一种用于超声测量接触状态的自适应调整方法与流程

本发明属于检测技术领域，涉及一种用于超声测量接触状态的自适应调整方法。

背景技术：

超声波因具有材料透射、界面反射的无损检测优势，被应用于高端装备关键零部件的厚度、残余应力等几何量与物理量的测量。超声测量时，为获得高稳定的超声回波信号，不仅要求探头与被测表面贴合，而且要求超声探头与被测材料表面之间可靠接触，即保持一定的接触力，其大小对超声信号的影响至关重要。接触力偏小则接触不稳定，导致信号回波能量低，信噪比小；而接触力过大，非但不会引起回波信号能量的持续增加，反而会破坏被测表面。在实际超声检测中，通常由经验丰富的操作人员手持超声传感器触碰被测表面、调整传感器的姿态，同时眼观回波信号强度，实施被测量的超声检测。该操作过程存在如下问题：一是超声传感器与被测表面的接触状态往往凭借人工经验判断，测量结果的一致性和稳定性都较差；二是人工辅助完成超声测量的数据采集工作，测量效率低、劳动强度大。为此，如果能够引入接触感知环节，并通过感知信号实现接触状态自适应调整，对于保证传感器与被测面可靠接触、提高超声回波信号的稳定性具有重要意义。

2016年，薛海峰等人在公开号为cn105910742a的专利中，提出了“一种超声波残余应力测试表面定位耦合装置”，利用可以柔软变形的胶膜袋实现探头与待测表面相对平行，但是该方法难以保证多次测量中接触状态稳定性。2016年，刘彬等人在公开号为cn105910742a的专利中，设计了“一种便携式的超声波探头压力调控装置”，利用压敏传感器实现探头与试样间耦合压力的控制，但是该方法不适用于大尺寸的试件测量。

上述方法或装置均未提及超声传感器姿态和接触力的可靠控制问题，难以实现超声传感器接触状态的自适应调整，不能满足几何与物理参量超声自动、可靠测量的要求。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是克服现有方法存在的不足，针对几何与物理参量超声检测中接触状态调控难题，发明了一种用于超声测量接触状态的自适应调整方法。该方法采用了十字连轴节机构，完成接触状态的感知及自适应调整；实现超声探头相对待测材料表面姿态的自动调节；采用应变采集子系统e，构建基于应变检测的接触感知系统，用于超声探头与待测面的接触感知；能实现超声探头与待测材料表面间的接触状态自适应调整，保证接触可靠，提高了超声回波信号的稳定性。

本发明采用的技术方案是一种用于超声测量的接触状态自适应调整方法，其特征是，该调整方法采用了接触感知系统，接触感知系统由十字连轴节机构d、应变采集子系统e和超声探头8组成；调整方法的具体步骤如下：

第一步组装接触感知系统

先装配十字连轴节机构d，短u型件10与长u型件6通过销钉9连接，超声探头构件8通过左右两个传感器组件销钉7与长u型件6连接；以上销钉与孔均采用间隙配合，保证该十字连轴节机构d能够自由旋转；短u型件10通过四个机构螺栓5与接触感知件4下端面连接，当超声探头构件8下表面b与待测材料表面接触姿态不平行时，在超声探头构件8与待测面接触力的作用下，长u型件6能够绕短u型件10的b轴转动，同时，超声探头构件8也能够绕长u型件6的a轴转动，对接触姿态进行调整；

然后装配应变采集子系统e，应变采集子系统e包括应变片3、温度补偿片11、应变采集模块13和机床plc模块12；进行应变片布点：将四个应变片3分别安装在接触感知件4外表面的四处正交分布的簧片连接处a，以获得较高的应变测量灵敏度；温度补偿片11安装在接触感知件4的下法兰面b上，接触感知件4的上端面通过四个转接杆螺栓2与法兰式主轴转接杆1连接；接触感知件4具有弹簧片式结构，具有纵向簧片f和横向簧片d以及连接簧片e，且横向簧片d与纵向簧片f方向正交设计，以保证整体刚度均匀，且每个簧片相互间有间隙；将机床plc模块12与应变采集模块13相连，并将四个应变片3分别与应变采集模块13相连接，对采集接触感知件4上多点的应变数据进行数据分析；

第二步将接触感知系统通过法兰式主轴转接杆1与刀柄相连，实现与数控机床集成；机床控制接触感知系统实施测量趋模运动。

第三步进行应变采集；

应变采集模块13按照设定频率采集接触感知零件4上应变片3的应变数据；通过机床plc模块12计算综合应变ε，即为应变片3所有应变数据求和。按如下公式计算机床沿+z轴方向位移增量δd，

δd＝0.618k(εaim-ε)(1)

其中，k为线性关联系数，通过标定获得；εaim为目标应变。

在测量趋模过程中，长u型件6和超声探头构件8将分别绕b轴和a轴转动，自动完成超声探头构件8的测量姿态调整，使得超声探头组件下表面b与待测材料表面可靠接触；若综合应变ε满足条件|ε-εaim|≤δ，其中δ为控制阈值，则停止测量趋模运动，触发信号采集功能；然后，机床控制接触状态调整装置实施测量离模运动，完成超声测量。

本发明的有益效果是接触感知系统结构紧凑，能实现超声探头与待测材料表面间的接触状态自适应调整，保证接触可靠，提高了超声回波信号的稳定性；接触感知系统可以安装在机床主轴上，实现接触式超声自动、可靠测量，提高了测量精度与效率。

附图说明：

附图1-接触感知系统结构示意图，图，其中：1-法兰式主轴转接杆，2-转接杆螺栓，3-应变片，4-接触感知件，5-机构螺栓，6-长u型件，7-传感器销钉，8-超声探头构件，9-销钉，10-短u型件，11-温度补偿片，12-机床plc模块，13-应变采集模块，a-簧片连接处，b--接触感知件下法兰面，c-超声探头下表面，a-a轴，b-b轴，d-十字连轴节机构，e-应变采集子系统。

附图2-接触感知件4的结构图，其中：d-横向簧片，e-连接簧片，f-纵向簧片。

附图3为应变与位移关系标定曲线，其中：εaim-目标应变，δ-控制阈值，横轴表示位移，纵轴表示综合应变，实线为实测曲线，虚线为拟合曲线。

附图4为超声测量接触状态的自适应调整方法流程图。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图说明本发明的具体实施方式：

实施例如图1、2所示，该调整方法采用了接触感知系统，接触感知系统由十字连轴节机构d、应变采集子系统e和超声探头构件8组成；如附图4所示。调整方法的具体步骤如下：

第一步组装接触感知系统，

首先，装配十字连轴节机构d，先装配十字连轴节机构d，短u型件10与长u型件6通过销钉9连接，超声探头构件8通过左右两个传感器组件销钉7与长u型件6连接；以上销钉与孔均采用间隙配合，保证该十字连轴节机构d能够自由旋转；短u型件10通过四个机构螺栓5与接触感知件4下端面连接，当超声探头构件8下表面b与待测材料表面接触姿态不平行时，在超声探头构件8与待测面接触力的作用下，长u型件6能够绕短u型件10的b轴转动，同时，超声探头构件8也能够绕长u型件6的a轴转动，对接触姿态进行调整；

然后装配应变采集子系统e，应变采集子系统e包括应变片3、温度补偿片11、应变采集模块13和机床plc模块12；将四个应变片3分别安装在接触感知件4外表面的四处正交分布的簧片连接处a，以获得较高的应变测量灵敏度；温度补偿片11安装在接触感知件4的下法兰面b上，接触感知件4的上端面通过四个转接杆螺栓2与法兰式主轴转接杆1连接；接触感知件4具有弹簧片式结构，具有纵向簧片f和横向簧片d以及连接簧片e，且横向簧片d与纵向簧片f方向正交设计，以保证整体刚度均匀。每个簧片厚1mm，相互间隙大于1.5mm，四处簧片连接处c厚1.25mm。将机床plc模块12与应变采集模块13相连，并将四个应变片3分别与应变采集模块13相连接，对采集接触感知件4上多点的应变数据进行数据分析。

应变片布点：如附图1所示，将四个120ω的应变片3分别粘贴至接触感知零件4的四处簧片连接处a，其单轴应变栅方向与z轴方向平行；将一个120ω的温度补偿片11粘贴至接触感知零件4的零件法兰面b处，方向任意，用于补偿温度，完成布点。

第二步将接触感知系统通过法兰式主轴转接杆1与刀柄相连，实现与数控机床集成；机床控制接触感知系统实施测量趋模运动。

第三步进行应变采集，完成超声测量。

应变采集如附图4所示，首先控制接触状态调整机床，以一定的速度沿+z轴方向实施趋模运动，至超声探头构件8下表面c与待测材料表面接触平行后。平衡应变采集桥路，并将应变反馈给计算机；将采集的应变数据传递给与之相连的采样率为1hz的应变采集模块13，并由计算机分析数据；当应变仪读数非零时，按位移增量1mm进行测量，共获得10组综合应变ε与位移d的数据对，测量数据如表1所示。采用线性拟合的数据处理手段，获得应变与位移关系表达式为d＝13.9ε，即k＝13.9，如附图3所示。其中：εaim-目标应变，δ-控制阈值，横轴表示位移，纵轴表示综合应变，实线为实测曲线，虚线为拟合曲线。

表1

应变采集模块13采集应变片3的应变数据，传输至机床plc模块12，并按公式(1)计算位移增量δd＝0.618×13.9(εaim-ε)，其中，根据标定结果，为了使接触状力不破坏被测件表面且接触力较大，设定目标应变εaim＝120；同时，在接触力的作用下，十字连轴节机构d能够完成两自由度的相对旋转，实现超声探头构件8接触姿态的感知与自动调节；当综合应变ε在设定阈值范围δ＝20内，机床趋模运动停止，触发信号采集功能，其中，阈值δ是根据有限元仿真得到的使接触力保持稳定的综合应变的变化范围确定的；然后，机床控制接触状态调整装置离模运动，完成测量。

本发明可实现超声探头接触状态的感知与自适应调整，增加了接触状态的稳定性与可靠性，提高了测量精度与效率，为接触姿态可靠控制提供了一种有效的解决方案。