超声波测厚系统的研究.pdf

现代制造工程2 0 0 9 年第1 1 期仪器仪衫检测／监控 超声波测厚系统的研究 吴伏家，赵长瑞，尹晓霞 西北工业大学机电工程学院，西安7 1 0 0 7 1 摘要深孔加丁是一种封闭式或半封闭式状态下的加工，其加工过程很不稳定，深孔加工刀具的走偏现象直接影响被加 工孔的直线度，造成被加工工件报废，所以在深孔加工过程中的实时检测就显得尤其重要。根据深孔加T 系统的特点， 将超声波测厚原理用于单管内排屑喷吸钻深孔加工在线监测中，通过检测被加工工件壁厚来判断刀具是否走偏，结果 表明，该测试装置较好地解决了深孔钻削加工刀具走偏的监测问题。 关键词超声波测厚系统；单片机；在线监测；深孔加工；水耦合 中图分类号T H 5 2 文献标识码A 文章编号1 6 7 l 3 1 3 3 2 0 0 9 1 1 - - 0 0 4 0 - - - 0 3 T h er e s e a r c ho nt h es y s t e mo fu l t r a s o n i cm e a s u r i n gt h i c k n e s s W U F u - j i a ，Z H A OC h a n g r u i ，Y I NX i a o x i a C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，X i ’a l l710 0 71 ，C H N A b s t r a c t T h ed e e ph o l ep r o c e s s i n gi sap r o c e s s i n gt h a tw o r ki nas t a t eo fe n c l o s e do rs e m i e n c l o s e dc o n d i t i o n ，i t sp r o c e s s i n gi s v e r yu n s t a b l e ．D e v i a t i n go ft h ec u t t i n gt o o ld i r e c t l ya f f e c ts t a s h t n e s so ft h ep r o c e s s e dh o l e ，a n dp r o b a b l yl e a dt or e j e c t i o no ft h e p r o c e s s e dw o r k p i e c e ．S oi t i sv e r yi m p o r t a n tt od om o r er e s e a r c hf o rt h er e a l t i m ed e t e c t i o no fd e e ph o l e sp r o c e s s i n g ．A c c o r d i n gt o t h ed e e ph o l ep r o c e s s i n gs y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c ，u s e dt h eu l t r a s o n i ct h i c k n e s sm e a s u r e m e n tp r i n c i p l ei no n l i n em o n i t o r i n go ft h e d e e ph o l ep r o c e s s i n gw h i c ha p p l yS i n g l e - t u b eI n n e r - c h i p r e m o v a lE j e c t o rD r i l l S l E D t e c h n o l o g y ，e s t i m a t i n gt h eo f f s e to fc u t t i n g t o o lt h w u g hd e t e c t i n gt h ew a l lt h i c k n e s so fw o r k p i e c e ，t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i st e s t i n gd e v i c eb e t t e rs o l v et h em o n i t o r i n gi s s u e o ft h ed e e p - h o l ed r i l l i n gt o o ld e v i a t e s ． K e yw o r d s u l t r a s o n i ct h i c k n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e m ；S C M C ；o n l i n em o n i t o r i n g ；d e e ph o l ep r o c e s s i n g ；w a t e rc o u p l i n g 0引言 1 超声波测厚原理及其在深孔J j n - r 中的应用 由于数控系统配置刀具监控仪后可减少故障停 机时间的7 5 ％，提高生产率5 0 ％以上，因此刀具监控 技术已成为各国公认的重大关键技术，在现有刀具监 测中对深孔加工的自动监测寥寥无几，而超声检测可 应用于对其的检测中。当前用于各种管材质量检验 的超声检测主要包括以检出缺陷为目的的超卢探伤 和以测量有关尺寸为目的的超声测量，前者的应用较 为广泛，而后者的应用则很少，且一般以手工测量为 主。对于各种管材来说，常用的便携式超声波测厚仪 只能用来对其壁厚进行离线式接触局部抽检，不适宜 于批量在线深孑L 加工管材壁厚的自动测量⋯。因此 要适应现代化大生产的需要，必须采用现代先进的自 动检测技术对管材的壁厚进行全长、全截面．和全自动 在线测量。 4 0 深孔机床加工与一般切削机床加工在操作控制 上的最大不同之处在于，深孔加工是在操作者不能凭 视觉直接察知的隐蔽条件下进行的。深孔钻头的断 屑、排屑、切削刃的磨损、切削形态、被加T 表面状况 以至钻头走向是否正确等，都是决定加工成败、质量、 效率及成本的重大影响因素，但这些都无法用肉眼直 接觉察。传统的方法是操作者通过触摸刀杆和油温、 听切削声音、看已排出的切屑形态和油压表指针 摸、 听、看 等间接手段来判断加工过程是否正常，甚至可 以判断出表面粗糙度的水平，但对于钻头走偏仍无法 准确预知怛J 。因此，在深孔加工机床方面，对钻头走 向的实时监测，对切削用量的实时调整，应作为控制 技术中更加优先的课题加以研究和解决。 在一定范围的匀质材料厚度测量中，超声测厚技 万方数据万方数据 仪器仪衫检测／监控现代制造工程2 0 0 9 年第1 1 期 术应用非常广泛。超声测厚技术从原理上分有谐振 式和脉冲反射式两种。脉冲反射式测厚法实质上是 测量超声波脉冲在材料中的往返传播时间。对某种 材料而言，如果此种材料的声速c 已知，那么测得超声 波在材料厚度方向上两个表面反射波的时间差t ，就 可求出材料的厚度d 为p o d c t ／2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 2系统组成 本测厚系统由两大模块组成，即超声波发射接收 电路部分和单片机部分。超声波发射接收电路部分 由系统电源模块、发射接收放大电路、可调增益放大 检波电路、门选电路和上升沿触发信号等电路组成； 可调增益放大检波电路I d 发射接收放大电路 单片机部分由最小系统模块、L C D 模块、计数模块、按 键控制模块、电源模块和串行通信模块组成【4J 。超声 波发射接收电路部分用于产生激发探头所需的激励 脉冲和接收反射回来的超声波信号，并将其放大、检 波和门选；计数模块将超声波发射接收电路传过来的 信号转换成可计数的具有厚度值脉宽的矩形波；L C D 模块用于显示经单片机计算出的厚度值；串行通信模 块用于将厚度值传送到上位机；按键控制模块用于控 制测厚系统的开启和初始化。系统组成如图1 所示。 系统采用脉冲反射式测厚法，探头采用水浸聚焦 纵波直探头检测壁厚。超声波测厚仪原理如图2 所 示。发射电路输出一个上升时间很短、脉冲很窄的周 期性电脉冲，通过电缆加到探头上，激励压电晶片产 按键控制模块 上升沿触发信号} 爿门选电路酬计数模块I 矧单片机最小系统及电源模块I 剥L C D 模块 图1 系统组成 串行通信模块} C 剖上位机 ‘f l b 撞蝗然 c 整形成方波 f 1m a 原理框图d 计敲 图2 超声波测厚仪原理框图 生超声波脉冲。探头发出的超声脉冲进入工件后，在作频率为5 M H z ，焦距为4 0 m m ，直径为 1 6 的探头检 工件的上、下两表面形成多次反射。反射波经压电晶测一外径为4 , 6 0 ，内径为币1 4 的管件壁厚，测试多点后 片再转换成电信号，经接收电路放大后，由计数电路与实测值误差的平均值可控制在0 ．2 m m 内。 测出声波在工件两个表面之间的传播时间t ，从而获 得工件的厚度d 。图2 中r 为传播媒介表面产生的接 收脉冲，S 为被测物体表面产生的接收脉冲，B 为被测 物体底面产生的接收脉冲。超声波发射电路是将一 个上升时间很短、脉冲很窄、幅度很大的发射脉冲加 在探头上，激励探头产生脉冲超声波的电路；超声波 接收电路则将超声反射波采用探头接收后转变成的 电脉冲放大、整形，提供给示波器。将得到的图3 波形 经触发器D 整形后用8 2 C 5 4 模块对其计数，计数周期 图3 示波器显示的表面波和底波 可达0 ．0 4 1 u n ，对厚度值用液晶屏显示。经实验，用工 下转第5 5 页 4 1 万方数据万方数据 仪器仪表／检测／监控现代制造工程2 0 0 9 年第1 1 期 本文给出一个轴套零件内孑L 和外圆的直径检测 实例，检测中采集样件图像见图4 所示的图像栏。自 然光线照明，物距约1 9 0 m m ，光学放大倍数K 约为 0 ．1 3 。测量结果见表1 ，标定值为0 ．0 4 1 0 2 8 6 m m ／像 素，图像采集时间为0 ．1 s ，监测处理程序累计执行时 间不大于0 ．3 s 。系统具备四种测量直径方法，表1 给 比，对比结果表明符合较好。面积法和圆心法不需要 提取要素的边界，处理速度最快，但不能用于非完整 圆周的测量；面积法仅适合圆度误差小的情况；最小 二乘法的结果理论上最好，并能同时测量出圆度误 差，但处理时间稍长，也不能用于非完整圆周的测量； 卡尺法采用卡尺测量内径、外径的原理，速度介于面 出四种测量方法的结果与工具显微镜测量结果的对积法与最小二乘法之间。 表1轴套类样件外圆和内孔直径测量结果对比 4 结语 本文分析研究了通用零件几何参数图像检测系 统构成模式及实际应用的关键技术问题，构建了实际 检测系统，可实现直线、圆和多边形等多种参数的检 测，系统具有自动标定、检测项目开发等功能。该系 统和大型工具显微镜比对测量结果证明，检测系统在 目前相关技术发展水平下具有较强的实用性。 参考文献 [ 1 】章毓晋．图像处理和分析基础[ M ] ．北京高等教育 出版社，2 0 0 2 ． [ 2 ]施昌彦．现代计量学概论[ M ] ．北京中国计量出版 社，2 0 0 3 ． ． [ 3 ]于起蜂，陆宏伟，刘肖琳．基于图像的精密测量与运 动测量[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 2 ． [ 4 ] 李鸿吉．V i s u a lB a s i c6 ．0 编程方法详解[ M ] ．北京 科学出版社。2 0 0 1 ． 作者简介张建，硕士，副教授，机械系主任，长期从事数控技术、机 械制造中的图像工程、装备设计等方面的研究。 E m a i l z h a n g j i a n 6 2 s i r m ．c ∞ 收稿日期2 0 0 9 - 0 3 - 0 2 上接第4 1 页 图4 是探头在T 件外的布置方式，六个探头加在 一个环形支架上，环形支架上刻有角度，各个探头可 以在环形支架的轨道上移动，支架有一套驱动机构以 确保其上探头探测位置与深孔内加工刀头在轴向上 保持同步。计算出的厚度值可通过单片机的串口上 传至计算机的上位机软件，实现对各个通道厚度值的 分别记录及对整个加工过程中厚度值变化的记录。 图4 探头布置简图 3 结语 本测厚装置采用水浸聚焦纵波直探头，可以实现 在深孔加工过程中，通过对壁厚变化的检测达到对钻 头走向进行实时监测，如果发现壁厚数值变化超出阈 值可以立即停车，通过对刀具或者辅具的调整，修正 刀具加T 路线，从而避免被加工工件报废，降低废品 率，有效地节约资源。 参考文献 [ 1 ]李杨辉．钢轨在线检测装置研制[ J ] ．四川冶金，2 0 0 6 0 6 6 8 ． [ 2 ]王峻．现代深孔加工技术[ M ] ．哈尔滨哈尔滨工业 大学出版社，2 0 0 5 ． [ 3 ]徐海，何辅云．超声波管材壁厚连续测量系统的研究 [ J ] ．无损探伤，2 0 0 6 ，3 0 3 3 3 3 5 ． [ 4 ]杨录．弹体底隙超声检测方法研究[ J ] ．微计算机信 息，2 0 0 7 ，2 3 5 1 3 3 1 3 5 ． 作者简介昊伏家，教授．研究方向深孔加工技术、特种材料成型。 赵长瑞，在读研究生。 尹晓霞，在读研究生。 E m a i l i r 6 i s 6 y a h o o ．t o m ．c n 收稿日期2 0 0 9 m l - 0 6 5 5 万方数据万方数据 超声波测厚系统的研究超声波测厚系统的研究 刊名 现代制造工程 英文刊名MODERN MANUFACTURING ENGINEERING 年，卷期200911 被引用次数4次 参考文献4条参考文献4条 1.李杨辉 钢轨在线检测装置研制 200606 2.王峻 现代深孔加工技术 2005 3.徐海;何辅云 超声波管材壁厚连续测量系统的研究[期刊论文]-无损探伤 200603 4.杨录 弹体底隙超声检测方法研究[期刊论文]-微计算机信息 200705 本文读者也读过4条本文读者也读过4条 1. 曾海滨 超声波测厚偏差的纠正[会议论文]-2006 2. 赵长瑞.吴伏家.尹晓霞.ZHAO Chang-rui.WU Fu-jia.YIN Xiao-xia 深孔加工连续测厚系统的研究[期刊论文]- 机械工程师20095 3. 祖强.韩忠伦.卢强 超声波厚度测量不确定度的分析与计算[期刊论文]-无损探伤2005,296 4. 常源.王伟明.刘继红 基于单片机的塑料管超声波测厚系统的研究[期刊论文]-科技信息（学术版）200810 引证文献4条引证文献4条 1.郑宝瑞.陆仲达 基于AVR的单片机超声波钢板测厚系统研究[期刊论文]-常熟理工学院学报 20104 2.李小刚.曹克强.苏新兵.李娜 高精度超声波式飞机油量传感器设计[期刊论文]-现代制造工程 201111 3.卫宏.郭晓磊.曹平祥 人造板连续平压机板坯厚度在线监测技术的现状与研究[期刊论文]-中国人造板 20118 4.姜竹生.瞿涛.吕磊.吉伯海 钢箱梁典型病害分析及其检测与维护技术研究[期刊论文]-防灾减灾工程学报 20115 本文链接