专利名称：使用三轴数控机床精确测量喷丸制件曲率与厚度的方法
技术领域：
本发明涉及喷丸成形技术领域，尤其是能对多数有典型曲面特征和板厚精度要求高的整体喷丸零件的曲率和厚度进行精确测量。
背景技术：
喷丸成形技术是利用高速弹丸流撞击金属板材的表面，使受撞击的表面及其下层金属材料产生塑性变形而延伸，从而逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法。由于喷丸成形技术不需要成形模具，在成形零件表面形成残余压应力层，可有效地改善零件的抗疲劳性能等，使其成为现代先进飞机金属机翼整体壁板的首选成形方法，已经被广泛应用于各类军机、民机以及运载火箭的整体壁板零件制造中。在喷丸成形技术的实际应用和科学研究中，经该技术处理得到的工件曲率是评价成形精度的关键指标之一，也是关系到后续校形、装配和飞行试验等环节的重要质量因素；其次，由于喷丸成形技术是通过受喷面的延伸而达到成形目的，因此在弯曲成形的同时也出现了另外一种变形，即沿垂直于弹丸冲击方向的拉伸变形，根据体积不变的塑性变形准则，拉伸变形会导致材料在厚度方向上的减薄变化。根据现代航空工业的需求，航空结构件朝着薄壁化、整体化、复杂化方向演变，壁板等航空结构件的强度设计至关重要，因此，对喷丸成形结构件的厚度检测是重要的，也是必要的。目前，曲面的测量根据测量方式的不同分为接触式测量与非接触式测量两大类，接触式测量通过传感测量头与待测工件的接触而记录工件表面点的坐标值，又分为点触发式和连续扫描式测量，应用最为广泛的接触式测量设备是三坐标测量机。非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等原理，将物理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点。接触式测量与非接触式测量相比，虽然效率较低，但由于其测量精度与智能化程度高、设备价格低，已经在学术研究领域广泛应用。本发明涉及一种接触式测量方法，具有实际应用价值，并可根据需要自由设计成自动控制和手动控制模式；其次，相对于三坐标测量机等接触式测量设备而言，本发明提出的测量方法依附于较为常见的数控机床实现复杂喷丸结构件的曲率和厚度测量，因此测量平台的搭建和拆除非常灵活；最后，本发明引入了python程序设计语言，数据传输和处理的功能强，人为干预的灵活性较高。
发明内容
为了克服现有测量方法的不足之处，本专利提出了一种采用三轴数控机床即可完成曲率和厚度测量方法，相较于传统手动测量和三坐标测量方式而言，该方法具有成本低、灵活性高、可行性强的优点，数据后处理功能强大、可拓展性好。为实现以上目的，本发明使用以下技术方案实现:使用三轴数控机床精确测量喷丸制件曲率与厚度的方法，主要操作步骤如下:1、选择手动控制测量模式(I)在机床工作台上根据试件尺寸进行排样，并根据测量目的在指定位置进行选择性标记和涂抹稱合剂；(2)启动数控机床，无需回零，切换成手轮控制模式，将机床主轴移至待测点上方；(3)切换到合适的进给倍率，调整Z轴向下运动至被测点；(4)被测点与机械式百分表探头接触，接触指示灯(二极管)和耦合指示灯(二极管)灯亮，停止移动，在记录本上手动记录当前的数控机床的Z轴坐标、被测点平面坐标和超声波测厚仪上的数值；如果指示灯不亮，且观察到机械式百分表指针已经开始有较大转动，则停止移动，对线路和被测区域质量进行改善，改善完毕后可继续进行待测点的重新测量。⑶重复1-5步骤。2、选择数控自动测量模式(I)在机床工作台上根据试件尺寸进行排样和涂抹耦合剂，根据测量点所处位置和待测零件的特征进行数控编程，并可以进行选择性的标记(如待测零点)；(2)启动数控机床，机床主轴按照数控程序运动到待测点，数显百分表探头与待测点接触，接触指示灯亮，发送接触脉冲至8051单片机接口 P0.1，同时，超声波测厚仪探头与被测点进行耦合，测厚仪数显屏幕显示测点厚度，随即发送耦合脉冲至8051单片机接口P0.2 ；(3) 8051单片机P0.1和接口 P0.2同时置I，触发单片机系统向计算机接口输入正脉冲，驱使计算机通过python程序读取数控机床的X、Y、Z坐标值以及超声波测厚仪的数值并保存至EXCEL和TXT (保存成UG点云文件格式)文件中；(4)保存完毕后，python程序驱使数控程序继续执行，机床主轴向上抬起，接触信号和耦合信号消失，数据传送中断，继续进行数控程序路径的下一个点的测量工作。需要注意的是:在百分表测头与待测点接触后，为避免因线路错误导致主轴继续下行，从而影响测量结果，根据需要可以将数显百分表的第n位数显位作为8051单片机的总控制信号，一旦发生意外，RST控制引脚持续出现高电平，使8051单片机复位，并控制数控机床处于暂停状态，随后进行人工检测。本发明的有益效果是，系统的X、Y、Z坐标测量精度可达0.001mm，厚度测量精度为
0.0lmm ;采用的耦合自动校正机构能够实现超声波测厚仪探头与待测面的自动对正耦合；由于采用了移植性、扩展性、嵌入型都较强的python编程语言，能够联接CAD/CAM/CAE (如ABAQUS)软件实现后台数据处理和分析，使得整个系统的数据后处理功能灵活多样。
为了更加详尽诠释本专利的内容和操作步骤，接下来通过对喷丸制件的曲率和厚度测量实例来加以说明，该实例只作为对实例所涉及喷丸制件的解释，并不对专利的权利要求保护范围有所限定。实例包括六张示意图:图1测量装置总装示意图；图1中:1.交流220V电源，2.电源导线，3.开关电源(型号:S.120.12V)，4.无焊电路实验板，5.耦合二极管点阵，6.接触二极管点阵，7.机床工作台，8.六块喷丸制件，9.数显超声波测厚仪，10.超声波测厚仪数据线，11.机床主轴，12.机械式百分表，13.绝缘层(纸)，14.百分表表座，15.测厚仪探头(包含自动对正耦合机构)，16.接触导线，17.正极导线(接工作台)，18.耦合导线。图2是喷丸制件尺寸特征与曲率测点示意图；图3是曲率与厚度测点轨迹示意图；图4是超声波测厚仪自动对正稱合机构不意图；图4中:15-1.安装支架，15-2.测厚仪数据线，15-3.垂直耦合压力弹簧，15-4.水平调整弹簧，15-5.超声波测厚仪探头，15-6.探头套。图5是UG点云曲面示意图；图6是自动测量模式流程图。
具体实施例方式本实例采用手动控制测量模式进行曲率和厚度的测量，如图1、图4所示:百分表12通过表座的磁性台14吸附到机床主轴13上，超声波测厚仪探头通过本专利设计的自动校准机构15固定到百分表表座14上；将导线16、18 —端连接到金属百分表测头和测厚仪探头上，另一端接到无焊电路实验板4上构成接触二极管点阵6和耦合二极管点阵5的一极；无焊电路实验板4 一极通过导线与开关电源3连接，电源3两级分别连接到220V电源I的正负极上。超声波测厚仪的自动耦合结构如图4所示:测厚仪探头15-5与垂直耦合压力弹簧15-3安装到探头套15-6内，构成探头垂直方向的运动空间和压力；探头套15-6安装到连接支架15-1上，两侧安装水平调整弹簧15-4，在测量面法向与探头方向不一致时，水平调整弹簧15-4通过弹簧力作用自动将探头15-5调整到与测量面垂直的位置。本发明所述的一种手动控制测量模式，具体实现步骤如下:(I)根据喷丸制件的变形判断需要测量纵向和横向两向曲率，为达到精确的曲面模型和曲率变化趋势，规划制件的测点如图2所示，测点的X、Y坐标已经限定；(2)采用该方法只需测定Pij相对于Pll的Z坐标增量，所以根据工作台尺寸7和制件尺寸，可以同时测量多个制件的相关数据，如图3所示，并在制件表面涂抹耦合剂；(3)按图2完成接线工作，并进行电路、LED点阵亮度以及接触和耦合的敏感度测试；(4)无需进行机床回零，结合人眼观察和测试前所划定的基准调整机床主轴13位于图3左下侧的第一块制件的Pll点上方；(5)手轮控制机床主轴13向下移动，直至发现接触二极管点阵6和耦合二极管点阵5都处于亮灯状态，并观察机械百分表12的指针是否转动，记录数控机床显示的Z轴坐标值和测厚仪9所显示的厚度值；(6)手轮控制机床主轴13向上移动，调整百分表12测头位于安全平面，根据Pll点的Y坐标调整机床移动65mm至P21上方，重复(5)步骤；(7)为节省测量时间，在完成左侧制件P11、P21、P31的测量工作后，继续测量左侧一列制件的P11、P21、P31，直至完成该列测量工作后，调整机床向Y方向移动30mm，重复对下一列的测量；
(8)完成所有测量和记录工作后，将数据输入到TXT文本中，并调整为UG识别的点云坐标格式，导入UG进行曲面建模，如图5所示。后续处理中，可以根据模型进行曲率数据和厚度数据的输出与分析。需要注意的是:如果测量过程中发现百分表12指针出现转动，但接触二极管点阵6不亮，则停止当前测点的测量工作，人工进行测量线路排查。另外，由于超声波自动耦合装置如图4中配备了垂直耦合压力弹簧15-3，自然状态下，探头15-5位置位于百分表12测头下方，因此能够保证按照测厚耦合二极管显示一接触二极管显示一百分表表针转动报警的严格顺序。
权利要求
1.使用三轴数控机床精确测量喷丸制件曲率与厚度的方法，基于数控机床的控制与运动平台，可设计成手动控制和自动控制两种测量模式，其特征在于:百分表磁性表座吸附于机床主轴金属壳上，在磁性吸附面夹上白纸，超声波测厚仪探头通过自动对正耦合机构连接到磁性表座的万向支壁上，手动控制模式下，机床工作台、超声波测厚仪探头、发光二极管由导线连成支路一，机床工作台、机械百分表测头、发光二极管由导线连成支路二，统一由12V开关电源供电；自动控制模式下，数显百分表代替机械百分表，两支路接入同一片8051单片机，数显百分表某一数显位通过导线与单片机RST控制引脚相连，单片机数据输出端和机床RS232数据通讯线连接到同一台计算机数据终端。
2.根据权利I所述的使用三轴数控机床精确测量喷丸制件曲率与厚度的方法，其特征在于:所述的超声波测厚仪自动对正耦合机构由垂直耦合压力弹簧、水平调整弹簧和安装支架组成，弹簧刚度和长短由待测点在半径为5mm内的区域曲率大小确定。
3.根据权利2所述的使用三轴数控机床精确测量喷丸制件曲率与厚度的方法，其特征在于:所述垂直耦合压力弹簧和水平调整弹簧的刚度和长度由待测点在半径5mm区域的目测曲率大小确定。
4.根据权利I所述的使用三轴数控机床精确测量喷丸制件曲率与厚度的方法，其特征在于:所述的数显百分表测头与待测点的接触脉冲信号、超声波测厚仪测头与待测点的耦合脉冲信号在8051单片机中为“逻辑与(&)”关系。
全文摘要
一种使用三轴数控机床精确测量喷丸制件曲率与厚度的方法，属于喷丸成形技术领域。有手动控制和自动控制两种模式，将二极管、开关电源、机床工作台、超声波测厚仪探头和百分表测头连成两个回路手动控制时，人工操作机床使测厚仪探头和机械百分表测头与被测件接触，二极管亮，记录坐标值和厚度值，将测量结果导入UG进行曲率与厚度分析，若测量中百分表指针转动但二极管未亮，则可能接触不良；自动控制时利用数显百分表、单片机、计算机及用户编写的数控测量轨迹代码实现上述过程，采用python程序与硬件实现数据传输和处理，并采用单片机检测数显百分表的显示位，判断线路是否正常。该方法较现有测量方法灵活性高、成本低、可行性强。
文档编号G01B17/02GK103192294SQ20131010980
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者鲁世红, 郭超亚, 史学刚, 陈星 , 朱一枫, 刘朝训, 宋哲 申请人:南京航空航天大学