大型壁板厚度在位测量方法.pdf

大型壁板厚度在位测量方法，它涉及一种壁板厚度的测量方法。本发明为了解决现有的测量方法存在测量效率低、测量时被测件需从机床上拿下，无法获得整个壁板的全面数据的问题。将超声波测厚仪的探头通过探头装卡机构安装在所述数控铣床的铣刀位置；测得第一个测量点并使测量数据保存到超声波测厚仪存储器中；移动超声波测厚仪的探头到下一个测量点上方，控制超声波测厚仪的探头进行运动，使得所述探头移动到指定位置并与壁板接触，逐点进行自动扫描测量，直至完成最后一个测量点的测量；通过数据传输处理模块分别将超声波测厚仪的存储器中的测量数据反馈给终端处理设备进行数据处理，得到各个测量点的厚度数值及相应位置坐标，完成壁板厚度的在位测量。

权利要求书
1.  一种大型壁板厚度在位测量方法，所述测量方法是基于包括超声波测厚仪、数据传输处理模块、装卡机构和终端处理设备的测量系统来实现的，将超声波测厚仪及数据传输处理模块通过精密工装安装在用于加工大型壁板的数控铣床上；
其特征在于，所述方法的实现过程为：
步骤一、数控铣床加工完表面呈网格状的加筋壁板后，卸下所述数控铣床上的铣刀，将超声波测厚仪的探头通过探头装卡机构安装在所述数控铣床的铣刀位置；依据产品的设计要求，确定被测量点在产品坐标系中X、Y轴方向的坐标值，并通过坐标系转换将其转换到机床坐标系中，从而可确定被测点在机床坐标系中的位置；通过对刀操作确定壁板测量点的零点X、Y轴坐标；
步骤二、控制超声波测厚仪的探头运动到第一个测量点上方；
步骤三、控制超声波测厚仪的探头下降，使探头与壁板表面接触，测得第一个测量点的测量数据；
步骤四、再下压1mm以触发采样开关，使测量数据保存到超声波测厚仪存储器中；
步骤五、快速抬起超声波测厚仪的探头；
步骤六、移动超声波测厚仪的探头到下一个测量点上方；其中，相邻两个测量点之间X轴方向的步长为n，Y轴方向的步长为m；
步骤七、重复步骤二至步骤六，控制超声波测厚仪的探头进行各种运动，使得所述探头移动到指定位置并与壁板接触，逐点进行自动扫描测量，直至完成最后一个测量点的测量，得到各个测量点的测量数值；
步骤八、通过数据传输处理模块分别将超声波测厚仪的存储器中的测量数据反馈给终端处理设备进行数据处理；测量厚度T与理论值Tl之间的偏差值为：
e＝T-Tl
壁板厚度设计允许上下偏差为e上、e下，通过比较实际偏差值e与设计允许上下偏差e上、e下来分辨实际测量厚度是否符合要求，并得到相应的测量点的厚度数值及相应位置坐标，完成壁板厚度的在位测量。

2.  根据权利要求1所述的一种大型壁板厚度在位测量方法，其特征在于，在步骤八中，还包括：根据各个测量点的厚度数值及相应位置坐标得到三维厚度分布图，用以表达壁板的全部测试结果。

3.  根据权利要求1或2所述的一种大型壁板厚度在位测量方法，其特征在于，所述 装卡机构为装卡超声波测厚仪探头的智能装卡机构，用于实现对每个厚度测量数据存储的自动触发。

4.  根据权利要求3所述的一种大型壁板厚度在位测量方法，其特征在于，在步骤七中，超声波测厚仪探头的移动轨迹由数控铣床的数字控制系统进行控制，使超声波测厚仪探头遍历各个测量点的移动轨迹最短。

说明书大型壁板厚度在位测量方法
技术领域
本发明涉及一种壁板厚度的测量方法。
背景技术
在运载火箭等结构中，采用壁板结构，壁板的一侧表面呈网格状的加筋板件。所说的壁板是由整块板坯通过数控铣床加工而成的，不需要采用连接技术而将蒙皮与桁条隔框等加强部分制成一个整体的加筋板件。如图1所示。测试壁板网格中指定点的厚度目前广泛使用的仪器是超声波测厚仪(奥林巴斯公司生产)，如图2所示，分辨力1um，保守估计，测量不确定度能够达到20um以下。在测量时需人工操作：人操作超声波测厚仪，人工读数，大脑记录最大和最小值，如图3所示。而且是“下线测量”，即把壁板从铣床上拿下测量。可看出，现有的测量方法存在测量效率低，用时超过4小时；难以找到准确的测量点；下线(把被测件从机床上拿下)测量，不符合要求；即便超差，也不能修复；不能获得整个壁板的全面数据，从而不能综合分析机床的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型壁板厚度在位测量方法，以解决现有的测量方法存在测量效率低、测量时被测件需从机床上拿下，无法获得整个壁板的全面数据。本发明所述的大型壁板中的“大型”是指壁板的长度大于或等于2000mm，宽度大于或等于2000mm。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种大型壁板厚度在位测量方法，所述测量方法是基于包括超声波测厚仪、数据传输处理模块、装卡机构和终端处理设备的测量系统来实现的，将超声波测厚仪及数据传输处理模块通过精密工装安装在用于加工大型壁板的数控铣床上；
所述方法的实现过程为：
步骤一、数控铣床加工完表面呈网格状的加筋壁板后，卸下所述数控铣床上的铣刀，将超声波测厚仪的探头通过探头装卡机构安装在所述数控铣床的铣刀位置(由于数控机床与壁板之间的相对位置并未发生变化，更换探头后机床坐标系X、Y轴与产品坐标系X、Y轴之间的转换关系并未发生变化)；依据产品的设计要求，确定被测量点在产品坐标系中X、Y轴方向的坐标值，并通过坐标系转换将其转换到机床坐标系中，从而可确定被测点在机床坐标系中的位置；通过对刀操作确定壁板测量点的零点X、Y轴坐标；
步骤二、控制超声波测厚仪的探头运动到第一个测量点上方；
步骤三、控制超声波测厚仪的探头下降，使探头与壁板表面接触，测得第一个测量点的测量数据；
步骤四、再下压1mm以触发采样开关，使测量数据保存到超声波测厚仪存储器中；
步骤五、快速抬起超声波测厚仪的探头；
步骤六、移动超声波测厚仪的探头到下一个测量点上方；其中，相邻两个测量点之间X轴方向的步长为n，Y轴方向的步长为m；
步骤七、重复步骤二至步骤六，控制超声波测厚仪的探头进行各种运动，使得所述探头移动到指定位置并与壁板接触，逐点进行自动扫描测量，直至完成最后一个测量点的测量，得到各个测量点的测量数值；
步骤八、通过数据传输处理模块分别将超声波测厚仪的存储器中的测量数据反馈给终端处理设备进行数据处理；测量厚度T与理论值Tl之间的偏差值为：
e＝T-Tl
壁板厚度设计允许上下偏差为e上、e下，通过比较实际偏差值e与设计允许上下偏差e上、e下来分辨实际测量厚度是否符合要求，并得到相应的测量点(特征点)的厚度数值及相应位置坐标，完成壁板厚度的在位测量。
本发明的有益效果是：
本发明方法实现了利用数控铣床和超声波测厚仪的各自优势，以及分别对其进行二次开发，再配合精密工装、数据传输处理模块和专用软件，实现壁板厚度的在线自动化扫描测量。这种自动化测试方案替代了原先的人工手动测量，不但可以进行在线检测，而且提高测试准确度，最重要的是将大幅度提高测试效率，测试一块壁板的时间仅为1-2小时，与现有手动操作方法相比，工作效率至少提高50％以上。
附图说明
图1是成形的壁板的图片，图中1表示壁板；
图2提供奥林巴斯公司生产的超声波测厚仪的照片图；
图3为人工操作利用超声波测厚仪的探头进行手动测量壁板厚度的图片；
图4为自动化测厚系统示意图片(图中：2-超声波测厚仪、3-数据传输处理模块、4-装卡机构、5-终端处理设备、6-数控铣床上)；
图5为智能的超声波探头装卡机构图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式所述的方法是基于测量系统来实现的，所述测量系统主要包括超声波测厚仪、精密工装、数据传输处理模块、专用软件和终端处理设备等部分。
一种大型壁板厚度在位测量方法，所述测量方法是基于包括超声波测厚仪、数据传输处理模块、装卡机构和终端处理设备的测量系统来实现的，将超声波测厚仪及数据传输处理模块通过精密工装安装在用于加工大型壁板的数控铣床上；
所述方法的实现过程为：
步骤一、数控铣床加工完表面呈网格状的加筋壁板后，卸下所述数控铣床上的铣刀，将超声波测厚仪的探头通过探头装卡机构安装在所述数控铣床的铣刀位置(由于数控机床与壁板之间的相对位置并未发生变化，更换探头后机床坐标系X、Y轴与产品坐标系X、Y轴之间的转换关系并未发生变化)；依据产品的设计要求，确定被测量点在产品坐标系中X、Y轴方向的坐标值，并通过坐标系转换将其转换到机床坐标系中，从而可确定被测点在机床坐标系中的位置；通过对刀操作确定壁板测量点的零点X、Y轴坐标；
步骤二、控制超声波测厚仪的探头运动到第一个测量点上方；
步骤三、控制超声波测厚仪的探头下降，使探头与壁板表面接触，测得第一个测量点的测量数据；
步骤四、再下压1mm以触发采样开关，使测量数据保存到超声波测厚仪存储器中；
步骤五、快速抬起超声波测厚仪的探头；
步骤六、移动超声波测厚仪的探头到下一个测量点上方；其中，相邻两个测量点之间X轴方向的步长为n，Y轴方向的步长为m；
步骤七、重复步骤二至步骤六，控制超声波测厚仪的探头进行各种运动，使得所述探头移动到指定位置并与壁板接触，逐点进行自动扫描测量，直至完成最后一个测量点的测量，得到各个测量点的测量数值；
步骤八、通过数据传输处理模块分别将超声波测厚仪的存储器中的测量数据反馈给终端处理设备进行数据处理；测量厚度T与理论值Tl之间的偏差值为：
e＝T-Tl
壁板厚度设计允许上下偏差为e上、e下，通过比较实际偏差值e与设计允许上下偏差e上、e下来分辨实际测量厚度是否符合要求，并得到相应的测量点(特征点)的厚度数值及相应位置坐标，完成壁板厚度的在位测量。
在步骤八中，还包括：根据各个测量点的厚度数值及相应位置坐标得到三维厚度分布图，用以表达壁板的全部测试结果。
所述装卡机构为装卡超声波测厚仪探头的智能装卡机构，用于实现对每个厚度测量数据存储的自动触发。
在步骤七中，超声波测厚仪探头的移动轨迹由数控铣床的数字控制系统进行控制，使超声波测厚仪探头遍历各个测量点的移动轨迹最短。
将超声波测厚仪的探头安装在数控铣床的刀具位置，设计加工精密工装将超声波测厚仪及其数据传输处理模块安装在数控铣床上。利用数控铣床的数字控制系统进行二次开发，可以在程序代码的控制下精确地进行各种运动，使得超声波测厚仪探头移动到指定位置，并与壁板接触，测得厚度数值。同时，通过数据传输处理模块分别将超声波测厚仪的测试数据以及探头与壁板的接触坐标反馈给终端处理设备。专用软件可以得到各个特征点的厚度数值和位置坐标，进行进一步的计算处理，一键式得到全部测试结果，并可以得到三维厚度分布图。
由于需要多点自动测量，则必须有对测量点进行扫描的功能，考虑测量成本、效率、方便性等因素，决定利用加工机床的导轨和数控系统进行测量扫描：即由探头取代刀具，利用数控编程，实现各点的自动测量。这样满足了在位测量的要求。
设计智能的超声波探头装卡机构，如图5所示，实现对每个厚度测量数据存储的自动触发。整个壁板测量完毕后，把超声波测厚仪存储卡的数据导入到电脑中进行数据处理。
所述装卡机构包括4-1探头、4-2球面万向转动副、4-3滑动副、4-4球面万向转动副、4-5霍尔开关垫片、4-6霍尔开关固定部件、4-7外筒、4-8弹簧、4-9探头固定部件等主要部件组成。4-9探头固定件分为两部分，相互之间通过螺钉连接，调整螺钉的松紧程度，便可以将探头加紧。探头对被测工件的压紧力可以通过4-8弹簧进行调节。当探头接触到被测壁板表面，受到被测面的压力，致使弹簧压缩，4-3滑动副内霍尔开关垫片与霍尔开关进行接触从而触发霍尔开关工作，从而控制测厚仪进行壁板厚度的测量。将夹具中部的4-3滑动副外围又增设了一个4-4球面万向转动副，它的设计改变了探头与工件刚接触的瞬间至完全吻合的过程中接触点的受力状态，使摩擦力及其产生的力矩完全消失。4-2球面万向转动副可以小范围内转动，其作用是保证探头与4-9探头固定部件平行。
本发明方法为一种数控测量，利用本发明方法进行编程，其简化的程序流程为：1、对刀--确定测点的零位；2、探头运动到第一个测量点上方；3、缓慢下降探头，使探头与壁板接触；4、再下压1mm—触发采样开关，使测量数据保存到存储器中；5、快速抬起 探头；6、快速移动探头到下个测量点上方；7、重复步骤2～6，直到最后测量点测量完毕。
针对本发明方实现的壁板厚度在位测量，对其测量时操作过程描述如下：1、卸下铣刀刀柄；2、安装探头夹具于刀头上；将测厚仪等固定在“置物盒”中；3、清理壁板上的铁靴和其它杂物；4、在网格中喷洒适当的水，作为探头耦合剂；5、把探头当作铣刀，进行对刀过程，以便知道探头的零位；6、启动测量程序，逐点进行测量；7、测量完毕后，卸下探头家具，安装上铣刀；8、把测厚仪的存储卡中的数据传到电脑中；9、进行数据处理。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。