[发明专利]检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种回转体工件结合面(圆柱结合面、圆锥结合面等)接触参数(实际接触面积、接触压力分布、接触刚度)的超声波检测方法，特别涉及一种回转体结合面的超声反射率提取方法与系统。

背景技术

回转结合面的接触参数(接触面积、接触压力分布、接触刚度等)严重影响了其机械性能，比如精密机床中刀柄-主轴结合部为圆锥形结合面，该结合面的接触部位、接触面积大小、接触刚度会对机床动态特性产生重要影响，进而直接影响加工精度。再比如精密主轴存在大量的轴承与轴/轴套的结合面，这些结合面的接触压力分布、接触刚度同样会直接影响主轴的动态特性、精度保持性，进而影响机床的加工精度与精度保持时间。超声波法是检测回转体结合面接触特性的唯一有效手段。该方法首先需要准确快速的提取结合面上超声波反射率，进而根据反射率与接触刚度、接触压力的关系得到结合面上的接触刚度与接触压力分布。

目前，现有的超声波反射率提取方法不能适用于圆锥结合面，导致不能通过超声波法检测圆锥结合面的接触性能。而现有方法在提取圆柱结合面反射率时，仅通过手动调整工件位置，难以精确调整探头与被测工件的相互位置关系；缺乏工件旋转装置，因此仅能测量圆柱一条母线上结合面的接触特性，不能检测整个结合面的接触特性，因此提取圆柱结合面反射率的效率低、结果不全面。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

1、一种面向回转体结合面的超声波反射率提取系统。该系统主要包括工件装卡装置，超声波探头及其角度调整装置，移动平台，控制模块，信号采集模块，数据处理模块以及显示模块。超声波探头及其角度调整装置夹持有探头，同时与移动平台的z轴平移装置相连并作竖直方向的运动；工件装卡装置竖直连接工件，同时与移动平台的x轴平移装置和y轴平移装置相连；移动平台与控制模块相连，在控制模块的控制下实现各轴的移动；信号采集模块与超声波探头连接，采集扫描过程中的超声波信号；数据处理模块与信号采集模块连接，处理采集到的数据；显示模块与数据处理模块连接，将处理后的数据显示在屏幕上。

2、一种回转体结合面超声波反射率提取方法。具体步骤如下：

1)确定超声波扫描结合面间距，扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d，圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径：

df(-6dB)=1.028FcfD---(1)]]>

2)对轴套进行密封处理并竖直放置在装卡装置的聚四氟乙烯管上，注入蒸馏水作为耦合剂，逐次调整移动平台的x轴平移装置以及探头夹持装置的两个旋转装置，使所获取的内表面处反射波信号幅值都为最大值，此时超声波垂直入射于并聚焦在内表面上；

3)驱动超声波探头扫描轴套内表面一条母线，得到参考信号矩阵H₀，测量完成后将耦合剂放掉，针对不同形状的轴套，分为以下三种情况：

(1)当轴套的内外表面均为圆柱面时，通过z轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向运动；

(2)当轴套的内外表面均为圆锥面且锥度相同时，通过z轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向以速度V₁运动，同时通过x轴移动装置驱动轴套以速度V₂移动，且满足

(3)当轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面时，通过z轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向以速度V₁运动，同时通过x轴移动装置驱动轴套以速度V₂移动，同时需满足其中θ₁和θ₂分别为超声波从蒸馏水进入轴套时的入射角和折射角，且满足以及式中C₁和C₂分别是超声波在蒸馏水和轴套中的传递速度；