机床数控超声自动检测附件及其完成的时间同步控制方法

机床数控超声自动检测附件及其完成的时间同步控制方法
【专利摘要】本发明属于超声自动检测的【技术领域】，具体涉及一种机床数控超声自动检测附件及其完成的时间同步控制方法，解决了现有超声自动检测技术存在的问题。其利用机床作为检测平台，包括超声发射接收部件、超声辅助探测部件、超声耦合部件以及数控部件，所述方法，附件中探头的姿态控制和超声的发射接收是通过“时间同步法”来实现与机床工作的协同。本发明采用了产品族设计的思想，可以快速设计制造出能满足不同类型、不同型号机床需要的品种，本发明可以快速地安装在机床上，通过提出的“时间同步法”控制附件与机床协同工作，实现工件在加工过程中的在线超声检测。
【专利说明】机床数控超声自动检测附件及其完成的时间同步控制方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于超声自动检测的【技术领域】，具体涉及一种机床数控超声自动检测附件 及其完成的时间同步控制方法，其利用机床作为检测平台，扩大了机床的适用范围，使不同 种类的机床具有在线超声自动检测功能。

【背景技术】
[0002] 随着工业生产中质量意识的不断提高和市场竞争压力的加大，无损检测技术在全 面质量控制中越来越起着举足轻重的作用。而超声检测这种应用最广泛、使用频率最高的 无损检测技术，借助于计算机技术、自动控制技术、电子技术、机电一体化技术、信号处理技 术等正向着数字化、图像化、智能化和自动化方向发展，集中体现在研究开发数字化、图像 化、智能化的自动检测系统。但自动检测技术的发展还存在下列问题： 1、超声自动检测设备投资费用高昂，往往要几十万，几百万甚至上千万，而且绝大多数 是针对某一种至多是几种被检工件的封闭式专用系统，检测对象范围窄，通用性差，检测成 本1?。
[0003] 2、超声自动检测是传感器、机械、电子、控制、计算机、信号处理、图像处理及显示 等多种技术的集成，其技术复杂程度较高，开发难度较大。
[0004] 3、零件的超声检测与加工在不同的设备上完成，增加了检测的辅助时间，降低了 检测效率，增加了检测成本。
[0005] 4、超声检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，阻碍了超声 自动检测技术的应用和发展。
[0006] 由于上述问题的存在，目前超声自动检测技术还主要应用于一些缺陷严重影响其 工作性能甚至造成灾难性后果的构件，如航空、航天、兵器、船舶、核工业和石油管道等领 域的一些关键构件的检测和监控，而对大量的普通零件不进行检测，即使检测大多还停留 在手工检测阶段，采用自动检测技术的很少。


【发明内容】

[0007] 本发明为了解决现有超声自动检测技术存在的上述问题，提供了一种机床数控超 声自动检测附件及其完成的时间同步控制方法。
[0008] 本发明采用如下的技术方案实现： 机床数控超声自动检测附件，其特征在于其利用机床作为检测平台，包括超声发射接 收部件、超声辅助探测部件、超声耦合部件以及数控部件； 所述的超声发射接收部件包括超声探头和超声发射接收装置； 所述的超声辅助探测部件包括与所使用机床的刀具标准安装接口相匹配的检测附件 定位安装接口模块、超声耦合部件定位安装接口以及附加扫描运动模块； 附加扫描运动模块包括动力模块以及无自由度扫描机构和/或有自由度扫描机构；无 自由度扫描机构包括将超声探头安装于机床刀柄上的连接件，有自由度扫描机构为定长扫 描机构和/或有自由度常规扫描机构；定长扫描机构可辅助机床运动到工件表面某点时探 头在转动过程中相对于此点距离保持不变，定长扫描机构包括平行四边形扫描机构和/或 空间虚点扫描机构；平行四边形扫描机构和空间虚点扫描机构包括一级自由度和/或二级 自由度扫描机构；平行四边形扫描机构包括依次铰接的公共基座、杆一、杆二以及滑动杆， 公共基座的延伸段、杆一、杆二以及滑动杆的延伸段形成平行四边形，公共基座的延伸段和 滑动杆的延伸段的交点与检测点重合，超声探头安装于滑动杆上，公共基座与机床刀柄连 接； 空间虚点扫描机构包括支撑臂和可转动的旋转臂，旋转臂上安装超声探头，超声探头 沿与检测点定长距离的运动轨迹运动，支撑臂与机床刀柄连接，空间虚点扫描机构为虚点 边沿扫描机构和/或虚点跨工件扫描机构； 有自由度常规扫描机构为常规跨工件一自由度扫描机构和/或常规一自由度边沿扫 描机构； 所述的超声耦合部件，包括用来实现不同规格探头的定位安装的探头安装模块和用来 实现工件与探头之间超声耦合的超声耦合装置； 所述数控部件是控制超声的发射接收、超声耦合、附加扫描运动并与数控机床的主扫 描运动相协同。
[0009] 所述的平行四边形一级自由度扫描机构包括喷水部件I，喷水部件I通过滑块I 安装于滑动杆上并通过螺钉紧固，轴三与滑动杆固连，且轴三通过轴承可转动安装于杆二 上，齿轮六安装于轴三上，齿轮五通过轴安装于杆二上，齿轮四与杆一固连，轴二与杆二固 连，且轴二通过轴承可转动安装于杆一上，齿轮三与轴二固连，齿轮二通过轴安装于杆一 上，齿轮一与公共基座固连，轴一与杆一固连，轴一通过轴承可转动安装于公共基座上；齿 轮二同时与齿轮一和齿轮三哨合，齿轮五同时与齿轮四和齿轮六哨合，杆一与滑动杆平行； 公共基座安装于基座上，基座直接安装于机床的刀架台。
[0010] 平行四边形二级自由度扫描机构，代替基座直接与机床刀柄连接的是基座上通过 轴承安装有机床连接柄，机床连接柄另一端安装于机床的刀架台上，带动基座绕机床连接 柄相对转动的电机也安装于基座上。
[0011] 所述的空间虚点扫描机构为虚点边沿一级自由度扫描机构，其包括喷水部件II， 喷水部件II通过连接块II安装于滑座II上，滑座II定位安装在支撑臂一上并通过螺钉紧 固，滑座II可以在支撑臂一上滑动，支撑臂一通过键定位安装于转轴II上、并通过螺钉锁 紧，转轴II通过轴承一可转动安装于支撑臂二上，转轴II通过键与带轮一相连，带轮二通过 键与电机一相连，电机一通过螺钉定位安装于安装座上，安装座通过螺钉定位安装于支撑 臂二上，带轮一与带轮二用齿形带相连，轴承一通过轴承端盖II压紧在支撑臂二定位孔中， 支撑臂二通过螺钉安装与支撑臂三上，支撑臂三安装于支撑底座上，支撑底座定位安装于 机床的刀架台上。
[0012] 虚点边沿二级自由度扫描机构，代替支撑臂三安装于支撑底座上的是：支撑臂二 和支撑臂三上通过螺钉安装加强筋，支撑臂三上定位安装电机二，电机二通过键连接带轮 三，机床连接柄II通过轴承定位安装于支撑臂三上、其一端端部用定位座和螺栓固定，带轮 四通过键连接在机床连接柄II上，带轮三与带轮四用齿形带相连，机床连接柄II另一端安 装于机床的刀架台上，机床连接柄II的中心线与转轴II的中心线相交。
[0013] 所述的空间虚点扫描机构为虚点跨工件扫描机构，包括喷水部件III，喷水部件III 通过连接块III安装于旋转支撑臂连杆上，旋转支撑臂连杆安装于旋转支撑臂的外端，旋转 支撑臂定位在滑座III的滑槽中，并可在滑座III和滑座端盖二组成的滑槽中滑动，利用紧定 螺钉III对旋转支撑臂进行固定，滑座III通过螺钉与空心轴相连，空心轴通过轴承III安装于 可调支撑臂上，空心轴通过键与电机III相连，轴承III通过轴承端盖III压紧在可调支撑臂III 定位孔中，可调支撑臂III定位在滑座III的滑槽中，并可在滑座III和滑座端盖二组成的滑槽 中滑动，利用紧定螺钉对可调支撑臂III进行固定，滑座III通过螺钉安装于支撑座III上，支撑 座III通过螺钉安装于支撑底座III上，将加强筋III通过螺钉安装在支撑座III上，将支撑底座 III定位安装于车床的刀架台上。
[0014] 所述常规跨工件一自由度扫描机构，旋转支撑臂连杆安装于旋转支撑臂的外端替 代为旋转支撑臂连杆安装于旋转支撑臂的内端。
[0015] 所述常规一自由度边沿扫描机构包括喷水部件IV，喷水部件IV通过滑块IV安装于 滑臂上，可在滑臂上滑动，通过螺钉IV锁紧，滑臂IV定位安装于转轴IV上，转轴IV通过轴承 定位安装于支撑臂IV-上，用轴承挡盖IV压紧，使轴承IV可相对于支撑臂IV-转动，电机IV 定位安装于电机座上，并与转轴IV相连，电机座通过螺钉定位安装于支撑臂IV-上，支撑臂 IV-通过螺钉与支撑臂IV相连，支撑臂IV二通过螺钉安装于支撑底座IV上，支撑底座IV定 位安装于车床的刀架台上。
[0016] 本发明使用切削液作为耦合液，利用机床自带的切削液循环系统实现耦合液的循 环，超声耦合装置包括与机床切削液泵连接的两支路，检测支路和加工支路，检测支路管路 上依次安装有节流阀、过滤器、减压阀以及流量计构成耦合液净化装置，耦合液净化装置连 接喷水部件，加工支路管路上依次安装节流阀和喷嘴，喷水部件包括喷嘴以及腔形体，腔形 体底部设置喷水部件定位接口，喷水部件定位接口上开有滑槽安装超声探头。
[0017] 机床数控超声自动检测附件完成的时间同步控制方法，附件中探头的姿态控制和 超声的发射接收是通过"时间同步法"来实现与机床工作的协同，时间同步法，先编制出控 制机床的NC代码，然后根据代码计算出探头运动到各检测点的时间，当机床开始执行NC代 码运动时，附件通过计时可获得探头在某一时刻的检测位置，从而控制探头保持相应的检 测姿态并控制超声波的发射接收，以实现探头对工件的超声扫描检测， 具体步骤如下： a. 利用机床通用数控编程方法编制出"机床加工NC代码"，然后根据加工代码计算生 成"机床检测用NC代码"和"附件用NC代码"； b. 将"机床检测用NC代码"传给数控机床； C.将"附件用NC代码"传给附件的数控部件； d. 机床建立工件坐标系，回检测参考点； e. 附件开始监测机床是否从检测参考点开始运动； f. 机床执行"机床检测用NC代码"开始运动； g. 安装于检测参考点的同步传感器检测到信号，附件开始调整探头姿态并检测； h. 检测完毕，计算机处理检测数据，得出检测结果。
[0018] 本发明采用了模块化设计的思想，可以快速设计制造出能满足不同类型、不同型 号机床需要的品种，以即插即用的方式安装在机床上使用。对该附件进行模块化设计就是 将该附件上同一功能的单元，设计成若干个具有不同性能的、可以互换选用的模块，根据用 户的需要，选择和组合成不同功能或功能相同但性能、规格不同的产品。如图37为模块分 解图。
[0019] 本发明所述方法， 1、"机床加工NC代码"是把超声探头当作一把普通的"加工刀具"，用通用数控加工编 程方法编制的机床控制程序，如用手工编程方法或自动编程方法编制的NC代码。"机床加 工NC代码"的编程方法：数控车床(进给运动为X轴、Z轴2个自由度）可采用4轴铣床（X 轴、Y轴、Z轴、B轴，且Y=0)的编制方法编制。3轴、4轴数控铣床的可采用5轴（3个平动 轴、2个旋转轴）编程方法编制。
[0020] 2、根据"机床加工NC代码"提取出的"机床检测用NC代码"仍然为机床可识别的 NC代码，使得检测时可借助NC代码控制机床运动。
[0021] 3、"附件NC代码"主要根据"机床加工NC代码"计算出机床运动到工件表面各位 置的时间信息作为附件同步工作的参照依据。
[0022] 本发明的有益效果是，可对机床所能加工的各种工件在加工工序之前、加工工序 中间或加工工序之后进行超声自动检测，及时发现工件内部所存在的缺陷，有利地保障了 工件的制造质量。同时，这种技术借用机床实现被检工件和探测器之间的扫描运动并且利 用常规的数控编程方法编制控制程序，降低了实现自动检测的投资成本和技术难度；并且 减少了场地转换和多次装夹的时间，提高了工件的检测速度，减少了运行成本。
[0023] 说明书附图 图1机床数控超声自动检测附件运用于机床示意图， 图2机床数控超声自动检测系统组成示意图， 图3机床数控超声自动检测附件的组成示意图， 图4车床加工示意图， 图5统床球头统示意图， 图6车削加工局部放大图， 图7车削加工局部放大图， 图8车床运动示意图， 图9 NC代码识别处理流程图， 图10车削加工直线运动示意图 图11车削加工圆弧运动示意图， 图12运动时能达到给定进给速度后减速示意图， 图13运动时不能达到给定进给速度即减速示意图， 图14检测过程流程图， 图15平行四边形机构示意图， 图16空间虚点机构示意图， 图17有自由度常规扫描机构示意图， 图18平行四边形机构车床检测示意图， 图19空间虚点机构车床跨工件检测示意图， 图20空间虚点机构未跨工件车床检测示意图， 图21三轴机床示意图， 图22四轴机床示意图， 图23 f先削四轴自动编程7]^意图， 图24铣削四轴自动编程代码用于车床检测示意图， 图25非五轴机床运用常规机构进行检测示意图， 图26五轴机床运用附件进行检测示意图， 图27平行四边形法一自由度扫描机构示意图， 图28平行四边形法二自由度扫描机构示意图， 图29空间虚点法边沿检测二自由度扫描机构示意图， 图30空间虚点法边沿检测一自由度扫描机构示意图， 图31空间虚点法跨工件检测一自由度扫描机构示意图， 图32常规跨工件一自由度扫描机构示意图， 图33常规边沿检测一自由度扫描机构示意图， 图34喷水装置示意图， 图35超声耦合模块示意图， 图36机床数控超声自动检测附件功能分解图， 图37模块分解图， 图中：1.卜喷水郃件I，1. 2-滑块I，1. 3-滑动杆，1. 4-轴二，1. 5-杆二，1. 6-齿轮六， 1. 7-齿轮五，1. 8-齿轮四，1. 9-轴二，1. 10-杆一，1. 11-齿轮三，1. 12-齿轮二，1. 13-齿轮 一，1. 14-轴一，1. 15-公共基座，1. 16-基座，1. 17-电机I，1. 18-机床安装柄I ; 2. 1-喷水部件II，2. 2-连接块II，2. 3-支撑臂一，2. 4-转轴II，2. 5-轴承端盖II， 2. 6-轴承一，2. 7-带轮一，2. 8-带轮二，2. 9-安装座，2. 10-电机一，2. 11-支撑臂二， 2. 12-加强筋II，2. 13-带轮三，2. 14-电机二，2. 15-支撑臂三，2. 16-机床安装柄II， 2. 17-带轮四，2. 18-轴承二，2. 19-定位座，2. 20-滑座II，2. 21-螺钉II，2. 22-滑座端盖 II，2. 23-支撑底座； 3. 1-喷水部件III，3. 2-连接块III，3. 3-旋转支撑臂连杆，3. 4-旋转支撑臂，3. 5-空 心轴，3. 6-轴承III，3. 7-电机III，3. 8轴承端盖III，3. 9-可调支撑臂，3. 10-滑座端盖一， 3. 11-紧定螺钉，3. 12-滑座III，3. 13-支撑底座III，3. 14-支撑座III，3. 15-加强筋III， 3. 16-紧定螺钉III，3. 17-滑座III，3. 18-滑座端盖二； 4. 1-喷水部件IV，4. 2-滑块IV，4. 3-螺钉IV，4. 4-滑臂，4. 5-转轴IV，4. 6-电机IV， 4. 7-电机座，4. 8-支撑臂IV-，4. 9-支撑臂IV二，4. 10-支撑底座IV，4. 11-轴承挡盖IV ; 1-机床，2-工件，3-超声辅助探测部件，4-计算机，5-数控部件，6-超声发射接收部 件，7-超声耦合部件，8-机床切削液箱，9-切削液电机，10-刀架，11-卡盘，12-附件机构， 13-无自由度标准接口，14-藕合液接口，15-探头套，16-探头出口，17-喷嘴，18-下腔体， 19-腔形体，20-耦合部件定位接口。

【具体实施方式】
[0024] 结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0025] 本发明所述的机床数控超声自动检测附件是用于使机床具有超声自动检测功能 的一类自带数控系统的附属装置。本发明与机床集成在一起组成机床数控超声自动检测系 统(如图1、2所ττΟ,实现工件在加工过程中的在线超声自动检测。在该系统中利用机床的 切削液供给回路作为耦合液回路。将超声探头及配套机构安装在机床刀具的安装位置上， 如主轴孔或刀架上，被检工件安装在卡盘或工作台上。检测时，自带数控系统控制探头的附 加扫描运动配合机床所提供的主扫描运动实现对工件的扫描，同时控制超声的发射接收和 耦合液的开关，以实现工件在加工过程中的在线自动检测。检测结果可以通过自动报警或 图像、图形来显示。
[0026] 本发明所述的机床数控超声自动检测附件及其与机床组成的超声自动检测系统 的技术特点是： (1)运用自带数控系统与机床配合实现检测过程的自动化。除工件和探头及配套机构 装卸手工完成外，检测运行过程在程序的控制下自动完成。
[0027] (2)用"时间同步法"实现检测过程中附件的附加扫描运动与机床主扫描运动的协 同工作，以实现对工件，特别是外形比较复杂工件的扫描检测。
[0028] (3)数控程序编制简单。若机床是数控机床，主扫描运动的程序编制同数控加工程 序的编制方法相同，而附件控制系统的控制程序可以根据主扫描运动控制程序自动生成； 若机床是普通机床，主扫描运动利用机床的自动走刀功能来实现，而附件控制系统只控制 超声的发射接收、耦合液的开关及与主扫描运动的协同，因此只要在控制系统中进行简单 的参数设置(如设置检测分辨率等）就可以实现检测过程自动化。
[0029] (4)在机床数控超声自动检测系统中，采用喷水式耦合方式，以切削液作为耦合 液，对机床的切削液供给回路进行简单改造作为耦合液回路。
[0030] (5)机床数控超声自动检测附件的设计采用了产品族的设计思想，它们能共享通 用技术、通用特征、组件或子系统，具有标准化的内部接口，使产品的部件能够完全互换，通 过产品平台可以快速设计制造出能满足不同类型、不同型号机床需要的品种，而且可以即 插即用。理论上附件可以与各种机床组成超声检测系统，但从集成超声检测功能的必要性、 可行性及经济性上综合评价，适合集成超声检测功能的机床主要是金属切削类机床，重点 是车床和铣床。而车床和铣床又有多种类型和型号，还包括车削中心和加工中心。因此本 附件主要针对适合于车床和铣床的超声自动检测附件进行了模块化、参数化设计。
[0031] (6)在机床超声检测系统中，检测结果可以通过简单的自动报警功能来显示，也可 以通过图像、图形来显示：即所检测出的工件内部缺陷如裂纹、气孔、夹杂可以以二维灰度 图像（C扫描、Β扫描等）进行显示，也可以用三维CAD模型进行显示。
[0032] 机床数控超声自动检测附件由超声发射接收部件、超声辅助探测部件、超声耦合 部件、数控部件等组成(如图3所示)。
[0033] ( 1)超声发射接收部件的功能是实现超声的发射和接收，并对接受到的数据进行 模数转换。该部件包括超声探头和超声发射接收装置。
[0034] 超声探头也就是所谓的超声换能器，其功能是实现电能和机械能之间的转换。探 头种类比较多，有直探头、斜探头、表面波探头、水浸探头、相控阵探头等。超声发射接收装 置主要功能是激励超声的发射和接收，对超声信号进行显示、存储、处理等。常见的超声发 射接收装置有超声发射接收卡、模拟探伤卡+A/D卡、台式模拟超声探伤仪+ A/D卡和台式 数字超声探伤仪等。
[0035] (2)超声辅助探测部件的功能是实现自身在机床刀具安装位置上的定位安装、超 声耦合部件的定位安装和附加扫描运动。该部件包括超声辅助探测部件的定位安装接口模 块、超声耦合部件定位安装接口和附加扫描运动模块。
[0036] 超声辅助探测部件定位安装接口模块能与所使用机床的刀具标准安装接口相匹 配，以实现将整个超声辅助探测部件定位安装在机床的刀具安装位置上。超声耦合部件定 位安装接口是一个标准化机械接口，可以实现不同规格的超声耦合部件的定位安装。附加 扫描运动模块的功能是配合机床的主运动共同实现检测扫描。超声检测一般要求超声传播 方向始终与被检测工件表面法线方向重合或成一固定角度，即要求进行探头姿态控制，非 五轴数控机床的运动不能完全满足这一要求，需要超声检测附件具备附加扫描运动模块， 来满足扫描运动功能。
[0037] (3)超声耦合部件的功能是实现探头的定位安装和超声耦合，包括探头安装模块 和超声耦合装置。探头安装模块用来实现不同规格探头的定位安装；超声耦合模块用来实 现工件与探头之间超声耦合。
[0038] (4)数控部件的功能是控制超声的发射接收、超声耦合、附加扫描运动并与数控机 床的主扫描运动相协同。
[0039] 机床数控超声自动检测附件是使不同种类的机床具有超声自动检测功能的一类 自带数控系统的附属装置。该附件与机床集成在一起组成机床数控超声自动检测系统，实 现工件在加工过程中的在线超声自动检测。
[0040] 完备的超声自动检测扫描运动不但需要控制探头的位置，而且还需要控制探头的 姿态。在三维空间，只有5轴数控机床（3个平动轴、2个旋转轴）才能实现这一控制任务， 2轴、3轴、4轴机床都不能完全实现这一要求。为了实现探头的位置和姿态控制，在机床超 声自动检测系统中，检测扫描运动由两部分运动合成：一是由机床提供的扫描运动，称为主 运动；二是由附件提供的扫描运动，称为附加运动。机床数控超声自动检测附件根据提供附 加运动的自由度数可以分为三种类型：无附加运动的附件、有一个旋转运动的附件、有两个 旋转运动的附件。
[0041] 对普通机床使用无附加运动的附件，检测扫描运动由机床的自动走刀功能或手工 控制来实现，附件数控系统只控制超声的发射接收、耦合液的开关及与主扫描运动的协同， 控制功能简单。只适合简单形状工件的检测，如普通车床可以检测圆柱类、圆盘类工件，普 通铣床可以检测平面箱体类零件。
[0042] 对数控机床，例如在数控车床上，要检测复杂的回转面，为了保持探头轴线始终在 回转面的法线上，除了数控车床提供的轴向（Z向)和径向（X向)进给运动外，还需要一个附 加的旋转运动，要用有一个旋转运动自由度的附件来实现；在3轴数控铣床上，要检测复杂 的空间曲面工件时，为了保持探头轴线始终在空间曲面的法线上或与法线保持固定角度， 除了数控机床提供的X、Y、Z三个方向上的进给运动外，还需要两个附加的旋转运动，要用 有两个旋转运动自由度的附件来实现；在4轴数控铣床上，要检测复杂的空间曲面工件时， 要用有一个旋转运动自由度的附件来实现；在5轴数控铣床上，要检测复杂的空间曲面工 件时，用无附加运动的附件来实现。其它数控机床使用哪种类型的检测附件根据实际需要 而定。
[0043] 综上所述，机床数控超声自动检测附件可以适用于普通机床也可适用于数控机 床。普通机床不带数控系统，一般也不需要附件提供附加扫描运动，附件自带数控系统只控 制检测过程，控制功能简单。但对数控机床来说，机床具有自身的控制系统，附件也有自己 的数控系统，两个数控系统怎样协同工作，共同完成扫描运动和检测过程控制是一个核心 问题。
[0044] 另外，在机床数控超声自动检测附件中还要解决超声耦合问题及适应不同类型不 同型号机床的使用问题。
[0045] 因此，对于机床数控超声自动检测附件，特别是适用于数控机床的超声检测附件， 其有以下问题需要解决： (一）在不更改数控机床数控系统情况下，附件自带数控系统控制附加运动与不同种类 的机床协同工作，使探头在检测时保持要求的姿态和位置，且对检测过程进行控制，完成对 工件的检测。
[0046] (二）对于常见加工用非5轴数控机床，如数控车床、三轴数控铣床等，其机床的运 动机构不能保证探头运动到较复杂工件表面时保持检测的姿态要求（即探头与工件的表面 距离保持不变，与工件表面法线夹角保持不变)，需设计一种附加运动机构以保证。
[0047] (三）超声检测时耦合问题。
[0048] (四）为满足不同类型不同型号机床所设计附件的通用性问题。
[0049] 1.机床数控超声自动检测系统控制方法 本发明所要解决的技术问题之一是提供一种利用机床作为检测平台的超声检测控制 方法，能满足在不更改机床数控系统情况下，附件自带数控系统控制检测过程和附加运动 与不同种类的机床协同工作，以实现对工件特别是外形比较复杂的工件进行扫描检测。为 此本专利提出了 "时间同步法"以满足控制要求。
[0050] 1.1时间同步法的定义 "时间同步法"是指"执行体B"根据"执行体A"运动的时间及轨迹信息对应完成相应 动作的一种工作方式，包括编程方法、时间计算方法和具体操作过程。对于机床数控超声自 动检测附件，附件作为"执行体B"，机床作为"执行体A"。通过对"机床加工NC代码"的识 别，提取"机床检测用NC代码"，计算出探头运动到各检测点的时间，并获取相应轨迹参数， 生成"附件用NC代码"。当机床执行"机床检测用NC代码"控制的运动时，附件执行"附件 用NC代码"控制探头转动、探伤仪的触发及耦合液的开关，从而保证它们协同工作。
[0051] L 2控制代码及编程方法 1. 2. 1控制代码 在数控机床与超声检测附件组成的数控超声检测系统中，有三种控制代码："机床加工 NC代码"、"机床检测用NC代码"和"附件用NC代码"。
[0052] "机床加工NC代码"是把超声探头当作一把普通的"加工刀具"，用通用数控加工 编程方法编制的机床控制程序，如用手工编程方法或自动编程方法编制的NC代码。
[0053] "机床检测用NC代码"是检测时用于控制数控机床的程序代码，它可能与"机床加 工NC代码"完全相同，也可能是从"机床加工NC代码"中提取出来的。
[0054] "附件用NC代码"是检测时用于控制附件的数控程序，代码中包含了根据"机床加 工NC代码"计算出的机床运动到工件表面各位置的时间信息及轨迹信息，作为附件同步工 作的参照依据。该代码是以"机床加工NC代码"为基础通过计算生成的，是附件数控系统 可以识别的代码。
[0055] 1. 2. 2编程方法 "机床加工NC代码"可用"常规编程方法"和"特定编程方法"来编制。
[0056] ( 1)常规编程方法 所谓常规编程方法就是什么样的数控机床就采用对应的编程方法编写数控程序的方 法，如数控车床就采用数控车床编程方法编写数控程序，3轴、4轴、5轴数控铣床就采用3 轴、4轴、5轴数控铣床编程方法编写数控程序。用常规编程方法编写的"机床加工NC代码" 直接用作"机床检测用NC代码"。采用"常规编程方法"编制的程序中，只包含了控制机床 的信息，没有控制检测附件附加运动的信息，但以该代码为基础可以计算生成"附件用NC 代码"。
[0057] 对于常见加工用非5轴数控机床，如数控车床、3轴数控铣床等，采用"常规编程方 法"编制的"机床加工NC代码"用作在检测时控制机床的程序时，探头所走的轨迹是工件轮 廓的等距线，但不能实现或不能完全实现对探头的姿态控制，即不能实现探头轴线与工件 表面法线夹角保持不变的要求。
[0058] 例如数控车削控制程序控制车刀运动时，刀尖与工件表面接触，主轴转动，加工出 工件形状，设刀具伸出长度为L (图4, L=albl=a2b2=......=anbn)，由于一次加工时刀具长度不 变，故刀具参考点B (图4, bl，b2,……，bn)在X轴方向离工件表面距离也保持不变，刀具的 姿态保持不变（图4中车刀刀柄始终平行于X轴)。而超声检测需要既控制探头的位置又要 控制探头的姿态，如对于直探头单发单收检测方法，不但要求探头中心与工件表面距离保 持不变，而且要求探头轴线必须在工件表面的法线上。对于3轴数控铣床也具有类似性质， 如图5所示的球头铣刀的参考点(球心）到工件表面距离保持不变，刀具的姿态也保持不变 (图5中刀柄轴线平行于Z轴)，但刀具(刀柄轴线）与工件表面的法线的夹角是变化的。
[0059] 如上所述，采用"常规编程方法"编制的"机床加工NC代码"作为"机床检测用NC 代码"时，探头为了实现检测，需要设计一个能以工件表面上检测点为旋转中心的转动机 构，以图6中的检测点a7为例，转动机构能以a7点为旋转中心转动角度Θ，转动半径为R， 检测距离为X(如图7)。
[0060] (2)特定编程方法 所谓特定编程方法是根据检测的需要，直接编制出不但包含控制机床的信息也包含了 附加运动信息的控制程序的方法，然后从中提取出"机床检测用NC代码"，计算提取出"附 件用NC代码"。如2自由度（X轴、Z轴）数控车床采用4轴铣床（X轴、Y轴、Z轴、B轴）的 精加工程序编制方法编制其检测用控制程序，即把数控车床检测的回转体轮廓曲线作为4 轴数控铣床加工的平面曲线来进行编程，这时Y=〇,只有X、Z、B三个坐标是控制坐标，这个 程序里包含了姿态控制的Β轴旋转信息，这时刀具走出的轨迹和刀具的姿态如图8所示， albl、a2b2、......、anbn表不车刀刀柄所在的位置，它们处于工件表面法线上。同理，3轴、4 轴数控铣床的检测程序采用5轴编程方法编制，控制程序中也包含了姿态控制的两个旋转 轴的信息。
[0061] 1.3 "检测用NC代码"和"附件用NC代码"的提取和生成 如前分析，"检测用NC代码"和"附件用NC代码"是从"机床加工NC代码"中提取、计 算生成的。不论"机床加工NC代码"是采用"常规编程方法"还是"特定编程方法"编制的， 提取、计算生成"检测用NC代码"和"附件用NC代码"的处理流程是相同的： a.分析每行代码，提取机床从开始运动到工件表面各点的时间以及各点的法线方向等 信息，根据此信息生成检测时附件所需的"附件用NC代码"。
[0062] b.在进行a分析每行代码时如转速、进给速度等对于检测时不太合适时，对其进 行适当修改并保存到"机床检测用NC代码"。
[0063] 以下是NC代码识别处理流程（图9 ): 1. 4时间同步法的时间计算方法 根据"时间同步法"原理，需由"机床加工NC代码"计算出探头运动到各检测点的时间。 超声检测附件需要与机床协同工作，在机床主运动控制探头到工件表面每一检测点时附加 机构需要同步转动到其法线方向，因此我们需要计算机床从起点运动到工件表面各检测点 所用的时间。
[0064] 零件的形状轮廓由各种线型(如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、自由曲线等）组成，但 在实际加工中，常常用小段直线或圆弧来逼近(拟合）零件的轮廓曲线，同样在检测过程中 也用直线或圆弧来逼近被检工件的轮廓曲线，即"机床加工NC代码"所描述的轨迹都是直 线或圆弧。因此，我们可通过"机床加工NC代码"求取各检测点的时间信息t和工件表面 法向息，计算方法如下： 设主轴转速为W (r/min)进给速度为F (1)对于直线段ab (如图10) 坐标a(xl, zl)、b (x2, z2)对于直线ab上任意一点c (x3, z3)，其法相量η相同， Of = arctan

【权利要求】
1. 一种机床数控超声自动检测附件，其特征在于其利用机床作为检测平台，包括超声 发射接收部件、超声辅助探测部件、超声耦合部件以及数控部件； 所述的超声发射接收部件包括超声探头和超声发射接收装置； 所述的超声辅助探测部件包括与所使用机床的刀具标准安装接口相匹配的检测附件 定位安装接口模块、超声耦合部件定位安装接口以及附加扫描运动模块； 附加扫描运动模块包括动力模块以及无自由度扫描机构和/或有自由度扫描机构；无 自由度扫描机构包括将超声探头安装于机床刀柄上的连接件，有自由度扫描机构为定长扫 描机构和/或有自由度常规扫描机构；定长扫描机构可辅助机床运动到工件表面某点时探 头在转动过程中相对于此点距离保持不变，定长扫描机构包括平行四边形扫描机构和/或 空间虚点扫描机构；平行四边形扫描机构和空间虚点扫描机构包括一级自由度和/或二级 自由度扫描机构；平行四边形扫描机构包括依次铰接的公共基座、杆一、杆二以及滑动杆， 公共基座的延伸段、杆一、杆二以及滑动杆的延伸段形成平行四边形，公共基座的延伸段和 滑动杆的延伸段的交点与检测点重合，超声探头安装于滑动杆上，公共基座与机床刀柄连 接； 空间虚点扫描机构包括支撑臂和可转动的旋转臂，旋转臂上安装超声探头，超声探头 沿与检测点定长距离的运动轨迹运动，支撑臂与机床刀柄连接，空间虚点扫描机构为虚点 边沿扫描机构和/或虚点跨工件扫描机构； 有自由度常规扫描机构为常规跨工件一自由度扫描机构和/或常规一自由度边沿扫 描机构； 所述的超声耦合部件，包括用来实现不同规格探头的定位安装的探头安装模块和用来 实现工件与探头之间超声耦合的超声耦合装置； 所述数控部件是控制超声的发射接收、超声耦合、附加扫描运动并与数控机床的主扫 描运动相协同。
2. 根据权利要求1所述的机床数控超声自动检测附件，其特征在于所述的平行四边形 一级自由度扫描机构包括喷水部件I (1.1)，喷水部件I (1.1)通过滑块I (1.2)安装于滑 动杆（1.3)上并通过螺钉紧固，轴三（1.4)与滑动杆（1.3)固连，且轴三（1.4)通过轴承可转 动安装于杆二（1. 5)上，齿轮六（1. 6)安装于轴三（1. 4)上，齿轮五（7)通过轴安装于杆二 (1. 5)上，齿轮四（1.8)与杆一（1. 10)固连，轴二（9)与杆二（1. 5)固连，且轴二（1.9)通过 轴承可转动安装于杆一（1. 10)上，齿轮三（1. 11)与轴二（1.9)固连，齿轮二（1. 12)通过轴 安装于杆一（1. 10)上，齿轮一（1. 13)与公共基座（1. 15)固连，轴一（1. 14)与杆一（1. 10) 固连，轴一（1. 14)通过轴承可转动安装于公共基座（1. 15)上；齿轮二（1. 12)同时与齿轮一 (1. 13)和齿轮三（1. 11)啮合，齿轮五（1. 7)同时与齿轮四（1.8)和齿轮六（1.6)啮合，杆一 (1. 10)与滑动杆（1.3)平行；公共基座（1. 15)安装于基座（1. 16)上，基座直接安装于机床 的刀架台。
3. 根据权利要求2所述的机床数控超声自动检测附件，其特征在于平行四边形二级自 由度扫描机构，代替基座直接与机床刀柄连接的是基座（1. 16)上通过轴承安装有机床连接 柄，机床连接柄（1. 18)另一端安装于机床的刀架台上，带动基座绕机床连接柄相对转动的 电机（1. 17)也安装于基座（1. 16)上。
4. 根据权利要求1所述的机床数控超声自动检测附件，其特征在于所述的空间虚点扫 描机构为虚点边沿一级自由度扫描机构，其包括喷水部件II (2. 1)，喷水部件II (2. 1)通过 连接块II (2. 2)安装于滑座II (2. 20)上，滑座II (2. 20)定位安装在支撑臂一（2. 3)上并通 过螺钉紧固，滑座II (2. 20)可以在支撑臂一（2. 3)上滑动，支撑臂一（2. 3)通过键定位安 装于转轴II (2. 4)上、并通过螺钉锁紧，转轴II (2. 4)通过轴承一（2. 6)可转动安装于支撑 臂二（2. 11)上，转轴II (2. 4)通过键与带轮一（2. 7)相连，带轮二（2. 8)通过键与电机一 (2. 10)相连，电机一（2. 10)通过螺钉定位安装于安装座（2. 9)上，安装座（2. 9)通过螺钉 定位安装于支撑臂二（2. 11)上，带轮一（2. 7)与带轮二（2. 8)用齿形带相连，轴承一（2. 6) 通过轴承端盖II (2. 5)压紧在支撑臂二（2. 11)定位孔中，支撑臂二（2. 11)通过螺钉安装与 支撑臂三（2. 15)上，支撑臂三（2. 15)安装于支撑底座（2. 23)上，支撑底座（2. 23)定位安 装于机床的刀架台上。
5. 根据权利要求4所述的机床数控超声自动检测附件，其特征在于虚点边沿二级自由 度扫描机构，代替支撑臂三（2. 15)安装于支撑底座（2. 24)上的是：支撑臂二（2. 11)和支 撑臂三（2. 15)上通过螺钉安装加强筋（2. 12)，支撑臂三（2. 15)上定位安装电机二（2. 14)， 电机二（2. 14)通过键连接带轮三（2. 13)，机床连接柄II (2. 16)通过轴承（2. 18)定位安装 于支撑臂三（2. 15)上、其一端端部用定位座（2. 19)和螺栓固定，带轮四（2. 17)通过键连接 在机床连接柄II (2. 16)上，带轮三（2. 13)与带轮四（2. 17)用齿形带相连，机床连接柄II (2. 16)另一端安装于机床的刀架台上，机床连接柄II (2. 16)的中心线与转轴II (2. 4)的中 心线相交。
6. 根据权利要求1所述的机床数控超声自动检测附件，其特征在于所述的空间虚点 扫描机构为虚点跨工件扫描机构，包括喷水部件111(3. 1)，喷水部件111(3. 1)通过连接块III (3. 2)安装于旋转支撑臂连杆（3. 3)上，旋转支撑臂连杆（3. 3)安装于旋转支撑臂（3. 4)的 外端，旋转支撑臂（3. 4)定位在滑座111(3. 17)的滑槽中，并可在滑座111(3. 17)和滑座端 盖二（3. 18)组成的滑槽中滑动，利用紧定螺钉111(3. 16)对旋转支撑臂进行固定，滑座III (3. 17)通过螺钉与空心轴（3. 5)相连，空心轴（3. 5)通过轴承111(3. 6)安装于可调支撑臂 (3. 9 )上，空心轴（3. 5 )通过键与电机III (3. 7 )相连，轴承III (3. 6 )通过轴承端盖III (3. 8 )压 紧在可调支撑臂III (3. 9)定位孔中，可调支撑臂III (3. 9)定位在滑座III (3. 12)的滑槽中，并 可在滑座111(3. 12)和滑座端盖二（3. 10)组成的滑槽中滑动，利用紧定螺钉对可调支撑臂 111(3. 9)进行固定，滑座111(3. 12)通过螺钉安装于支撑座111(3. 14)上，支撑座111(3. 14)通 过螺钉安装于支撑底座111(3. 13)上，将加强筋111(3. 15)通过螺钉安装在支撑座111(3. 14) 上，将支撑底座111(3. 13)定位安装于车床的刀架台上。
7. 根据权利要求6所述的机床数控超声自动检测附件，其特征在于所述常规跨工件一 自由度扫描机构，旋转支撑臂连杆（3. 3)安装于旋转支撑臂（3. 4)的外端替代为旋转支撑 臂连杆（3. 3)安装于旋转支撑臂（3. 4)的内端。
8. 根据权利要求1所述的机床数控超声自动检测附件，其特征在于所述常规一自由 度边沿扫描机构包括喷水部件IV (4. 1)，喷水部件IV (4. 1)通过滑块IV (4. 2)安装于滑臂 (4. 4)上，可在滑臂（4. 4)上滑动，通过螺钉IV (4. 3)锁紧，滑臂IV (4. 4)定位安装于转轴IV (4. 5)上，转轴IV (4. 5)通过轴承定位安装于支撑臂IV -（4. 8)上，用轴承挡盖IV (4. 11)压 紧，使轴承IV (4. 5)可相对于支撑臂IV -（4. 8)转动，电机IV (4. 6)定位安装于电机座（4. 7) 上，并与转轴IV(4. 5)相连，电机座（7)通过螺钉定位安装于支撑臂IV -（4. 8)上，支撑臂IV 一（4. 8)通过螺钉与支撑臂IV二（4. 9)相连，支撑臂IV二（4. 9)通过螺钉安装于支撑底座IV (4. 10)上，支撑底座IV(4. 10)定位安装于车床的刀架台上。
9. 根据权利要求2至8之一所述的机床数控超声自动检测附件，其特征在于使用切削 液作为耦合液，利用机床自带的切削液循环系统实现耦合液的循环，超声耦合装置包括与 机床切削液泵连接的两支路，检测支路和加工支路，检测支路管路上依次安装有节流阀、过 滤器、减压阀以及流量计构成耦合液净化装置，耦合液净化装置连接喷水部件，加工支路管 路上依次安装节流阀和喷嘴，喷水部件包括喷嘴以及腔形体，腔形体底部设置喷水部件定 位接口，喷水部件定位接口上开有滑槽安装超声探头。
10. 根据权利要求9所述的机床数控超声自动检测附件完成的时间同步控制方法，其 特征在于附件中探头的姿态控制和超声的发射接收是通过"时间同步法"来实现与机床工 作的协同，时间同步法，先编制出控制机床的NC代码，然后根据代码计算出探头运动到各 检测点的时间，当机床开始执行NC代码运动时，附件通过计时可获得探头在某一时刻的检 测位置，从而控制探头保持相应的检测姿态并控制超声波的发射接收，以实现探头对工件 的超声扫描检测， 具体步骤如下： a. 利用机床通用数控编程方法编制出"机床加工NC代码"，然后根据加工代码计算生 成"机床检测用NC代码"和"附件用NC代码"； b. 将"机床检测用NC代码"传给数控机床； c. 将"附件用NC代码"传给附件的数控部件； d. 机床建立工件坐标系，回检测参考点； e. 附件开始监测机床是否从检测参考点开始运动； f. 机床执行"机床检测用NC代码"开始运动； g. 安装于检测参考点的同步传感器检测到信号，附件开始调整探头姿态并检测； h. 检测完毕，计算机处理检测数据，得出检测结果。
【文档编号】B23Q17/00GK104289974SQ201410295377
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】张吉堂, 谭继东, 张永贵, 郭平英 申请人:中北大学