超声非接触扫描测厚中耦合间隙自适应调整方法技术

本发明专利技术超声非接触扫描测厚中耦合间隙自适应调整方法属于超声检测技术领域，涉及一种超声非接触扫描测厚中耦合间隙自适应调整方法。该方法中，沿测量方向在超声传感器两侧各安装一个涡流传感器，并通过坐标转换将各个传感器的测量坐标系统一到基准坐标系，由涡流传感器预先到达待测点获取的探路测量数据为后续耦合状态判别、调整量计算以及调整路径生成提供了数据基础。根据耦合间隙阈值范围、各个传感器之间及其与工件之间的几何关系建立了耦合间隙状态判别模型，实现对测厚过程中的耦合间隙状态实时、有效判别。该方法保证了超声非接触扫描测厚中超声测厚装置与工件表面的最佳耦合效果，进而保证了测厚结果的精度和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
超声非接触扫描测厚中耦合间隙自适应调整方法
本专利技术属于超声检测
，特别涉及一种超声非接触扫描测厚中耦合间隙自适应调整方法。
技术介绍
大型薄壁件是航空航天重大装备上的一类典型零件，其对加工剩余壁厚精度要求较高，在机测量其剩余壁厚分布状态是实施零件加工目标曲面再设计的核心工艺环节。将超声测厚装置集成至数控机床，通过机床主轴装载超声测厚装置进行测量运动，可以实现对大型薄壁件的超声在机自动测厚。非接触式超声测厚方法因其具有非接触无损检测、适应高速扫描运动等特点，较好地弥补了逐点接触式超声测厚方法接触力调控难、测量效率低等不足，更加适用于大型薄壁件的精密、高效在机测厚。然而，由于大型薄壁件尺寸大、刚度低，对其进行在机测厚过程中极易因装夹等受力产生变形，这种不可预知的变形导致超声测厚装置与被测工件表面的耦合间隙难以在适当的阈值范围内保持稳定。耦合间隙过大，回波信号多分量耦合，导致测厚结果不可信；耦合间隙过小，可能划擦甚至碰撞工件表面，不仅损伤设备和工件，还具有安全隐患。因此，控制超声测厚装置在实际测量过程中根据变形后的被测工件真实几何面型自适应地调整耦合间隙，使之在适当的阈值范围内保持稳定，对于实现超声测厚装置与工件表面的最佳耦合效果，进而保证测厚结果的精度和稳定性至关重要。超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整的关键问题是：有效判别耦合间隙状态、计算适当的调整值、生成平滑的自适应调整路径。2014年，大连理工大学在专利技术专利CN201410182459中公开了“一种喷流液浸超声检测方法和喷液器”，通过优化设计喷液器结构有效解决了喷流液浸超声检测过程中耦合剂流动状态与流速协调控制难题。2016年，中国科学院沈阳计算机技术研究所有限公司在专利技术专利CN108072698A中公开了“一种水浸超声探伤系统及方法”，在工控机中设置超声波检测参数及运动指令并输出给运动控制模块和运动执行机构，实现自动扫描超声检测。然而，上述专利技术均未述及非接触式超声检测过程中耦合间隙自适应调整难题。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术难题是克服现有方法不足，面向大型薄壁件精密、高效在机测厚需要，针对超声非接触扫描测厚过程中由于工件变形引起的超声测厚装置与被测工件表面耦合间隙难以在适当的阈值范围内保持稳定难题，专利技术了一种超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整方法。沿测量方向在超声传感器两侧各安装一个涡流传感器，并通过坐标转换将各个传感器的测量坐标系统一到基准坐标系，由涡流传感器预先到达待测点获取的探路测量数据，为后续耦合状态判别，调整量计算以及调整路径生成提供了数据基础。根据耦合间隙阈值范围，各个传感器之间及其与工件之间的几何关系建立了耦合间隙状态判别模型，实现对测厚过程中的耦合间隙状态实时、有效判别。基于已测数据密度估计确定调整值，实现在满足调整后的耦合间隙处于阈值范围内的前提下，后续调整次数尽可能少以及后续每一次调整值尽可能小；采用移动最小二乘方法生成自适应调整路径，实现平滑而准确的自适应调整。本专利技术采用的技术方案是一种超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整方法，其特征是：该方法首先沿测量方向在非接触式超声测厚装置的超声传感器两侧各安装一个涡流传感器用于探路测量，并将测量装置整体安装于机床主轴上；再通过坐标转换将各个传感器的测量值统一转换到基准坐标系下便于后续数据处理；然后，根据耦合间隙阈值范围、各个传感器之间及其与工件之间的几何关系建立耦合间隙状态判别模型；最后，在固定Y轴坐标，沿+X轴方向扫描测量过程中，实时判别涡流传感器当前测点是否为“调整点”，若判定当前测点为调整点Pi，则自调整点Pi沿-X轴方向撷取m-1个测点构成测点集Pi＝{pij,pi,j∈[1,m-1]}，基于其对应的坐标集Pi′＝{(xij,y,zij),(xi,y,zi),j∈[1,m-1]}及测距集计算调整点Pi处的调整值ΔZi，并生成指导超声传感器根据变形后的工件的局部几何面型，自适应地运动至调整点Pi的平滑调整路径，实现耦合间隙在适当阈值范围内稳定地自适应调整。超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整方法的具体步骤如下：第一步，组装非接触式超声测厚装置组装非接触式超声测厚装置1，将超声传感器1.3安装于下法兰1.2中心，超声传感器1.3轴线与下法兰1.2轴线重合；喷液器1.4套装于超声传感器1.3，喷液器1.4轴线与超声传感器1.3轴线重合并与下法兰1.2通过螺纹连接；第一涡流传感器1.5和第二涡流传感器1.6分别安装于下法兰1.2，第一涡流传感器1.5的轴线和第二涡流传感器1.6的轴线沿测量方向等距离分布于超声传感器1.3的轴线两侧，且三者在XOZ面相互共面平行；下法兰1.2与上法兰1.1通过螺杆1.7连接，下法兰1.2轴线上法兰1.1轴线重合；上法兰1.1上方沿轴线设有夹持柱1.1a，通过刀柄将超声测厚装置1整体安装于机床主轴上；第二步，坐标转换分别建立机床坐标系O-XYZ，传感器测量坐标系os-xsyszs，机器坐标系om-xmymzm以及基准坐标系o-xyz，各坐标系的三个坐标轴方向分别与机床上相应的三个运动轴方向保持一致；其中，机床坐标系原点O位于机床上某一运动轴(如Y运动轴)上的光栅尺零位；传感器测量坐标系原点os位于传感器上测量值为0的点；机器坐标系原点om位于数控机床回零状态下(各运动轴光栅尺均处于零位)传感器上测量值为0的点；基准坐标系原点o位于设置于机床工作台上的基准块上表面中心；按公式(1)将各个传感器的测量值依次由传感器测量坐标系os-xsyszs转换至机器坐标系om-xmymzm再转换至基准坐标系o-xyz，式中，(xs,ys,zs)T为传感器在os-xsyszs坐标系中的测量值，设传感器信号束中心线在os-xsyszs坐标系中的单位方向向量为l，m，n，测距(传感器测距示数)为d，则(xs,ys,zs)T＝(ld,md,nd)T；R1，T1分别为传感器测量坐标系os-xsyszs相对机器坐标系om-xmymzm的旋转矩阵和平移矩阵；R2，T2分别为机器坐标系om-xmymzm相对基准坐标系o-xyz的旋转矩阵和平移矩阵；由于各坐标系的对应坐标轴之间相互平行且方向一致，故，记录第一涡流传感器1.5的示数为零时的机床坐标(0,0,z1)，记为机器坐标系om-xmymzm的原点om，同时得到第一涡流传感器1.5测量坐标系os-xsyszs相对机器坐标系om-xmymzm的平移矩阵T1＝(0,0,z1)；在机器坐标系om-xmymzm下使用传感器对基准块上表面进行测量，并将获得的测量数据拟合成平面，设求得该平面中心坐标为则第三步，耦合间隙状态判别上位机测控系统控制机床主轴装载非接触式超声测厚装置自测量起点，固定Y轴坐标，匀速沿+X轴方向作扫描测量运动，扫描测量过程中，按如下模型实时判断第一涡流传感器1.5当前测点是否为“调整点”；式中，H为第一涡流传感器1.5底面中心与喷液器1.4底面中心的相对距离，[Dumin,Dumax]为耦合间隙阈值范围，De为第一涡流传感器1.5底面中心与工件2表面测点的相对距离，ΔZi为超声测厚装置1第i次沿Z轴调整的偏移量，沿Z轴向上移动时ΔZi取正值，反之则反；若公式(3)成立，当前测点则为“非调整点”，否则本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整方法，其特征是：该方法首先沿测量方向在非接触式超声测厚装置的超声传感器两侧各安装一个涡流传感器用于探路测量，并将测量装置整体安装于机床主轴；接下来，通过坐标转换将各个传感器的测量值统一转换到基准坐标系下便于后续数据处理；然后，根据耦合间隙阈值范围、各个传感器之间及其与工件之间的几何关系建立耦合间隙状态判别模型；最后，在固定Y轴坐标，沿+X轴方向扫描测量过程中实时判别涡流传感器当前测点是否为“调整点”，若判定当前测点为调整点Pi，则自调整点Pi沿‑X轴方向撷取m‑1个测点构成测点集Pi＝{pij,pi,j∈[1,m‑1]}，基于其对应的坐标集Pi′＝{(xij,y,zij),(xi,y,zi),j∈[1,m‑1]}及测距集

【技术特征摘要】
1.一种超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整方法，其特征是：该方法首先沿测量方向在非接触式超声测厚装置的超声传感器两侧各安装一个涡流传感器用于探路测量，并将测量装置整体安装于机床主轴；接下来，通过坐标转换将各个传感器的测量值统一转换到基准坐标系下便于后续数据处理；然后，根据耦合间隙阈值范围、各个传感器之间及其与工件之间的几何关系建立耦合间隙状态判别模型；最后，在固定Y轴坐标，沿+X轴方向扫描测量过程中实时判别涡流传感器当前测点是否为“调整点”，若判定当前测点为调整点Pi，则自调整点Pi沿-X轴方向撷取m-1个测点构成测点集Pi＝{pij,pi,j∈[1,m-1]}，基于其对应的坐标集Pi′＝{(xij,y,zij),(xi,y,zi),j∈[1,m-1]}及测距集计算调整点Pi处的调整值ΔZi，并生成指导超声传感器根据变形后的工件的局部几何面型自适应地运动至调整点Pi的平滑调整路径，实现耦合间隙在适当阈值范围内稳定地自适应调整；超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整方法的具体步骤如下：第一步，组装超声非接触扫描测厚装置组装非接触式超声测厚装置(1)，将超声传感器(1.3)安装于下法兰(1.2)中心，超声传感器(1.3)轴线与下法兰(1.2)轴线重合；喷液器(1.4)套装于超声传感器(1.3)，喷液器(1.4)轴线与超声传感器(1.3)轴线重合并与下法兰(1.2)通过螺纹连接；第一涡流传感器(1.5)和第二涡流传感器(1.6)分别安装于下法兰(1.2)，第一涡流传感器(1.5)的轴线和第二涡流传感器(1.6)的轴线沿测量方向等距离分布于超声传感器(1.3)的轴线两侧，且三者在XOZ面相互共面平行；下法兰(1.2)与上法兰(1.1)通过螺杆(1.7)连接，下法兰(1.2)轴线上法兰(1.1)轴线重合；上法兰(1.1)上方沿轴线设有夹持柱(1.1a)，通过刀柄将超声测厚装置(1)整体安装在机床主轴上；第二步，坐标转换分别建立机床坐标系O-XYZ，传感器测量坐标系os-xsyszs，机器坐标系om-xmymzm以及基准坐标系o-xyz，各坐标系的三个坐标轴方向分别与机床上相应的三个运动轴方向保持一致；其中，机床坐标系原点O位于机床上某一运动轴(如Y运动轴)上的光栅尺零位；传感器测量坐标系原点os位于传感器上测量值为0的点；机器坐标系原点om位于数控机床回零状态下，即各运动轴光栅尺均处于零位，传感器上测量值为0的点；基准坐标系原点o位于设置于机床工作台上的基准块上表面中心；按公式(1)将各个传感器的测量值依次由传感器测量坐标系os-xsyszs转换至机器坐标系om-xmymzm再转换至基准坐标系o-xyz；式中，(xs,ys,zs)T为传感器在os-xsyszs坐标系中的测量值，设传感器信号束中心线在os-xsyszs坐标系中的单位方向向量为l，m，n，测距即传感器测距示数为d，则(xs,ys,zs)T＝(ld,md,nd)T；R1，T1分别为传感器测量坐标系os-xsyszs相对机器坐标系om-xmymzm的旋转矩阵和平移矩阵；R2，T2分别为机器坐标系om-xmymzm相对基准坐标系o-xyz的旋转矩阵和平移矩阵；由于各坐标系的对应坐标轴之间相互平行且方向一致，故记录第一涡流传感器(1.5)的示数为零时的机床坐标(0,0,z1)，记为机器坐标系om-xmymzm的原点om，同时得到第一涡流传感器(1.5)测量坐标系os-xsyszs相对机器坐标系om-xmymzm的平移矩阵T1＝(0,0,z1)；在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永青，张桐宇，刘海波，刘宝良，廉盟，李特，盛贤君，康仁科，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21