超声波测厚系统的研究

　　0　引言

　　由于数控系统配置刀具监控仪后可减少故障停机时间的75%,提高生产率50%以上,因此刀具监控技术已成为各国公认的重大关键技术,在现有刀具监测中对深孔加工的自动监测寥寥无几,而超声检测可应用于对其的检测中。当前用于各种管材质量检验的超声检测主要包括以检出缺陷为目的的超声探伤和以测量有关尺寸为目的的超声测量,前者的应用较为广泛,而后者的应用则很少,且一般以手工测量为主。对于各种管材来说,常用的便携式超声波测厚仪只能用来对其壁厚进行离线式接触局部抽检,不适宜于批量在线深孔加工管材壁厚的自动测量[1]。因此要适应现代化大生产的需要,必须采用现代先进的自动检测技术对管材的壁厚进行全长、全截面和全自动在线测量。

　　1　超声波测厚原理及其在深孔加工中的应用

　　深孔机床加工与一般切削机床加工在操作控制上的最大不同之处在于,深孔加工是在操作者不能凭视觉直接察知的隐蔽条件下进行的。深孔钻头的断屑、排屑、切削刃的磨损、切削形态、被加工表面状况以至钻头走向是否正确等,都是决定加工成败、质量、效率及成本的重大影响因素,但这些都无法用肉眼直接觉察。传统的方法是操作者通过触摸刀杆和油温、听切削声音、看已排出的切屑形态和油压表指针(摸、听、看)等间接手段来判断加工过程是否正常,甚至可以判断出表面粗糙度的水平,但对于钻头走偏仍无法准确预知[2]。因此,在深孔加工机床方面,对钻头走向的实时监测,对切削用量的实时调整,应作为控制技术中更加优先的课题加以研究和解决。

　　在一定范围的匀质材料厚度测量中,超声测厚技术应用非常广泛。超声测厚技术从原理上分有谐振式和脉冲反射式两种。脉冲反射式测厚法实质上是测量超声波脉冲在材料中的往返传播时间。对某种材料而言,如果此种材料的声速c已知,那么测得超声波在材料厚度方向上两个表面反射波的时间差t,就可求出材料的厚度d为[3]:

　　d=ct/2(1)………………………………………

　　2　系统组成

　　本测厚系统由两大模块组成,即超声波发射接收电路部分和单片机部分。超声波发射接收电路部分由系统电源模块、发射接收放大电路、可调增益放大检波电路、门选电路和上升沿触发信号等电路组成;单片机部分由最小系统模块、LCD模块、计数模块、按键控制模块、电源模块和串行通信模块组成[4]。超声波发射接收电路部分用于产生激发探头所需的激励脉冲和接收反射回来的超声波信号,并将其放大、检波和门选;计数模块将超声波发射接收电路传过来的信号转换成可计数的具有厚度值脉宽的矩形波; LCD模块用于显示经单片机计算出的厚度值;串行通信模块用于将厚度值传送到上位机;按键控制模块用于控制测厚系统的开启和初始化。系统组成如图1所示。