艙段件壁厚電磁超聲自動測量系統(tǒng)研究

李 波，劉小延，向 華

（1.湖北文理學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.襄陽華中科技大學(xué)先進制造工程研究院 技術(shù)中心，湖北 襄陽 441053）

1 引言

艙段件多為鋁制鑄造件，其經(jīng)過加工后，可為內(nèi)部儀器設(shè)備的安裝提供支撐，其在空間利用率、結(jié)構(gòu)動靜強度以及輕量化等上有著較高要求，壁厚控制嚴(yán)格，波動范圍多在0.5mm內(nèi)。艙段件制造過程涉及諸多環(huán)節(jié)，其經(jīng)過鑄造后，需要反復(fù)進行粗加工、壁厚測量、精加工等，存在加工效率低、不合格率較高等問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)節(jié)拍的提升和成本控制。目前，艙段件的加工實現(xiàn)了數(shù)控化，但是其厚度測量采用人工實現(xiàn)，通過手持超聲波測厚裝置，配合聲耦合劑，進行工件厚度測量，有著耗時長、效率低、精度不高等問題。壁厚測量已成為艙段件類部件的制造瓶頸，亟待提升。

文獻[1]針對大型環(huán)件在線測量，分析了環(huán)件外徑、高度及內(nèi)徑的測量方法研究現(xiàn)狀，進行了相關(guān)檢測技術(shù)的對比分析；文獻[2]介紹了國外發(fā)達國家的超聲波管材測厚儀，其人工手動沿被測管材表面間斷性取點進行壁厚檢測；文獻[3]針對壁厚與外徑比大于0.23的厚壁無縫鋼管，指出了一種基于超聲波的檢測方法；文獻[4]提出了一種連續(xù)油管壁厚與橢圓度超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法，較好解決了壁厚及橢圓度的測量；文獻[5]針對無縫鋼管在線高精度測厚，提出了基于廣義倒頻譜測厚方法，綜合運用了相關(guān)分析和倒頻譜，提高了測量精度和實時性；文獻[6]提出了一種輪式測厚探頭與超聲波激勵結(jié)合的測量方法，可用于天然氣管道壁厚的測量；文獻[7]開展了超聲測厚系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)測量精度試驗研究，分析了誤差產(chǎn)生的主要原因，提出了改進措施；文獻[8]針對經(jīng)熱擠壓和內(nèi)孔磨削后的鋯合金管坯，研究了溢流式壁厚在線超聲檢測方法，實現(xiàn)了管坯截面壁厚值的在線計算；文獻[9]研發(fā)了，完成了一種無縫鋼管超聲自動檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了超聲回波信號信噪比的提高，以及超聲檢測時域分辨率的改善等；文獻[10]研究了基于激光位移傳感器進行天線罩修磨量在線測量的方法，實現(xiàn)了修磨量的快速測量；文獻[11]采用全沒水浸法耦合方式，研究了基于超聲波原理的自動檢測裝置，其具有良好的可靠性與實用性。

針對艙段件壁厚測量，以電磁超聲方法為中心，開展測量機械本體設(shè)計、測頭運動路徑規(guī)劃、壁厚數(shù)據(jù)采集整理等的研究，建立方法驗證測試裝置，開展測量數(shù)據(jù)對比分析，提高測量裝置的可靠性、適用性等。

2 測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)艙段件設(shè)計制造要求，鑄造毛坯件在數(shù)控加工后，整個工件壁厚控制在（±0.5）mm內(nèi)變化。同時，壁厚測量系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下功能：

（1）可滿足多種規(guī)格型號的艙段件壁厚測量；

（2）測量自動化程度高，減少人工干預(yù)；

（3）測量系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)交互接口。

2.1 測量系統(tǒng)總體方案

壁厚測量系統(tǒng)主要由機械支撐、伺服控制、壁厚數(shù)據(jù)采集、壁厚測量分析等部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 艙段結(jié)構(gòu)件壁厚測量系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Wall Thickness Measurement System for Cabin Structural Parts

機械支撐部件實現(xiàn)工件夾持及伺服旋轉(zhuǎn)、超聲探頭軸向運動等的硬件部分；伺服控制實現(xiàn)工件夾持及伺服旋轉(zhuǎn)、超聲探頭軸向運動等的軟件部分；壁厚數(shù)據(jù)采集部件實現(xiàn)壁厚電氣信息的采集、放大、傳送等功能；壁厚測量分析部件實現(xiàn)壁厚數(shù)據(jù)與運動位置信息的耦合等功能。

2.2 伺服控制部件

測厚系統(tǒng)需要控制旋轉(zhuǎn)、X軸以及Z軸等多軸方向的運動，同時運動精度要求較高，選擇華中8型數(shù)控系統(tǒng)作為伺服控制核心部件，運動控制器功能，如圖2所示。上位機中的壁厚測量系統(tǒng)與華中8型數(shù)控系統(tǒng)進行通訊，可進行艙段結(jié)構(gòu)件的長度、檢測截面間距、截面檢測點數(shù)、伺服旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)速等基本參數(shù)的動態(tài)傳送；數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定參數(shù)實現(xiàn)對艙段件壁厚測量過程的運動控制，并將達到指定測量點的開關(guān)量狀態(tài)反饋回上位機控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與位置信息的耦合。

圖2 運動控制器功能示意圖Fig.2 Functional Schematic Diagram of Motion Controller

2.3 超聲波壁厚測量裝置

傳統(tǒng)超聲波測量裝置為接觸式測量，在工作過程中需要聲耦合劑，同時對于測量表面、溫度有著一定的要求。為提高測量的適應(yīng)性，選擇上海伊豐ETG-100電磁超聲檢測儀作為壁厚測量裝置，測量儀實物，如圖3所示。

圖3 ETG-100電磁超聲檢測儀實物圖Fig.3 ETG-100 Electromagnetic Ultrasound Detector

主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 壁厚測量儀技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Measuring Instrument Technical Parameter Table

超聲波一個來回傳播距離等于試件厚度的兩倍，超聲波的傳播距離等于速度乘以時間，測量波形，如圖4所示。

圖4 測量波形圖Fig.4 Measurement Waveform

在現(xiàn)場艙段結(jié)構(gòu)件壁厚測量中，超聲波受到各種外界環(huán)境影響，始波波形存在一定失真，導(dǎo)致始波出現(xiàn)位置和實際情況有偏差，因此選取兩次回波波峰時間差Δt作為測量時間，并根據(jù)超聲波在試件中傳播速率v，計算出艙段結(jié)構(gòu)件的壁厚值h。

3 測量系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

上位機壁厚測量系統(tǒng)將各軸運動位置信息發(fā)送到華中8型數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)控制探頭和進給軸的運動；數(shù)據(jù)采集卡監(jiān)測數(shù)控系統(tǒng)IO口對應(yīng)軸運動狀態(tài)信息，并通過socket方式將狀態(tài)信息發(fā)送到上位機系統(tǒng)；當(dāng)探頭和試件運動到位后，上位機壁厚采集系統(tǒng)通過串口發(fā)送測量控制指令信號到ETG-100電磁超聲檢測儀；檢測儀發(fā)送超聲波信號并將壁厚測量值通過串口反饋回上位機測量系統(tǒng)；上位機測量系統(tǒng)進行采集點壁厚計算，耦合相關(guān)軸實時點位置信息，為艙段結(jié)構(gòu)件壁厚的整體分析及處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。壁厚數(shù)據(jù)流程，如圖5所示。

圖5 壁厚測量數(shù)據(jù)流程Fig.5 Data Flow of Wall Thickness Measurement

3.1 機械支撐設(shè)計

機械設(shè)計部分主要包括工裝夾具、直線驅(qū)動及伺服旋轉(zhuǎn)工作臺等三部分，整體架構(gòu)，如圖6所示。

圖6 機械支撐整體架構(gòu)圖Fig.6 Overall Framework Drawing of Mechanical Support

為滿足多種規(guī)格型號的艙段件壁厚測量，設(shè)計了可動態(tài)調(diào)整尺寸的工裝夾具，其通過調(diào)整滑臺在V型支架上的距離，可以實現(xiàn)對不同直徑的艙段件裝夾，夾具架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 夾具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Fixture Structure Sketch

在進行艙段結(jié)構(gòu)件壁厚測量前，上位機向數(shù)控系統(tǒng)傳送行走軌跡G代碼程序，數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機對V型支架、數(shù)控滑臺及三爪撐緊裝置到指定位置，完成對艙段結(jié)構(gòu)件的裝夾。三爪撐緊裝置旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置為工件坐標(biāo)系原點，電磁超聲波探頭移動到艙段結(jié)構(gòu)件第一截面正上方固定位置，此點作為第一個檢測點，同時也是后續(xù)壁厚差加工定位基準(zhǔn)，參考點選取，如圖8所示。

圖8 艙段結(jié)構(gòu)件參考點選取Fig.8 Selection of Reference Points for Section Structures

3.2 測量路徑規(guī)劃

艙段結(jié)構(gòu)件測量路徑與被測量試件形狀結(jié)構(gòu)、大小、測量要求等參數(shù)有關(guān)，同時也關(guān)系到壁厚值數(shù)據(jù)采集、存儲，以及后期模型重構(gòu)與比對。為便于設(shè)定模型的對比，采用“探頭間歇移動，試件定角度轉(zhuǎn)動”。

根據(jù)不同試件的形狀及測量要求，試件劃分為N個檢測截面，并在每個截面劃分M個檢測點。在進行試件壁厚測量時，探頭移動至第一測量截面上，從參考點開始測量，然后試件根據(jù)事先確定角度轉(zhuǎn)動至下一個位置，完成測量，探頭一直留在此截面直至所有測量點完成。探頭移至下一個截面，依次對各個截面進行測量，直至完成對所有位置的測量，路徑規(guī)劃，如圖9所示。

圖9 探頭間歇移動，試件定角度轉(zhuǎn)動Fig.9 Probe Moving Intermittently and Specimen Rotating at Fixed Angle

壁厚測量流程，如圖10所示。

圖10 壁厚測量流程Fig.10 Wall Thickness Measurement Flow

按照上述方式獲取各個測量點壁厚后，其測量點壁厚值是同X軸坐標(biāo)值和轉(zhuǎn)動角度綁定的，需要將其轉(zhuǎn)化到工件坐標(biāo)系中。設(shè)定圖7中參考點所在平面圓的中心為零點，X軸坐標(biāo)值可保持不變，轉(zhuǎn)動角度需要投影到Y(jié)軸及軸上。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意，如圖11所示。

圖11 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換Fig.11 Coordinate Transformation

式中：X′—探頭在X軸方向移動距離；θ—試件轉(zhuǎn)動角度；X、Y、R—工件坐標(biāo)系坐標(biāo)。

3.3 壁厚測量系統(tǒng)

基于labview2015開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了艙段件壁厚測量系統(tǒng)，集合了串口/以外網(wǎng)設(shè)置、機床及采集卡連接、壁厚測量、常用指令等功能模塊。串口/以外網(wǎng)設(shè)置功能模塊完成壁厚測量儀、機床等的參數(shù)設(shè)置；機床及采集卡連接功能模塊完成與數(shù)控運動平臺、采集卡的連接、斷開等；壁厚測量功能模塊完成壁厚測量參數(shù)設(shè)定及過程管控；常用指令功能模塊完成壁厚測量各指令的單步測試。

通過上述壁厚測量系統(tǒng)，獲得艙段件各測量點的壁厚數(shù)據(jù)，并結(jié)合艙段結(jié)構(gòu)件切削工藝，自動生成數(shù)據(jù)G代碼加工程序，完成對艙段結(jié)構(gòu)件偏差區(qū)域切削加工，保證艙段結(jié)構(gòu)件的壁厚均勻性。

串口/以太網(wǎng)端口設(shè)置，如圖12所示。

圖12 串口/以太網(wǎng)端口設(shè)置Fig.12 Serial/Ethernet Port Settings

壁厚測量采集部分程序，如圖13所示。

圖13 采集部分程序框圖Fig.13 Procedure Block Diagram of Acquisition Part

4 測量系統(tǒng)應(yīng)用驗證

4.1 測試驗證平臺

為驗證壁厚測系統(tǒng)的可靠性，進行了一臺華中8型數(shù)控機床的通信程序改造，并采用一內(nèi)孔徑值為錐形的管道件為驗證對象。前述ETG-100電磁超聲測厚儀通過刀柄裝夾在加工中心主軸上，管道件裝夾在機床第四軸上，實驗平臺，如圖14所示。

圖14 實驗測試平臺Fig.14 Experimental Test Platform

壁厚測量模塊，如圖15所示。

圖15 壁厚測量模塊Fig.15 Wall Thickness Measurement Module

4.2 測量數(shù)據(jù)分析

為驗證壁厚測量系統(tǒng)精度，上圖中試件選取10個截面，每截面選取6個檢測點，總共60個點進行壁厚測量，測量及實際值，如表2所示。

表2 壁厚測量數(shù)據(jù)Tab.2 Wall Thickness Measurement Data Table

誤差折線，如圖16所示。

圖16 誤差折線圖Fig.16 Error Polygraph

由上圖可見，壁厚測量值與實際值誤差在（±0.2）mm范圍以內(nèi)。誤差發(fā)生原因主要是由于工件非平面特性、超聲波垂直進入等造成的。根據(jù)艙段件加工工藝要求，測量精度高于規(guī)定值。

5 結(jié)束語

現(xiàn)有艙段體壁厚測量，采用人工方式進行，難于滿足現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需求。針對艙段體類部件的壁厚測量，進行了艙段件壁厚電磁超聲自動測量總體方案設(shè)計，開展了測量機械本體設(shè)計、測頭運動路徑規(guī)劃、壁厚數(shù)據(jù)采集整理等內(nèi)容的研究，并搭建了壁厚測量驗證平臺，研制了艙段件壁厚測量軟件系統(tǒng)。經(jīng)過實驗測定，壁厚測量系統(tǒng)誤差控制在（±0.2）mm范圍內(nèi)，滿足了艙段結(jié)構(gòu)件壁厚（±0.5）mm的控制要求，同時可通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)測量過程的自主控制。