基于超声波的数控加工自动在机测厚装置设计

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1、基于超声波的数控加工自动在机测厚装置设计米蒋欣，李迎光，刘长青，郝小忠(南京航空航天大学，南京210016)【摘要】介绍了厚度检测在数控加工中的重要性，尤其是对于大型薄壁零件。针对在机厚度检测的难点，将在机检测技术与超声波测厚相结合，开展了在数控机床控制下的自动厚度测量装置的设计研究。经验证，本装置可以提高检测效率，减少加工时间，降低加工成本。关键词：在机检测；超声波测厚装置；大型薄壁件；厚度测量DoI：10．16080a．issnl671—833x．2016．16．099蒋欣南京航空航天大学机电学院在读硕士研究生，研究领域为数字化设计与制造

2、，主要研究方向为飞机复杂结构件智能数控加工技术。+基金项目：2013年国家重大专项国产高档数控机床与数控系统在飞机筋肋梁等加T：单元中的应用(2013及0400l—021)。为减轻飞机的重量并保证其性能，飞机结构中大量使用大型薄壁零件。该类型零件一般尺寸大、结构复杂且多为薄壁，所以整体刚性弱，加工过程中极易变形，引起欠切甚至过切，腹板和侧壁的厚度难以保证，甚至导致零件直接报废，对于具有类似特点的航空航天、汽车、船舶等需要数控加工的大型零件也存在类似问题。因此，为保证加工质量，防止零件加工报废，提高产品的合格率，对大型薄壁零件厚度的检测尤为重要

3、【l川。目前，常用的零件厚度检测技术主要分为手工检测、离线检测和在机检测。手工检测指使用传统检测工具，如千分尺、卡尺等进行人工测量；离线检测指使用其他检测设备将零件从工具台卸下进行测量。上述两种方法不但效率低下、耗时费力、人为因素对测量结果准确影响大，而且反复定位装配造成误差累计，不利于加工过程中对零件质量的控制151；在机检测技术是零件在加工中定位装夹状态不变，在数控机床上直接进行零件的尺寸和形位公差测量，实现“加工即可测可知”的功能卜引。与离线检测相比，在机检测技术有明显的优点：(1)减少劳动量，节省时间，大大缩短产品制造周期；(2)避免

4、反复拆装造成的误差，提高零件加工精度，测头系统与刀具系统互不干扰；(3)可对零件加工过程中的中间状态进行监测，极大地提高零件的加工质量【Io】。因此，在机检测技术可实现实时监控、准确控制，使加工过程高效稳定，是保证加工质量的有效手段，实现智能加工的关键技术【l卜”]。随着制造业技术的不断进步，在机厚度测量技术由于其优越的特性已经得到广泛关注，许多学者对其进行了大量的研究。在机厚度测量的方法可大致分为红外测厚法、激光测厚法和超声波测厚法。红外测厚法是利用单色光被材料吸收后光强的减弱与材料厚度的关系进行厚度测量，而大部分红外吸收的化学键是塑料材料

5、所具有的分2016年第16期·航空制造技术99子键【】41，所以该方法不适用于金属工件的厚度测量。激光测厚法分为基于激光位移传感器测量方法和基于激光差动扫描测量方法等。激光位移传感器要求安装在待测零件的两面，对测量环境要求严格，检测成本较高”51。激光差动扫描测量的原理是由光源发射出激光光束，经差动扫描转镜偏转形成一前一后的差动扫描光束，扫描光束被工件截面反射，由光电接收组件接收，经处理测得工件厚度”61，无法实现大型薄壁零件中不可见面的测量。同时，激光受环境因素影响较大，检测精度不稳定。超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当

6、探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。所以，对于测量不可见面的情况，超声波测厚具有独特的优越性。同时，超声波测厚仪器具有体积小、分辨率高、稳定性好、对检测物体无损害、操作简单、成本低等优点””，适用于大型薄壁零件的厚度测量。然而，现有的研究中超声波测厚多用于手工测厚或便携式测厚，缺乏关于超声波检测技术在数控加工中的在机厚度测量方法的相关研究。本文将超声波测厚与在线检测技术相结合，基于航空企业的检测需求，设计了基于超声波测厚的数控加工在机厚度测量装置，可实现

7、加工过程中大型薄壁零件腹板和侧壁厚度的在机厚度测量，为加工状态实时监控，及时调整加工策略提供支持，保证加工质量、提高检测效率、节约时间和成本且节约人力。在机厚度自动测量装置总体设计1技术要求依据实际中的生产加工情况，以100航空制造技术·2016年第16期及大型薄壁零件加工精度的要求，总结出本厚度测量装置的技术要求。本装置要求可以在数控机床的控制下实现自动化的厚度测试，测量效率高，测量一个厚度的时间控制在1min以内；实现高精度不可见面的厚度测量，选择超声波探头，零件厚度在100mm以内，测量精度达0．05mm以内，覆盖率达80％以上，测量显

8、示分辨率最低0．1mm。2厚度自动测量装置方案综述根据本装置的技术要求，设计了在机厚度自动测量装置整体结构，如图1所示。该装置由探头夹持和转角头两部分通过组装而成，