大曲面工件的超声测量技术研究

　　随着航空、航天、造船、汽车和模具工业的飞速发展,对产品性能、外形等方面的要求越来越高,大曲面工件广泛出现于现代工业中。为了对大型曲面工件的制造进行质量控制,有必要对其进行数字化测量。

　　现代曲面数字化测量的研究已越来越集中在非接触测量上。目前国内在激光三角形测量法研究取得很大进展,但是尚没有成熟可靠的激光测量产品面世。虽然激光测量精度比较高,但存在测量范围小、环境适应能力差、费用高、性能稳定性低和配套技术不完善(测头与三坐标数控系统的接口、自动测量控制策略)等缺点,目前,仅限于在实验室中使用,不能满足现代化工业生产中大型曲面工件的在线或在位测量[1]。

　　由于超声波测距具有不受外界光及电磁场的干扰等优点,属非接触测量方式,工作间隙大,对恶劣环境有一定的适应能力,性价比较高,在工业中应用最为广泛.本研究采用了超声波换能器(俗称超声探头)测量大曲面工件表面的形状特征数字化信息。

　　1 大曲面工件超声测量

　　首先,利用一台基于超声测距原理的多自由度超声测量机器人,人工引导超声波探头对被测大曲面工件的表面关键点进行测量;利用获得的关键点数据构造被测曲面工件的简易模型。第二,根据获得的简易模型,对被测曲面工件进行仿形测量,获得有关被测工件的“点云”|式数据,以进行工件的精确建模。第三,利用反求工程建模技术,对被测曲面工件进行基于扫描线的建模造型,重构被测曲面工件表面近似的特征数字化信息。具体流程见图1所示。

　　2 关键技术研究

　　2.1 基于超声测距法的曲面测量原理

　　在进行大曲面工件测量时,要求超声探头和工件表面之间保持一定的姿态,做仿形跟踪式的测量。

　　非接触超声测量常采用水作耦合剂。5MHz的探头在20e纯水中的声速是1482.66m/s,在水中传播时波长λ=c/f,约为0.3mm。将超声波探头作为数据采集装置时,采集数据的精度可以达到±0.1mm级,可以满足大曲面工件建模的精度要求,所以采用超声波探头作为大曲面工件表面数据采集的装置的方案是可行的。

　　超声波曲面工件测量就是将一定频率的超声波信号通过探头和工件之间的耦合剂—水,入射到被测量曲面工件的表面,超声波信号在传递过程中如果遇到声阻抗不同于水的介质,声波信号将发生反射,通过分析反射波的位置可以判断探头到反射面的距离大小。超声波测距的原理如图2所示。

　　超声脉冲法测距采用渡越时间法,就是利用接收回波脉冲与发射脉冲间的时间差来确定距离的方法。渡越时间即为超声波发射到超声波返回的时间间隔。如图2所示,假设发射探头发射周期为T,宽度为τ,载频为f的声脉冲,当它在水中传播时遇到目标产生散射,有部分声波(信号)被反射回到探头被接收。声波在探头和目标之间的往返时间Δt=2D/c,所以D=1/2cΔt,其中d为探头与目标之间距离,c为声波在水中传播的速度,t为渡越时间。采集工件表面初始数据时,为保持数据的准确性,在利用超声波探头波束的指向性来保证探头对准工件表面点的外法线方向的同时,需要保证采集点处的测得距离D等于最佳声耦合水柱长度d。