，18-機床主軸，19-工件，20-機床工作臺，21-夾持組件，a-噴射管道，b-限位開關(guān)電纜線，c-超聲探頭電纜線。

附圖5為在機噴水測量路線示意圖，其中，19-工件，20-機床工作臺，21-夾持組件，d-測量進給路線，e-測點測量完成返回路線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式：

附圖1為測量裝置的整體外觀圖，附圖2為測量裝置左剖視圖。

實施例采用的測量裝置主體由上封蓋1、封蓋螺釘2、筒體3、彈簧4、螺釘5、導向塊6、下封蓋7和球軸機構(gòu)組成。測厚方法的具體步驟如下：

首先，安裝球軸機構(gòu)作為自適應調(diào)整機構(gòu)；

將球軸套9通過軸套螺釘16與底盤10連接，球軸柱8與球軸套9通過各自的球面輪廓鉸接配合，構(gòu)成一個能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度旋轉(zhuǎn)的球軸機構(gòu)，球軸柱8的另一端通過螺釘5與導向塊6連接將超聲探頭11安裝在底盤10中，超聲探頭11表面與底盤10底面調(diào)節(jié)平行后，用定位螺釘17將超聲探頭11緊定，如圖3所示。

然后，安裝彈性緩沖器和耦合劑噴射機構(gòu)

彈簧4作為彈性緩沖器被安裝在導向塊6上面，兩者均裝在筒體3內(nèi)腔中，通過4個封蓋螺釘2將上封蓋1、下封蓋7和筒體3固定在一起；耦合劑噴射機構(gòu)采用傾斜入射方式，耦合劑通過軟管12經(jīng)沿底盤10均勻分布的噴射管道a噴射到測量間隙，為超聲測厚提供穩(wěn)定的耦合液面；通過保持架螺釘14把保持架13固定在筒體3上，將軟管12上端連接在保持架13的彈性卡槽中，并與耦合劑噴射機構(gòu)連接；將涂有密封膠的軟管12另一端插到噴射管道a的入口，軟管12下端與底盤10上的噴射管道a過盈連接，靠密封膠將配合區(qū)域密封，軟管12的材質(zhì)采用低剛度高彈性的橡膠；底盤上沿中心軸線均勻分布有三條噴射管道，噴射管道入口位于底盤10側(cè)壁，出口位于底盤10底部，并緊鄰超聲探頭11；將限位開關(guān)15用高強度膠粘貼在上封蓋1的末端中心；

上述零件組裝完成后，構(gòu)成測量裝置，將測量裝置安裝到機床上。

先將與上封蓋1上端的刀柄安裝于機床主軸18上，將安裝在上封蓋1上的限位開關(guān)電纜線b連接到數(shù)控系統(tǒng)PLC接口，將安裝在底盤10上的超聲探頭電纜線c連接到數(shù)據(jù)采集超聲專用板卡上。被測工件19置于機床工作臺20上，由連接在工作臺20上的夾持組件21壓緊固定，如附圖4所示。

最后，對裝夾完畢后的被測件曲面進行超聲在機噴水測量。數(shù)控機床按照程序指定的路徑運動到被測點上方，加工路徑如附圖5所示，超聲探頭11以40mm/min的進給速度沿Z軸方向接近被測工件19，耦合劑噴射機構(gòu)開始工作，耦合劑沿底盤10噴出，與超聲探頭11連接的外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動開始采集超聲數(shù)據(jù)，超聲探頭11繼續(xù)沿Z軸方向進給，至超聲探頭表面與工件19表面充分接觸，兩者表面法線方向高度重合后，接觸達到穩(wěn)定狀態(tài)。此時，筒體3內(nèi)的導向塊6向上滑動并壓縮彈簧4，待與導向塊6連接的螺釘5觸發(fā)限位開關(guān)15，數(shù)控系統(tǒng)接收到限位狀態(tài)信號，主軸停止向下運動，數(shù)據(jù)采集通道關(guān)閉，耦合液停止噴射，測量裝置按照數(shù)控指令沿機床Z軸方向離開被測工件，然后運動到下一個測量位置上方，重復以上超聲在機噴水測量步驟，直至數(shù)控程序中指定測點的測量工作全部完成。

本發(fā)明數(shù)據(jù)采集采用集超聲波發(fā)射與接收及控制于一體超聲專用板卡，上位機PC作為控制核心，由RS232接口與數(shù)控機床連接，每個測點數(shù)據(jù)采集完成后，上位機PC自動將采集到的數(shù)據(jù)，使用基于聲時差的厚度計算方法，根據(jù)工件上下表面超聲回波的時間差與超聲傳播速度，計算出被測工件當前測點的厚度，根據(jù)計算公式(1)計算當前測點厚度h，在工件上選擇了6個測點測量。

采用本發(fā)明的自動測量裝置對弧形鋁合金件進行接觸式超聲在機測量，超聲測量結(jié)果表示在表1中。

表1

表1中還給出了用三坐標機測量的結(jié)果，兩種方法的測量結(jié)果對比顯示測量精度在0.06mm以內(nèi)，該測量方法可實現(xiàn)在機自動測厚。

本發(fā)明自動測量方法簡單，運動靈活、自適應貼合響應速度快、耦合效果改善明顯，接觸可靠性高，可以較好地應用于薄壁件的自動在機厚度測量。