一种基于超声信号及力学信号的在机测厚系统的制作方法

本发明属于电子检测设备领域，特别是应用在多轴联动数控机床中或者是多自由度关节臂中，用于对目标零件进行快速测厚的一种在机测厚系统，具体地说是一种基于超声信号及力学信号的在机测厚系统。

背景技术：

以火箭贮箱壁板、火箭喷管、飞机蒙皮等为代表的大型薄壁件是航空航天重大装备上的关键件，其加工剩余壁厚须满足等壁厚或按一定规律变壁厚的加工要求。在机测量获得零件毛坯壁厚或加工中的剩余壁厚分布状态，是实施零件加工目标曲面再设计和壁厚误差自动补偿的核心工艺环节。然而，由于该类零件结构尺寸较大、整体面形复杂、待测点多，实现高效、精密在机测厚极其困难。

超声波测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当超声传感器发射出的超声波通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回超声传感器，通过精确测量超声波在材料中的传播时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速率在其内部传播的各种材料均可采用此原理。

在用超声波法测量零件厚度时，传感器与被测工件表面会有一个空气层，该层空气界面将使声波反射而无法有效地传入工件以达到检测目的。所以在检测时需要用到耦合剂来排除超声传感器与被测工件之间的空气，使超声波能够有效地穿入工件达到检测目的。所以为了避免超声波在遇到空气后的急剧衰减，排出超声波传感器和被测工件之间的空气，采用耦合剂进行去除。

在实际生产过程中，大型薄壁件的超声厚度检测多为人工手持检测，这种方法的检测存在测量效率低、劳动强度大、结果一致性差等问题，因此其测量窘境亟待改善。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供自动化程度高、省心省力，并且测量精度高，可实现测量与加工一体化的一种基于超声信号及力学信号的在机测厚系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种基于超声信号及力学信号的在机测厚系统，该在机测厚系统由测厚执行装置、超声信号采集模块、力学信号采集模块和数据处理器搭建构成；超声信号采集模块由信号缆线依次连接的超声传感器、超声信号调控装置和示波器组成；力学信号采集模块由信号缆线依次连接的三维力传感器和a/d采集卡组成；a/d采集卡和示波器均经信号缆线与数据处理器相连接；超声传感器和三维力传感器均设置在测厚执行装置上，测厚执行装置安装在数控机床上实现与数控装备的在机集成，数据处理器与数控机床控制电信号相连接。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的测厚执行装置由转接刀柄以及测力仪转接板、第一预紧弹簧、触发装置、内部滑动装置和位姿自动找正装置组成；三维力传感器通过螺栓组固定安装在测力仪转接板上，转接刀柄固定安装在三维力传感器的上端面上，该转接刀柄的上端面成型有用于使数控机床夹持的刀柄；触发装置包括有外部限位套，测力仪转接板螺旋安装在外部限位套的上端口中；内部滑动装置包括有滑动套，滑动套的上部能上下滑动地套装在外部限位套的下端口中，第一预紧弹簧位于外部限位套内，并且第一预紧弹簧套装在滑动套的上端，该第一预紧弹簧的上端与测力仪转接板相顶接，第一预紧弹簧的下端顶接在滑动套成型的限位凸台上，所述的位姿自动找正装置铰链安装在滑动套的下端，超声传感器安装在位姿自动找正装置中。

上述的位姿自动找正装置由球铰链转向轴、前端缓冲限位套、第二预紧弹簧和找正限位套组成；球铰链转向轴与前端缓冲限位套的上套口液密封固定相套装，该球铰链转向轴的上端延伸出前端缓冲限位套的上套口，并且球铰链转向轴的上端成型有用于与滑动套铰链安装的球头，找正限位套的上端轴向滑动地套装在前端缓冲限位套的下套口中，第二预紧弹簧位于前端缓冲限位套中且套装在球铰链转向轴上，该第二预紧弹簧的上端与球铰链转向轴成型的圆环凸台相顶接，第二预紧弹簧的下端与找正限位套的上端环形面顶压相配合；上述的超声传感器安装在球铰链转向轴的底面且位于找正限位套的套腔中。

上述的找正限位套的下端成型有四个通过接触待测薄壁的表面使位姿自动找正装置自主找正位姿的找正触爪，四个找正触爪在找正限位套的下端呈花瓣状均匀分布；找正限位套上开有径向设置的耦合剂进液口和带有密封圈的引线孔，引线孔中引出有与超声传感器相连的信号缆线，耦合剂进液口配装有耦合剂进液管。

上述的触发装置包括上述的外部限位套以及磁性接近开关和开关安装座；开关安装座固定安装在外部限位套的外壁上，磁性接近开关固定在开关安装座上；内部滑动装置包括上述的滑动套以及能随滑动套上下同步移动的随动螺钉；滑动套的限位凸台的周面上开有径向延伸的随动螺钉安装孔，随动螺钉螺旋安装在随动螺钉安装孔上。

上述的外部限位套上在位于安装开关安装座的下方开有轴向延伸的u型滑槽，随动螺钉由外部限位套的内部延伸出u型滑槽并与u型滑槽滑动相配合；磁性接近开关与随动螺钉感应触发相配合，该磁性接近开关感应随动螺钉产生的电信号经信号缆线与数据处理器相连接。

上述的滑动套的下端成型有断面为半圆形的铰链部，铰链部的底端加工有第一半球状型腔，铰链部通过螺钉配装有断面为半圆形的球铰压紧块，该球铰压紧块的底端与第一半球状型腔相对应成型有第二半球状型腔，第一半球状型腔和第二半球状型腔相配合构成了铰链球铰链转向轴上端球头的球状型腔。

上述的三维力传感器和a/d采集卡的连接间设置有方便接线布线的端子板。

与现有技术相比，本发明的测厚执行装置上集成有三维力传感器及超声传感器。三维力传感器能将测厚执行装置在测厚过程中受到的力学信号反馈给数据处理器，从而使数据处理器能根据收到的力学信号计算识别出测厚执行装置在接触待测薄壁待测点时的有效位姿。超声传感器能将测得的超声回波信号传送至示波器，并由示波器将调制解调后的超声回波信号输送到数据处理器计算处理，数据处理器能将三维力传感器及超声传感器输送的信号经运算处理后转化为数控机床需要的最佳移动路径，使控制数控机床能带动测厚执行装置移动，从而获得精确的厚度测量结果。

附图说明

图1是本发明的构成示意图；

图2是图1中测厚执行装置的装配结构示意图；

图3是本发明测厚执行装置的局部剖视结构图；

图4是本发明位姿自动找正装置的剖视结构图；

图5是本发明处于找正状态时的局部剖视结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

其中的附图标记为：待测薄壁c、耦合剂进液管g、u型滑槽h、耦合剂进液口k、限位凸台t、圆环凸台u、信号缆线x、测厚执行装置1、转接刀柄11、刀柄111、测力仪转接板12、第一预紧弹簧13、触发装置14、外部限位套141、磁性接近开关142、开关安装座143、内部滑动装置15、滑动套151、随动螺钉152、铰链部153、球铰压紧块154、位姿自动找正装置16、球铰链转向轴161、前端缓冲限位套162、第二预紧弹簧163、找正限位套164、找正触爪165、超声传感器21、超声信号调控装置22、示波器23、三维力传感器31、端子板32、a/d采集卡33、数据处理器4。

图1至图5为本发明的结构示意图，如图所示，本发明公开了一种基于超声信号及力学信号的在机测厚系统，该在机测厚系统由测厚执行装置1、超声信号采集模块、力学信号采集模块和数据处理器4搭建构成。其中：超声信号采集模块由信号缆线x依次连接的超声传感器21、超声信号调控装置22和示波器23组成。超声传感器21用于探测待测薄壁c的超声回波信号，超声信号调控装置22是用于调整测量不同材料的对应超声信号参数，而示波器23用于调制解调超声回波信号。力学信号采集模块则由信号缆线x依次连接的三维力传感器31和a/d采集卡33组成。三维力传感器31用于反馈测厚执行装置1在测厚过程中的受力参数，a/d采集卡33则用于采集三维力传感器31测得的模拟或数字信号。为了使三维力传感器31和a/d采集卡33的连接情况一目了然，三维力传感器31和a/d采集卡33的连接间设置有方便接线布线的端子板32，端子板32上置有标签属于辅助连线排除接线故障的一种设备。

a/d采集卡33和示波器23均经信号缆线x与数据处理器4相连接。本发明的超声传感器21和三维力传感器31均设置在测厚执行装置1上，使测厚执行装置1构成了集成有力学及超声传感器的一种测厚执行装置。本发明的测厚执行装置1可以安装在数控机床上，能在数控机床的带动下对待测薄壁c进行测厚检测，从而实现测厚执行装置1与数控装备的在机集成。数据处理器4则通过信号缆线与数控机床控制电信号相连接。本发明的a/d采集卡33能将采集到的信号送到数据处理器4中进行分析、处理。分析即时测量状态下测厚执行装置1的受力情况。数据处理器4主要用于处理超声和力学信号，并根据处理分析处理的结果来控制数控机床移动量。

实施例中如图1至图3所示，本发明的测厚执行装置1主要由转接刀柄11以及测力仪转接板12、第一预紧弹簧13、触发装置14、内部滑动装置15和位姿自动找正装置16组成。转接刀柄11位于测厚执行装置1的顶部，其上端面成型有用于使数控机床夹持的刀柄111，数控机床可以通过夹持刀柄111控制测厚执行装置1移动至待测薄壁c的被测点附近，转接刀柄11的底面通过螺栓固定安装在三维力传感器31的上端面上，三维力传感器31的底面又通过螺栓组固定安装在测力仪转接板12的上板面上。触发装置14由外部限位套141以及磁性接近开关142和开关安装座143组成。外部限位套141成型有轴向贯通的通孔，其通孔的上部加工有外螺纹，通孔的为光滑的套孔。开关安装座143通过焊接固定安装在外部限位套141的外壁上，磁性接近开关142固定在开关安装座143上。测力仪转接板12成型有用于固定安装三维力传感器31的圆形安装平台和位于该圆形安装平台底部的空心圆柱体，该空心圆柱体的外周面上成型有与外部限位套141的外螺纹螺旋配合的内螺纹，从而使测力仪转接板12能螺旋安装在外部限位套141的上端口中。测力仪转接板12安装到位后，测力仪转接板12的圆形安装平台的底部环形面与外部限位套141的上端环形面定位相配合。

本发明的内部滑动装置15由滑动套151以及能随滑动套151上下同步移动的随动螺钉152组成。滑动套151呈圆柱体，滑动套151在靠近中段处成型有限位凸台t，该滑动套151的上半部分伸入到外部限位套141的下端口中，即伸入到外部限位套141通孔成型的光滑套孔中。滑动套151在外部限位套141光滑的套孔中在能沿套孔上下滑动。外部限位套141的下端口成型的直径小于限位凸台t直径的限位台，限位凸台t与限位台相配合从而能防止滑动套151脱出外部限位套141的通孔。滑动套151的限位凸台t的周面上开有径向延伸的随动螺钉安装孔，随动螺钉152螺旋安装在随动螺钉安装孔上。

第一预紧弹簧13位于外部限位套141内，并且第一预紧弹簧13套装在滑动套151的上端，该第一预紧弹簧13的上端与测力仪转接板12成型的定位环形台相顶接，第一预紧弹簧13的下端顶接在滑动套151成型的限位凸台t上，第一预紧弹簧13对滑动套151起到了一个预紧的作用，从而使滑动套151在测厚过程中当受力后能相对地上下移动，保证位姿自动找正装置16有一定的弹性缓冲。

本发明的位姿自动找正装置16铰链安装在滑动套151的下端，超声传感器21安装在位姿自动找正装置16中。

由图4和图5所示，本发明的位姿自动找正装置16由球铰链转向轴161、前端缓冲限位套162、第二预紧弹簧163和找正限位套164组成。前端缓冲限位套162为成型有一个空心滑套腔，球铰链转向轴161穿设在前端缓冲限位套162的空心滑套腔中。球铰链转向轴161的上端延伸出前端缓冲限位套162的上套口即空心滑套腔的上口，并且球铰链转向轴161与前端缓冲限位套162的上套口液密封固定相配装。球铰链转向轴161的上端成型有用于与滑动套151铰链安装的球头。整个位姿自动找正装置16能以球头为圆心改变位姿自动找正装置16位姿方向角度。整个位姿自动找正装置16通过球头铰链在滑动套151的下端，使位姿自动找正装置16在接触待测薄壁c的待测面时，由于受力能以球头为圆心改变位姿自动找正装置16的位姿方向和角度，自主地找正位姿，以保证超声传感器21的测量姿态与被测点处的法向重合，使得超声传感器21的测量姿态自动适应局部待测薄壁c的面形。

本发明的找正限位套164的上端轴向滑动地套装在前端缓冲限位套162空心滑套腔的下口中即下套口中，第二预紧弹簧163位于前端缓冲限位套162中且套装在球铰链转向轴161上，该第二预紧弹簧163的上端与球铰链转向轴161成型的圆环凸台u相顶接，第二预紧弹簧163的下端与找正限位套164的上端环形面顶压相配合，超声传感器21安装在球铰链转向轴161的底面且位于找正限位套164的套腔即空心滑套腔中。第二预紧弹簧163同理起到预紧的作用，当找正限位套164受力时，能通过压缩第二预紧弹簧163沿前端缓冲限位套162的空心滑套腔向上移动，来达到一个缓冲的目的。

实施例中，本发明的找正限位套164的下端成型有四个通过接触待测薄壁c的表面使位姿自动找正装置16自主找正位姿的找正触爪165，四个找正触爪165在找正限位套164的下端呈花瓣状均匀分布；找正限位套164上开有径向设置的耦合剂进液口k和带有密封圈的引线孔，引线孔中引出有与超声传感器21相连的信号缆线x，耦合剂进液口k配装有耦合剂进液管g。本发明的耦合剂进液口k处于找正限位套164的中部位置，找正限位套164前端设计有花瓣状的找正触爪165，在接触待测薄壁c的待测面时，四个找正触爪165中的任意一个找正触爪165触碰到待测薄壁c的待测表面时，会自主找正位姿，直至其中的三个找正触爪165或者四个找正触爪165贴合在待测薄壁c的待测表面方才停止找正状态。由于本发明设置有第一预紧弹簧13和第二预紧弹簧163，因此能使位姿自动找正装置16的整个找正位姿状态都属于柔性接触。

实施例中如图5所示，本发明的外部限位套141上在位于安装开关安装座143的下方开有轴向延伸的u型滑槽h，随动螺钉152由外部限位套141的内部延伸出u型滑槽h并与u型滑槽h滑动相配合；磁性接近开关142与随动螺钉152感应触发相配合，该磁性接近开关142感应随动螺钉152产生的电信号经信号缆线x与数据处理器4相连接。本发明的开关安装座143固定的位置在随动螺钉152移动方向上，当测厚执行装置1触及工件待测薄壁c时，内部滑动装置15的滑动套151带动安装在其上的随动螺钉152后退向上移动。由于随动螺钉152自由地伸出外部限位套141的u型滑槽h。当随动螺钉152向上滑动至预定距离时，便能触发上方安装在开关安装座143上的磁性接近开关142。当随动螺钉152到达预定距离后触发磁性接近开关142时，磁性接近开关142会向数据处理器4发送电信号，此时数据处理器4就会通过电信号控制耦合剂进液装置通过耦合剂进液管g将耦合剂注入由待测薄壁c、找正限位套164、前端缓冲限位套162形成的空腔中，以排除超声传感器21与待测薄壁c间的空气，保证超声波能够有效地穿入工件达到精确检测目的。

实施例中如图4和图3可以看出，滑动套151的下端成型有断面为半圆形的铰链部153，铰链部153的底端加工有第一半球状型腔，铰链部153通过螺钉配装有断面为半圆形的球铰压紧块154，该球铰压紧块154的底端与第一半球状型腔相对应成型有第二半球状型腔，第一半球状型腔和第二半球状型腔相配合构成了铰链球铰链转向轴161上端球头的球状型腔。球铰压紧块154的设计方便了球铰链转向轴161与滑动套151的连接配装。

本发明在测厚执行装置1上安装有超声传感器21和三维力传感器31，超声传感器21用于采集待测薄壁c的超声回波信号，三维力传感器31用于测量测厚执行装置1受力的力学信号，采集获得的超声回波信号和力学信号，均通过信号缆线x传送至数据处理器4，进行计算识别出接触待测薄壁c待测点的有效位姿。依据示波器23识别出的超声回波信号传输至数据处理器4中，数据处理器4解算出超声传感器21的位姿偏角。数据处理器4将位姿偏角转化为数控机床需要的最佳移动路径，控制数控机床带动测厚执行装置1移动，微调超声传感器21的位姿，再次分析超声回波信号，直到得出待测薄壁c待测点的最终厚度测量结果。

测厚执行装置1在具体检测操作时，超声传感器21的姿态将随位姿自动找正装置16绕球铰链转向轴161的球头自由的动态调整，以确保超声传感器21测量姿态与被测点处的法向重合，使得超声传感器21测量姿态自动适应局部待测薄壁c的面形。在接触力反作用下，内部滑动装置15中的滑动套151将沿外部限位套141的光滑的套孔导向轴向滑动，压迫第一预紧弹簧13，实现接触时缓冲。

测厚执行装置1在与待测薄壁c接触受力处于被动找正状态时，位姿自动找正装置16预先接触到待测薄壁c的表面，由于位姿自动找正装置16的四个找正触爪165的前端会预先对待测面法矢进行初步找正，带动球铰链转向轴161的球头在滑动套151与球铰压紧块154构成的球状型腔内旋转。当测厚执行装置1运动到预定行程范围内时，位姿自动找正装置16的找正限位套164会沿着前端缓冲限位套162的空心滑套腔收缩，直至超声传感器21接触到待测薄壁c的表面。测厚执行装置1继续向下运动，带动内部滑动装置15的滑动套151沿外部限位套141收缩，直至滑动套151上的随动螺钉152触发磁性接近开关142。此时再由数据处理器4控制向由待测薄壁c、找正限位套164、前端缓冲限位套162形成的空腔供应耦合剂，达到包裹超声传感器21去除空气层的目的。见本发明附图5中，箭头指向便为耦合剂的流向。同时，三维力传感器31实时感测接触力，并反馈至数据采集模块，经由实现传感器与被测面稳定接触，以确保测量结果的一致性和可靠性。

本发明的特点是：

1、测厚执行装置集成了力学及超声传感器，能依据传感器接触状态控制耦合剂的自动供给。

2、由第一预紧弹簧和第二预紧弹簧两道预紧弹簧构成了二级缓冲结构，避免了超声传感器与待测工件的刚性接触。

3、建立超声回波信号与力学信号与传感器位姿角度关系，实现控制数控机床调整位姿，达到测量薄壁件壁厚的目的。

4、位姿自动找正装置能通过四花瓣状结构的找正触爪预先被动找正传感器测头的姿态。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。