專利名稱：使用三軸數(shù)控機床精確測量噴丸制件曲率與厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噴丸成形技術(shù)領(lǐng)域，尤其是能對多數(shù)有典型曲面特征和板厚精度要求高的整體噴丸零件的曲率和厚度進(jìn)行精確測量。
背景技術(shù)：
噴丸成形技術(shù)是利用高速彈丸流撞擊金屬板材的表面，使受撞擊的表面及其下層金屬材料產(chǎn)生塑性變形而延伸，從而逐步使板材發(fā)生向受噴面凸起的彎曲變形而達(dá)到所需外形的一種成形方法。由于噴丸成形技術(shù)不需要成形模具，在成形零件表面形成殘余壓應(yīng)力層，可有效地改善零件的抗疲勞性能等，使其成為現(xiàn)代先進(jìn)飛機金屬機翼整體壁板的首選成形方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類軍機、民機以及運載火箭的整體壁板零件制造中。在噴丸成形技術(shù)的實際應(yīng)用和科學(xué)研究中，經(jīng)該技術(shù)處理得到的工件曲率是評價成形精度的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是關(guān)系到后續(xù)校形、裝配和飛行試驗等環(huán)節(jié)的重要質(zhì)量因素；其次，由于噴丸成形技術(shù)是通過受噴面的延伸而達(dá)到成形目的，因此在彎曲成形的同時也出現(xiàn)了另外一種變形，即沿垂直于彈丸沖擊方向的拉伸變形，根據(jù)體積不變的塑性變形準(zhǔn)則，拉伸變形會導(dǎo)致材料在厚度方向上的減薄變化。根據(jù)現(xiàn)代航空工業(yè)的需求，航空結(jié)構(gòu)件朝著薄壁化、整體化、復(fù)雜化方向演變，壁板等航空結(jié)構(gòu)件的強度設(shè)計至關(guān)重要，因此，對噴丸成形結(jié)構(gòu)件的厚度檢測是重要的，也是必要的。目前，曲面的測量根據(jù)測量方式的不同分為接觸式測量與非接觸式測量兩大類，接觸式測量通過傳感測量頭與待測工件的接觸而記錄工件表面點的坐標(biāo)值，又分為點觸發(fā)式和連續(xù)掃描式測量，應(yīng)用最為廣泛的接觸式測量設(shè)備是三坐標(biāo)測量機。非接觸式測量方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等原理，將物理模擬量通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)換為樣件表面的坐標(biāo)點。接觸式測量與非接觸式測量相比，雖然效率較低，但由于其測量精度與智能化程度高、設(shè)備價格低，已經(jīng)在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本發(fā)明涉及一種接觸式測量方法，具有實際應(yīng)用價值，并可根據(jù)需要自由設(shè)計成自動控制和手動控制模式；其次，相對于三坐標(biāo)測量機等接觸式測量設(shè)備而言，本發(fā)明提出的測量方法依附于較為常見的數(shù)控機床實現(xiàn)復(fù)雜噴丸結(jié)構(gòu)件的曲率和厚度測量，因此測量平臺的搭建和拆除非常靈活；最后，本發(fā)明引入了python程序設(shè)計語言，數(shù)據(jù)傳輸和處理的功能強，人為干預(yù)的靈活性較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有測量方法的不足之處，本專利提出了一種采用三軸數(shù)控機床即可完成曲率和厚度測量方法，相較于傳統(tǒng)手動測量和三坐標(biāo)測量方式而言，該方法具有成本低、靈活性高、可行性強的優(yōu)點，數(shù)據(jù)后處理功能強大、可拓展性好。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明使用以下技術(shù)方案實現(xiàn):使用三軸數(shù)控機床精確測量噴丸制件曲率與厚度的方法，主要操作步驟如下:1、選擇手動控制測量模式(I)在機床工作臺上根據(jù)試件尺寸進(jìn)行排樣，并根據(jù)測量目的在指定位置進(jìn)行選擇性標(biāo)記和涂抹稱合劑；(2)啟動數(shù)控機床，無需回零，切換成手輪控制模式，將機床主軸移至待測點上方；(3)切換到合適的進(jìn)給倍率，調(diào)整Z軸向下運動至被測點；(4)被測點與機械式百分表探頭接觸，接觸指示燈(二極管)和耦合指示燈(二極管)燈亮，停止移動，在記錄本上手動記錄當(dāng)前的數(shù)控機床的Z軸坐標(biāo)、被測點平面坐標(biāo)和超聲波測厚儀上的數(shù)值；如果指示燈不亮，且觀察到機械式百分表指針已經(jīng)開始有較大轉(zhuǎn)動，則停止移動，對線路和被測區(qū)域質(zhì)量進(jìn)行改善，改善完畢后可繼續(xù)進(jìn)行待測點的重新測量。⑶重復(fù)1-5步驟。2、選擇數(shù)控自動測量模式(I)在機床工作臺上根據(jù)試件尺寸進(jìn)行排樣和涂抹耦合劑，根據(jù)測量點所處位置和待測零件的特征進(jìn)行數(shù)控編程，并可以進(jìn)行選擇性的標(biāo)記(如待測零點)；(2)啟動數(shù)控機床，機床主軸按照數(shù)控程序運動到待測點，數(shù)顯百分表探頭與待測點接觸，接觸指示燈亮，發(fā)送接觸脈沖至8051單片機接口 P0.1，同時，超聲波測厚儀探頭與被測點進(jìn)行耦合，測厚儀數(shù)顯屏幕顯示測點厚度，隨即發(fā)送耦合脈沖至8051單片機接口P0.2 ；(3) 8051單片機P0.1和接口 P0.2同時置I，觸發(fā)單片機系統(tǒng)向計算機接口輸入正脈沖，驅(qū)使計算機通過python程序讀取數(shù)控機床的X、Y、Z坐標(biāo)值以及超聲波測厚儀的數(shù)值并保存至EXCEL和TXT (保存成UG點云文件格式)文件中；(4)保存完畢后，python程序驅(qū)使數(shù)控程序繼續(xù)執(zhí)行，機床主軸向上抬起，接觸信號和耦合信號消失，數(shù)據(jù)傳送中斷，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)控程序路徑的下一個點的測量工作。需要注意的是:在百分表測頭與待測點接觸后，為避免因線路錯誤導(dǎo)致主軸繼續(xù)下行，從而影響測量結(jié)果，根據(jù)需要可以將數(shù)顯百分表的第n位數(shù)顯位作為8051單片機的總控制信號，一旦發(fā)生意外，RST控制引腳持續(xù)出現(xiàn)高電平，使8051單片機復(fù)位，并控制數(shù)控機床處于暫停狀態(tài)，隨后進(jìn)行人工檢測。本發(fā)明的有益效果是，系統(tǒng)的X、Y、Z坐標(biāo)測量精度可達(dá)0.001mm，厚度測量精度為
0.0lmm ;采用的耦合自動校正機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波測厚儀探頭與待測面的自動對正耦合；由于采用了移植性、擴展性、嵌入型都較強的python編程語言，能夠聯(lián)接CAD/CAM/CAE (如ABAQUS)軟件實現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)處理和分析，使得整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后處理功能靈活多樣。


為了更加詳盡詮釋本專利的內(nèi)容和操作步驟，接下來通過對噴丸制件的曲率和厚度測量實例來加以說明，該實例只作為對實例所涉及噴丸制件的解釋，并不對專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍有所限定。實例包括六張示意圖:圖1測量裝置總裝示意圖；圖1中:1.交流220V電源，2.電源導(dǎo)線，3.開關(guān)電源(型號:S.120.12V)，4.無焊電路實驗板，5.耦合二極管點陣，6.接觸二極管點陣，7.機床工作臺，8.六塊噴丸制件，9.數(shù)顯超聲波測厚儀，10.超聲波測厚儀數(shù)據(jù)線，11.機床主軸，12.機械式百分表，13.絕緣層(紙)，14.百分表表座，15.測厚儀探頭(包含自動對正耦合機構(gòu))，16.接觸導(dǎo)線，17.正極導(dǎo)線(接工作臺)，18.耦合導(dǎo)線。圖2是噴丸制件尺寸特征與曲率測點示意圖；圖3是曲率與厚度測點軌跡示意圖；圖4是超聲波測厚儀自動對正稱合機構(gòu)不意圖；圖4中:15-1.安裝支架，15-2.測厚儀數(shù)據(jù)線，15-3.垂直耦合壓力彈簧，15-4.水平調(diào)整彈簧，15-5.超聲波測厚儀探頭，15-6.探頭套。圖5是UG點云曲面示意圖；圖6是自動測量模式流程圖。
具體實施例方式本實例采用手動控制測量模式進(jìn)行曲率和厚度的測量，如圖1、圖4所示:百分表12通過表座的磁性臺14吸附到機床主軸13上，超聲波測厚儀探頭通過本專利設(shè)計的自動校準(zhǔn)機構(gòu)15固定到百分表表座14上；將導(dǎo)線16、18 —端連接到金屬百分表測頭和測厚儀探頭上，另一端接到無焊電路實驗板4上構(gòu)成接觸二極管點陣6和耦合二極管點陣5的一極；無焊電路實驗板4 一極通過導(dǎo)線與開關(guān)電源3連接，電源3兩級分別連接到220V電源I的正負(fù)極上。超聲波測厚儀的自動耦合結(jié)構(gòu)如圖4所示:測厚儀探頭15-5與垂直耦合壓力彈簧15-3安裝到探頭套15-6內(nèi)，構(gòu)成探頭垂直方向的運動空間和壓力；探頭套15-6安裝到連接支架15-1上，兩側(cè)安裝水平調(diào)整彈簧15-4，在測量面法向與探頭方向不一致時，水平調(diào)整彈簧15-4通過彈簧力作用自動將探頭15-5調(diào)整到與測量面垂直的位置。本發(fā)明所述的一種手動控制測量模式，具體實現(xiàn)步驟如下:(I)根據(jù)噴丸制件的變形判斷需要測量縱向和橫向兩向曲率，為達(dá)到精確的曲面模型和曲率變化趨勢，規(guī)劃制件的測點如圖2所示，測點的X、Y坐標(biāo)已經(jīng)限定；(2)采用該方法只需測定Pij相對于Pll的Z坐標(biāo)增量，所以根據(jù)工作臺尺寸7和制件尺寸，可以同時測量多個制件的相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖3所示，并在制件表面涂抹耦合劑；(3)按圖2完成接線工作，并進(jìn)行電路、LED點陣亮度以及接觸和耦合的敏感度測試；(4)無需進(jìn)行機床回零，結(jié)合人眼觀察和測試前所劃定的基準(zhǔn)調(diào)整機床主軸13位于圖3左下側(cè)的第一塊制件的Pll點上方；(5)手輪控制機床主軸13向下移動，直至發(fā)現(xiàn)接觸二極管點陣6和耦合二極管點陣5都處于亮燈狀態(tài)，并觀察機械百分表12的指針是否轉(zhuǎn)動，記錄數(shù)控機床顯示的Z軸坐標(biāo)值和測厚儀9所顯示的厚度值；(6)手輪控制機床主軸13向上移動，調(diào)整百分表12測頭位于安全平面，根據(jù)Pll點的Y坐標(biāo)調(diào)整機床移動65mm至P21上方，重復(fù)(5)步驟；(7)為節(jié)省測量時間，在完成左側(cè)制件P11、P21、P31的測量工作后，繼續(xù)測量左側(cè)一列制件的P11、P21、P31，直至完成該列測量工作后，調(diào)整機床向Y方向移動30mm，重復(fù)對下一列的測量；
(8)完成所有測量和記錄工作后，將數(shù)據(jù)輸入到TXT文本中，并調(diào)整為UG識別的點云坐標(biāo)格式，導(dǎo)入UG進(jìn)行曲面建模，如圖5所示。后續(xù)處理中，可以根據(jù)模型進(jìn)行曲率數(shù)據(jù)和厚度數(shù)據(jù)的輸出與分析。需要注意的是:如果測量過程中發(fā)現(xiàn)百分表12指針出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，但接觸二極管點陣6不亮，則停止當(dāng)前測點的測量工作，人工進(jìn)行測量線路排查。另外，由于超聲波自動耦合裝置如圖4中配備了垂直耦合壓力彈簧15-3，自然狀態(tài)下，探頭15-5位置位于百分表12測頭下方，因此能夠保證按照測厚耦合二極管顯示一接觸二極管顯示一百分表表針轉(zhuǎn)動報警的嚴(yán)格順序。
權(quán)利要求
1.使用三軸數(shù)控機床精確測量噴丸制件曲率與厚度的方法，基于數(shù)控機床的控制與運動平臺，可設(shè)計成手動控制和自動控制兩種測量模式，其特征在于:百分表磁性表座吸附于機床主軸金屬殼上，在磁性吸附面夾上白紙，超聲波測厚儀探頭通過自動對正耦合機構(gòu)連接到磁性表座的萬向支壁上，手動控制模式下，機床工作臺、超聲波測厚儀探頭、發(fā)光二極管由導(dǎo)線連成支路一，機床工作臺、機械百分表測頭、發(fā)光二極管由導(dǎo)線連成支路二，統(tǒng)一由12V開關(guān)電源供電；自動控制模式下，數(shù)顯百分表代替機械百分表，兩支路接入同一片8051單片機，數(shù)顯百分表某一數(shù)顯位通過導(dǎo)線與單片機RST控制引腳相連，單片機數(shù)據(jù)輸出端和機床RS232數(shù)據(jù)通訊線連接到同一臺計算機數(shù)據(jù)終端。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的使用三軸數(shù)控機床精確測量噴丸制件曲率與厚度的方法，其特征在于:所述的超聲波測厚儀自動對正耦合機構(gòu)由垂直耦合壓力彈簧、水平調(diào)整彈簧和安裝支架組成，彈簧剛度和長短由待測點在半徑為5mm內(nèi)的區(qū)域曲率大小確定。
3.根據(jù)權(quán)利2所述的使用三軸數(shù)控機床精確測量噴丸制件曲率與厚度的方法，其特征在于:所述垂直耦合壓力彈簧和水平調(diào)整彈簧的剛度和長度由待測點在半徑5mm區(qū)域的目測曲率大小確定。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的使用三軸數(shù)控機床精確測量噴丸制件曲率與厚度的方法，其特征在于:所述的數(shù)顯百分表測頭與待測點的接觸脈沖信號、超聲波測厚儀測頭與待測點的耦合脈沖信號在8051單片機中為“邏輯與(&)”關(guān)系。
全文摘要
一種使用三軸數(shù)控機床精確測量噴丸制件曲率與厚度的方法，屬于噴丸成形技術(shù)領(lǐng)域。有手動控制和自動控制兩種模式，將二極管、開關(guān)電源、機床工作臺、超聲波測厚儀探頭和百分表測頭連成兩個回路手動控制時，人工操作機床使測厚儀探頭和機械百分表測頭與被測件接觸，二極管亮，記錄坐標(biāo)值和厚度值，將測量結(jié)果導(dǎo)入UG進(jìn)行曲率與厚度分析，若測量中百分表指針轉(zhuǎn)動但二極管未亮，則可能接觸不良；自動控制時利用數(shù)顯百分表、單片機、計算機及用戶編寫的數(shù)控測量軌跡代碼實現(xiàn)上述過程，采用python程序與硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和處理，并采用單片機檢測數(shù)顯百分表的顯示位，判斷線路是否正常。該方法較現(xiàn)有測量方法靈活性高、成本低、可行性強。
文檔編號G01B17/02GK103192294SQ20131010980
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者魯世紅, 郭超亞, 史學(xué)剛, 陳星 , 朱一楓, 劉朝訓(xùn), 宋哲 申請人:南京航空航天大學(xué)