[发明专利]大型壁板超声在机非接触扫描测厚装备与测厚方法

权利要求书

1.一种大型壁板超声在机非接触扫描测厚装备，其特征是，该装备由龙门式数控机床(1)、非接触式超声测厚装置(2)和耦合剂循环系统(3)构成；

采用大行程、高精度轻型龙门式数控机床(1)作为测量机主体，在其上装夹被测大型壁板(4)，并进行扫描测量运动；非接触式超声测量装置(2)安装在龙门式数控机床(1)的主轴(1.8)上，用于实现超声信号的发射与采集；并搭建了具有多层过滤及流量监测、调节功能的耦合剂循环系统，在被测大型壁板(4)表面采用喷流液浸耦合方式，用微乳化切削液作为超声在机测厚的兼容性耦合剂；并对耦合剂进行回收，净化及循环稳定供应；

在龙门式数控机床(1)的床身(1.1)上安装有工作台(1.2)，第一X轴导轨(1.5)和第二X轴导轨(1.6)分别安装在工作台(1.2)上；龙门架(1.3)由第一立柱(1.3a)、第二立柱(1.3b)和横梁(1.3c)组成，第一立柱(1.3a)和第二立柱(1.3b)分别安装在第一X轴导轨(1.5)和第二X轴导轨(1.6)上，横梁(1.3c)固定安装在第一立柱(1.3a)和第二立柱(1.3b)之间，横梁1.3c上装有Y轴导轨(1.7)；主轴箱(1.4)装在Y轴导轨(1.7)上；主轴箱(1.4)中装有主轴(1.8)及供主轴(1.8)滑动的Z轴导轨(1.9)；工作台(1.2)上装有找正工件的第一限位块(1.10)和第二限位块(1.11)，多个用于压紧工件边缘的压板组件(1.12)；第一立柱(1.3a)和第二立柱(1.3b)上分别装有第一驱动装置和第二驱动装置，共同用于带动主轴(1.8)沿X轴移动；横梁(1.3c)上装有第三驱动装置，用于带动主轴(1.8)沿Y轴移动；主轴箱(1.4)中装有第四驱动装置，用于带动主轴(1.8)沿Z轴移动；

非接触式超声测厚装置(2)中，超声传感器(2.3)安装于下法兰(2.2)中心，超声传感器(2.3)轴线与下法兰(2.2)轴线重合，超声传感器(2.3)通过信号线与超声信号卡相连；喷液器(2.4)套装于超声传感器(2.3)，喷液器(2.4)轴线与超声传感器(2.3)轴线重合并与下法兰(2.2)通过螺纹连接；喷液器2.4径向对称设有第一耦合剂注入口(2.4a)和第二耦合剂注入口(2.4b)，第一耦合剂注入口(2.4a)和第二耦合剂注入口(2.4b)通过Y型导管接入耦合剂循环系统(3)；喷液器(2.4)底面中心设有耦合剂喷流口(2.4c)；下法兰(2.2)与上法兰(2.1)通过三个周向均布的螺杆(2.5)连接，下法兰(2.2)轴线上法兰(2.1)轴线重合；上法兰(2.1)上方沿轴线设有夹持柱(2.1a)，与机床主轴(1.8)通过刀柄连接；

耦合剂循环系统(3)使用微乳化切削液作为喷流液浸超声测厚耦合剂；集液槽(3.1)在龙门式数控机床(1)的工作台(1.2)下方，其出口处设有初步阻隔大颗粒杂质的过滤网(3.1a)，并与沉淀箱(3.2)入口(3.2a)通过管道(3.7)连通；沉淀箱(3.2)内装有均布过滤孔以进一步阻隔杂质的过滤板(3.2b)，沉淀箱入口(3.2a)和沉淀箱出口(3.2c)分别位于过滤板(3.2b)两侧，沉淀箱出口(3.2c)与液压泵(3.3)通过管道(3.7)连通；液压泵(3.3)与喷液器(2.4)连通的管道(3.7)上依次设有用于进一步净化耦合剂的过滤器(3.4)、用于调节耦合剂流量的液压阀(3.5)以及用于观测耦合剂流量的流量计(3.6)。

2.依据权利要求1所述的一种大型壁板超声在机非接触扫描测厚装备，其特征是，该装置采用的测量方法是：首先，将被测大型壁板(4)具有网格特征的一面面向机床工作台(1.2)进行装夹；再根据测量要求确定扫描测量过程中的各项参数并编制数控测量程序；然后，根据超声回波信号状态调节耦合剂流量及非接触超声测厚装置(2)与被测大型壁板4的耦合间隙；最后，上位机测控系统执行数控测量程序，控制机床主轴(1.8)装载非接触式超声测厚装置(2)沿预设测量路径对被测大型壁板(4)进行扫描测厚；同时高频采集、存储测点坐标及壁厚数据，直至遍历整个工件，完成对被测大型壁板(4)的超声在机非接触扫描测厚；方法的具体步骤如下：

第一步，被测工件装夹

将被测大型壁板(4)水平吊装至工作台(1.2)表面，使其具有网格特征的一面面向机床工作台(1.2)，平面状态的一面作为被测面；调整被测大型壁板(4)，使其第一边缘(4.a)和第二边缘(4.b)分别顶靠至位置坐标已在机床坐标系中确定，并精密工装于机床工作台(1.2)上的第一限位块(1.10)和第二限位块(1.11)，实现被测大型壁板(4)在机床坐标系中的定位与找正；调整多个压板组件(1.12)，使其分别夹紧被测大型壁板(4)的第一边缘(4.a)和第三边缘(4.c)，完成对被测大型壁板(4)的装夹；

第二步，测量参数确定

控制机床主轴(1.8)装载非接触式超声测厚装置(2)运动至被测大型壁板(4)的预设测量起点，记录当前点的X、Y轴坐标作为测量数控程序的编程零点；根据对被测大型壁板(4)的测量范围、测点密度、测量时间的要求，确定“Z”字形双向往复扫描测量路径沿X轴的扫描距离及相邻扫描测量路径的间距、测点坐标及壁厚数据采集频率、扫描测量速度，并基于上述信息编制数控测量程序；

第三步，耦合状态调整

控制机床主轴(1.8)装载非接触式超声测厚装置(2)在预设测量起点处沿Z轴移动至喷液器(2.4)底面距离被测大型壁板(4)表面2mm左右，开启耦合剂循环系统(3)的液压泵(3.3)，通过调节液压阀(3.5)调整耦合剂流量，通过微调机床主轴(1.8)在Z轴方向上的位移调整非接触超声测厚装置(2)与被测大型壁板(4)的耦合间隙，直至观测评估超声回波信号状态良好，完成超声在机测厚的耦合状态调整；

第四步，自动扫描测厚

上位机测控系统执行测量数控程序，控制机床主轴(1.8)装载非接触式超声测厚装置(2)沿如下预设“Z”字形测量路径对被测大型壁板(4)进行双向往复非接触扫描测厚：由第一线性运动段P1的起始控制点C11沿+X轴方向连续扫描运动至第一线性运动段P1的终止控制点C12，继续沿+Y轴方向连续扫描运动至第二线性运动段P2的起始控制点C21，继续沿-X轴方向连续扫描运动至第二线性运动段P2的终止控制点C22，继续沿+Y轴方向连续扫描运动至第三线性运动段P3的起始控制点C31，以此路径为周期循环扫描测量，同时上位机测控系统高频采集测点坐标及壁厚数据，直至遍历整个工件，完成对被测大型壁板(4)的超声在机非接触扫描测厚。