基于超聲波的數(shù)控加工自動在機(jī)測厚裝置設(shè)計(jì)*

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

為減輕飛機(jī)的重量并保證其性能，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中大量使用大型薄壁零件。該類型零件一般尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且多為薄壁，所以整體剛性弱，加工過程中極易變形，引起欠切甚至過切，腹板和側(cè)壁的厚度難以保證，甚至導(dǎo)致零件直接報(bào)廢，對于具有類似特點(diǎn)的航空航天、汽車、船舶等需要數(shù)控加工的大型零件也存在類似問題。因此，為保證加工質(zhì)量，防止零件加工報(bào)廢，提高產(chǎn)品的合格率，對大型薄壁零件厚度的檢測尤為重要[1-4]。

目前，常用的零件厚度檢測技術(shù)主要分為手工檢測、離線檢測和在機(jī)檢測。手工檢測指使用傳統(tǒng)檢測工具，如千分尺、卡尺等進(jìn)行人工測量；離線檢測指使用其他檢測設(shè)備將零件從工具臺卸下進(jìn)行測量。上述兩種方法不但效率低下、耗時(shí)費(fèi)力、人為因素對測量結(jié)果準(zhǔn)確影響大，而且反復(fù)定位裝配造成誤差累計(jì)，不利于加工過程中對零件質(zhì)量的控制[5]；在機(jī)檢測技術(shù)是零件在加工中定位裝夾狀態(tài)不變，在數(shù)控機(jī)床上直接進(jìn)行零件的尺寸和形位公差測量，實(shí)現(xiàn)“加工即可測可知”的功能[6-9]。與離線檢測相比，在機(jī)檢測技術(shù)有明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）減少勞動量，節(jié)省時(shí)間，大大縮短產(chǎn)品制造周期；（2）避免反復(fù)拆裝造成的誤差，提高零件加工精度，測頭系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)互不干擾；（3）可對零件加工過程中的中間狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，極大地提高零件的加工質(zhì)量[10]。因此，在機(jī)檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、準(zhǔn)確控制,使加工過程高效穩(wěn)定，是保證加工質(zhì)量的有效手段，實(shí)現(xiàn)智能加工的關(guān)鍵技術(shù)[11-13]。隨著制造業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,在機(jī)厚度測量技術(shù)由于其優(yōu)越的特性已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，許多學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。在機(jī)厚度測量的方法可大致分為紅外測厚法、激光測厚法和超聲波測厚法。

紅外測厚法是利用單色光被材料吸收后光強(qiáng)的減弱與材料厚度的關(guān)系進(jìn)行厚度測量，而大部分紅外吸收的化學(xué)鍵是塑料材料所具有的分子鍵[14]，所以該方法不適用于金屬工件的厚度測量。

激光測厚法分為基于激光位移傳感器測量方法和基于激光差動掃描測量方法等。激光位移傳感器要求安裝在待測零件的兩面，對測量環(huán)境要求嚴(yán)格，檢測成本較高[15]。激光差動掃描測量的原理是由光源發(fā)射出激光光束，經(jīng)差動掃描轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)形成一前一后的差動掃描光束, 掃描光束被工件截面反射，由光電接收組件接收，經(jīng)處理測得工件厚度[16]，無法實(shí)現(xiàn)大型薄壁零件中不可見面的測量。同時(shí)，激光受環(huán)境因素影響較大，檢測精度不穩(wěn)定。

超聲波測厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測材料的厚度。所以，對于測量不可見面的情況，超聲波測厚具有獨(dú)特的優(yōu)越性。同時(shí)，超聲波測厚儀器具有體積小、分辨率高、穩(wěn)定性好、對檢測物體無損害、操作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)[17]，適用于大型薄壁零件的厚度測量。

然而，現(xiàn)有的研究中超聲波測厚多用于手工測厚或便攜式測厚，缺乏關(guān)于超聲波檢測技術(shù)在數(shù)控加工中的在機(jī)厚度測量方法的相關(guān)研究。本文將超聲波測厚與在線檢測技術(shù)相結(jié)合，基于航空企業(yè)的檢測需求，設(shè)計(jì)了基于超聲波測厚的數(shù)控加工在機(jī)厚度測量裝置，可實(shí)現(xiàn)加工過程中大型薄壁零件腹板和側(cè)壁厚度的在機(jī)厚度測量，為加工狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整加工策略提供支持，保證加工質(zhì)量、提高檢測效率、節(jié)約時(shí)間和成本且節(jié)約人力。

在機(jī)厚度自動測量裝置總體設(shè)計(jì)

1 技術(shù)要求

依據(jù)實(shí)際中的生產(chǎn)加工情況，以及大型薄壁零件加工精度的要求，總結(jié)出本厚度測量裝置的技術(shù)要求。本裝置要求可以在數(shù)控機(jī)床的控制下實(shí)現(xiàn)自動化的厚度測試，測量效率高，測量一個(gè)厚度的時(shí)間控制在1min以內(nèi)；實(shí)現(xiàn)高精度不可見面的厚度測量，選擇超聲波探頭，零件厚度在100mm以內(nèi)，測量精度達(dá)0.05mm以內(nèi)，覆蓋率達(dá)80%以上，測量顯示分辨率最低0.1mm。

2 厚度自動測量裝置方案綜述

根據(jù)本裝置的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了在機(jī)厚度自動測量裝置整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該裝置由探頭夾持和轉(zhuǎn)角頭兩部分通過組裝而成，下部的探頭夾持部分用于夾持探頭、包裹固定超聲波探頭和安裝固定所有控制電路等功能；上部的轉(zhuǎn)角頭部分用于將本裝置與BT50標(biāo)準(zhǔn)刀柄相連、帶動探頭夾持部分轉(zhuǎn)動并固定轉(zhuǎn)動角度等功能。根據(jù)檢測過程對應(yīng)的數(shù)控程序，機(jī)床主軸帶動本裝置運(yùn)動到待檢測點(diǎn)，轉(zhuǎn)角頭部分控制探頭轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度使探頭與待檢測點(diǎn)充分接觸，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工零件厚度的自動測量。

圖1 在機(jī)厚度測量裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of on-machine thickness measurement device

在機(jī)厚度自動測量裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)

1 超聲波探頭選擇

由于測量過程對覆蓋率要求較高，在曲面曲率大、甚至多曲度的地方要使探頭與曲面表面充分接觸，所以應(yīng)選擇盡量小的探頭半徑。為避免使用耦合劑，本設(shè)計(jì)選擇非接觸式空氣耦合的超聲波探頭，直徑為6mm，超聲波的頻率為7MHz，測量范圍為0.75mm～80.0mm（鋼），測量精度為0.001mm，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合本設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

2 探頭夾持部分方案設(shè)計(jì)

探頭夾持部分的總體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

外殼結(jié)構(gòu)用于包裹、固定超聲波探頭。外殼的內(nèi)側(cè)曲面設(shè)計(jì)為與探頭外部曲面相配合，可以剛好托住探頭，有效地固定住探頭。下部外側(cè)的凹槽用于安裝橡膠套，橡膠套用于緩沖，在測量時(shí)保護(hù)探頭。上部外側(cè)的凹槽用于和連接套連接。

連接套用于連接外殼，且作為放置單片機(jī)、無線模塊等電路的空間。連接套的下部內(nèi)側(cè)與外殼相配合，用于與外殼連接；中間部分中空，用于放置電路，側(cè)壁上設(shè)置用于安裝芯片的臺階；上部外側(cè)設(shè)計(jì)凹槽，用于和裝夾桿連接。

裝夾桿用于連接探頭夾持部分和轉(zhuǎn)角頭部分。裝夾桿上部分設(shè)計(jì)為直徑為20mm的圓柱體，用于連接探頭夾持部分和轉(zhuǎn)角頭，連接方式類似于銑削刀具與刀柄的連接；下部內(nèi)側(cè)與連接套配合，用于與連接套連接，裝夾桿是連接本裝置的重要部分。

圖2 探頭夾持部分設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design diagram of probe support

3 轉(zhuǎn)角頭部分方案設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)角頭部分的總體設(shè)計(jì)如圖3所示。擺頭與裝夾桿連接是探頭夾持部分和轉(zhuǎn)角頭部分連接的重要結(jié)構(gòu)。同時(shí)，擺頭可以帶動探頭夾持部分進(jìn)行轉(zhuǎn)動，使得探頭可以測量側(cè)壁等部分的厚度。擺頭的下部用于連接裝夾桿，連接方式類似于銑削刀具與刀柄的連接；兩側(cè)與兩塊夾板連接，保證可以無干涉轉(zhuǎn)動。

夾板連接刀柄接頭和擺頭。夾板與刀柄接頭連接時(shí)是固定的，由若干螺釘限制各自由度；夾板與擺頭連接時(shí)保證可以相對轉(zhuǎn)動，下部圍繞軸線設(shè)定不同的檔位，由電機(jī)（未畫出）帶動擺頭轉(zhuǎn)動到需要的角度，在相應(yīng)的檔位處夾緊擺頭，從而使探頭可測量側(cè)壁等位置的厚度。

圖 3 轉(zhuǎn)角頭設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design diagram of turning head

刀柄接頭用于連接整個(gè)在機(jī)厚度測量裝置和機(jī)床主軸，是整個(gè)裝置得以通用的重要部分。刀柄上部與機(jī)床主軸相連，設(shè)計(jì)為與機(jī)床相配套的標(biāo)準(zhǔn)主軸的結(jié)構(gòu)，使得本裝置可以與刀具快速更換。下部兩側(cè)用于安裝夾板。

4 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在機(jī)厚度測量裝置控制系統(tǒng)整體示意如圖4所示。

在機(jī)厚度測量裝置的控制系統(tǒng)以單片機(jī)微處理器為核心，單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。超聲波發(fā)射電路和接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。超聲波回波的信號非常微弱，必須經(jīng)過充分的放大，同時(shí)也不能因?yàn)橥饨绲母蓴_信號和數(shù)字電路而增加噪聲。無線傳輸模塊使測量數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)窖b置外部的計(jì)算機(jī)上。計(jì)數(shù)器電路是使超聲波測厚理論得以實(shí)現(xiàn)的重要部分。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供運(yùn)行的能量來源。

如圖4所示，厚度測量的過程為：操作計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)控制單片機(jī)B，單片機(jī)B控制無線通信模塊B發(fā)射指令無線傳輸?shù)綗o線通信模塊A，信號再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)A，控制發(fā)射電路產(chǎn)生高壓窄脈沖信號，通過探頭向待測工件發(fā)射超聲波。同時(shí),計(jì)數(shù)器電路清零,然后聲波信號到達(dá)工件的底部并返回被探頭接收,通過接收電路，信號被放大。通過振蕩器建立閉門脈沖,其中發(fā)射脈沖記為閉門脈沖的前沿,接收到的一次回波脈沖記為閉門脈沖的后沿,閉門脈沖用于記錄超聲波在待測物體內(nèi)入射和反射所使用的時(shí)間。然后將25MHz的晶振脈沖與這一閉門脈沖輸出給計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器電路通過計(jì)算在超聲波傳播時(shí)間的間隔內(nèi)振蕩脈沖的個(gè)數(shù)，得出測量厚度所用的時(shí)間，在單片機(jī)A進(jìn)行計(jì)算,并通過無線模塊傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)B進(jìn)行儲存,得到的厚度值結(jié)果通過液晶顯示屏顯示。

待測物體厚度值可計(jì)算如下：

式中：H為待測物體厚度；v為聲速；t為超聲波在待測物體中往返一次的傳播時(shí)間。

5 在機(jī)厚度自動測量裝置的標(biāo)定

大型薄壁零件的厚度測量對測量精度要求較高，所以，標(biāo)定本裝置以符合測量標(biāo)準(zhǔn)十分必要。對本裝置進(jìn)行標(biāo)定，一方面可以檢測本裝置的準(zhǔn)確度是否達(dá)標(biāo)，另一方面可對本裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。由于在使用過程中加工環(huán)境的溫度和濕度不斷變化，且超聲波探頭的性能會出現(xiàn)偏差，所以本裝置要不斷進(jìn)行標(biāo)定。

標(biāo)定方法具體為：在單片機(jī)中分配一個(gè)空間用于儲存比例因子。在計(jì)算機(jī)中輸入，用本裝置測量厚度已知的標(biāo)準(zhǔn)鋼塊，若測得的厚度值與鋼塊的標(biāo)準(zhǔn)厚度不一致，調(diào)整比例因子，使厚度的顯示值等于標(biāo)準(zhǔn)厚度。在正式測量時(shí)，輸入該待測物體材料的聲速比（該材料的聲速），計(jì)算機(jī)計(jì)算該材料的聲速帶入厚度計(jì)算公式計(jì)算。

圖4 在機(jī)厚度測量裝置控制系統(tǒng)示意圖Fig.4 Sketch of on-machine thickness measurement device control system

厚度測量系統(tǒng)工作過程

經(jīng)過裝置設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的在機(jī)厚度自動測量裝置可裝夾在數(shù)控機(jī)床主軸上，在加工過程中實(shí)時(shí)對工件局部厚度進(jìn)行測量，控制工件加工過程中的厚度。本文以Benchmark零件為例，如圖5所示，通過描述其加工檢測的過程進(jìn)而對在機(jī)厚度自動測量裝置的工作過程進(jìn)行詳述。

Benchmark零件是一個(gè)雙面框類零件，該零件包含了航空結(jié)構(gòu)件中的大部分加工特征，包括多種槽、筋和孔特征，符合航空結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、多為薄壁零件等特點(diǎn)，加工過程中極易變形，厚度難以保證。使用本裝置可以不用拆下零件直接在機(jī)床上測量零件厚度，提高檢測效率，減少加工時(shí)間。加工過程中進(jìn)行厚度測量能有效控制零件加工的厚度，如果發(fā)現(xiàn)厚度接近臨界值或超過要求厚度，可及時(shí)調(diào)整下一層加工的加工策略。

1 腹板面厚度檢測

將槽的底面定義為腹板面。測量腹板面的過程如下：

（1）對在機(jī)厚度測量裝置進(jìn)行標(biāo)定。

（2）將刀具從主軸上拆下，換上在機(jī)厚度測量裝置。

（3）檢測點(diǎn)規(guī)劃，如圖6所示。

（4）基于監(jiān)測點(diǎn)生成數(shù)控程序，輸入數(shù)控機(jī)床。

（5）控制機(jī)床一一測量檢測點(diǎn)，記錄下檢測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲并傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和處理。

2 側(cè)面厚度檢測

對于不平行于機(jī)床工作臺的側(cè)面的厚度測量，如圖7為Benchmark零件中一個(gè)槽的側(cè)面，需要轉(zhuǎn)動裝置中的擺頭部分，帶動探頭轉(zhuǎn)動到該面的法向位置，再按測腹板面的方法進(jìn)行測量。圖8為本裝置測量時(shí)的狀態(tài)。

圖5 Benchmark零件的數(shù)學(xué)模型Fig.5 Digital model of Benchmark

圖6 待檢測的點(diǎn)Fig.6 Points to be detected

為了保證順利的檢測，運(yùn)動后主軸的坐標(biāo)需要進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換。如圖9所示，假設(shè)該面與YZ平面垂直，與XY平面Y負(fù)半軸的夾角為α，探頭轉(zhuǎn)動的角度也為α，假設(shè)探頭夾持部分及擺頭可轉(zhuǎn)動部分總長度為l1，轉(zhuǎn)角頭部分長度為l2，該檢測點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y，z），那么，機(jī)床主軸的坐標(biāo)位置為（x，y+l1，z+l1+l2）。其他位置經(jīng)轉(zhuǎn)換也可如上計(jì)算。

圖7 Benchmark零件的側(cè)面Fig.7 Side face of Benchmark

圖8 測量過程Fig.8 Measuring process

圖9 主軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換Fig.9 Coordinate conversion of milling spindle

結(jié)束語

針對大型薄壁零件的在機(jī)厚度檢測的難點(diǎn)，本文通過將在機(jī)檢測技術(shù)與超聲波測厚技術(shù)相結(jié)合，基于航空企業(yè)的檢測需求設(shè)計(jì)一種基于超聲波測厚的數(shù)控加工在機(jī)厚度測量裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)控加工過程中對所加工的零件的厚度進(jìn)行自動實(shí)時(shí)檢測，提高檢測效率與檢測精度，減少加工時(shí)間，降低加工成本。

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