一种薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置及方法，测量装置包括控制盒，控制盒上设置有连接杆和探头安装架，控制盒内安装有信号处理和传输模块，信号处理和传输模块与数控机床的上位机电连接，探头安装架上设置有测量探头；测量方法包括步骤S1‑S5，本发明提供的薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置及方法，解决了手工厚度测量测量误差大、测量效率低等缺陷，可对数控加工薄壁零件中筋条和椽条等侧壁结构进行在机自动厚度测量，测量效率高，避免零件二次装夹，提高加工精度，缩短生产周期；并为零件加工中的过程控制提供了必要的硬件基础。

说明书

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，具体涉及一种薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置及方法。

背景技术

大量航空结构件如飞机的整体框、整体梁、整体腹板和长缘条等普遍采用由大型整块毛坯直接“掏空”而加工成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等整体结构件。整体结构件体积大、壁薄、刚度差、易变形、切削加工余量大，加工周期长，加工质量和精度很难控制，对此类航空整体结构件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要难题和技术瓶颈。现代的飞机结构件普遍采用三维CAD实体数据模型设计，利用数控机床加工，使用坐标测量机检测加工精度。但是，在加工过程中需要经常在数控机床和计量测试单位间进行零件周转，导致零件需要重复地装夹定位和对刀，容易产生应力和应变，造成超差或报废，使零件的制造周期变长。为了保证加工质量，防止零件加工报废，提高产品的合格率，对此类大型薄壁零件进行在机厚度检测尤为重要。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种拆装方便、测量精度高的薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置及方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置，其包括控制盒，控制盒上设置有连接杆和探头安装架，控制盒内安装有信号处理和传输模块，信号处理和传输模块与数控机床的上位机电连接，探头安装架上设置有测量探头，测量探头包括两块铰接在探头安装架上的旋转块，两块旋转块端部均设置有滚轮，两块旋转块之间的铰接点上安装有绝对角度编码器，绝对角度编码器与信号处理和传输模块电连接。

进一步地，两块旋转块的铰接点上安装有回弹机构。

进一步地，两块旋转块之间安装有微动开关，微动开关与信号处理和传输模块电连接。

进一步地，控制盒与探头安装架之间安装有旋转机构。

进一步地，探头安装架中间安装有竖直设置的弹簧。

进一步地，控制盒内安装有独立电源，独立电源与信号处理和传输模块电连接。

一种薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置的测量方法，其包括以下步骤：

S1：选取待测量薄壁零件侧壁上的一个测量点，并以测量点所在的侧壁面切线方向作为数控机床的主轴轴向，在数控机床上设定测量探头的测量路径；

S2：将测量装置通过连接杆安装在数控机床的刀柄上，刀柄再安装在数控机床的主轴上；

S3：启动数控机床，数控机床的主轴带动测量探头移动到测量点上方并缓慢向下移动，零件的侧壁置于两块旋转块之间；

S4：当测量探头的滚轮到达测量点时绝对角度编码器开始检测，并且每隔一段设定时间，绝对角度编码器测量一次两块旋转块的相对旋转角度，并发送给信号处理和传输模块；

S5：当测量探头的滚轮离开测量点后停止移动，绝对角度编码器停止检测，数控机床的主轴向上移动离开零件，回到原点位置等待下一次测量；同时信号处理和传输模块通过角度数据计算出壁厚并发送给上位机。

进一步地，信号处理和传输模块计算壁厚的计算方法包括以下步骤：

S1：统计测量点区域内绝对角度编码器每一次检测的角度数据集|α_i-m,…,α_i…,α_i-m|，并计算方差σ_i和均值μ_i，其中α_i为某一i时刻绝对角度编码器检测的的角度值，m为设定的一段时间间隔；

S2：根据公式对均值μ_i和方差σ_i进行滤波处理，滤波后的数据α即为两块旋转块真实的旋转角度值；

S3：利用余弦定理公式计算出侧壁厚度，其中α₀为绝对编码器的初始角度，r为测量点与两块旋转块的铰接点的距离值。

本发明的有益效果为：本方案在数控加工中用于测量薄壁零件的厚度值，测量装置整体安装在数控机床上，并通过连接杆安装于数控机床的主轴上，便于拆装；通过在数控机床的上位机上设定测量路径，实现自动测量。测量时，待测量的薄壁零件的侧壁置于两块旋转块之前，滚轮在侧壁上滚动，可有效减小对零件的损伤；绝对角度编码器用于检测两块旋转块在移动过程中的角度变化，并发送给信号处理和传输模块对厚度值进行计算。

回弹机构使得滚珠能与零件的侧壁紧密接触，并且在测量结束后两块旋转块能自动复位，减小测量误差，便于对下一个测量点进行测量；探头安装架中间设置弹簧，可有效消除测量探头与测量面上的水平面误差，提高测量精度；微动开关用于检测两块旋转块的张闭，用于控制测量装置上电源的关断，极大地降低系统功耗；控制盒与探头安装架之间通过安装旋转机构，便于对多角度的测量面进行测量，无需多次对零件进行装夹。

本发明提供的薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置及方法，解决了手工厚度测量测量误差大、测量效率低等缺陷，可对数控加工薄壁零件中筋条和椽条等侧壁结构进行在机自动厚度测量，测量效率高；整个装置以嵌入式形式安装在机床上，并提供独立电源，提高了装置的通用性；避免零件二次装夹，提高加工精度，缩短生产周期；并为零件加工中的过程控制提供了必要的硬件基础。

附图说明

图1为薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置的结构示意图。

图2为测量探头的结构示意图。

其中，1、控制盒，2、连接杆，3、信号处理和传输模块，4、旋转机构，5、弹簧，6、探头安装架，7、旋转块，8、绝对角度编码器，9、回弹机构，10、微动开关，11、滚轮。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置包括控制盒1，控制盒1上端和下端分别设置有连接杆2和探头安装架6，控制盒1内安装有信号处理和传输模块3，信号处理和传输模块3与数控机床的上位机电连接，探头安装架6上设置有测量探头，测量探头包括两块铰接在探头安装架6上的旋转块7，两块旋转块7端部均设置有滚轮11，且两个滚轮11共面，两块旋转块7之间的铰接点上安装有绝对角度编码器8，绝对角度编码器8与信号处理和传输模块3电连接。信号处理和传输模块3采用8051单片机，绝对角度编码器8采用HAE18U5V12A1型绝对角度编码器。

本方案在数控加工中用于测量薄壁零件的厚度值，测量装置整体安装在数控机床上，并通过连接杆2安装于数控机床的主轴上，便于拆装；通过在数控机床的上位机上设定测量路径，实现自动测量。测量时，待测量的薄壁零件的侧壁置于两块旋转块7之前，滚轮11在侧壁上滚动，有效的减小对零件的损伤；绝对角度编码器8用于检测两块旋转块7在移动过程中的角度变化，并发送给信号处理和传输模块3对侧壁的厚度值进行计算。

两块旋转块7的铰接点上安装有回弹机构9，回弹机构9使得滚珠能与零件的侧壁紧密接触，并且在测量结束后两块旋转块7能自动复位，减小测量误差，便于对下一个测量点进行测量；两块旋转块7之间安装有微动开关10，微动开关10与信号处理和传输模块3电连接，微动开关10用于检测两块旋转块7的张闭，用于控制测量装置上电源的关断，极大地降低系统功耗。

控制盒1与探头安装架6之间通过旋转机构4连接，便于对多角度的测量面进行测量，无需多次对零件进行装夹；探头安装架6上安装有竖直设置的弹簧5，可有效消除测量探头与测量面上水平面上的误差，提高测量精度；控制盒1内安装有独立电源，独立电源与信号处理和传输模块3电连接。

一种薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置的测量方法，其包括以下步骤：

S1：确定出待测量薄壁零件侧壁上的测量点，并以测量点所在的侧壁面切线方向作为数控机床的主轴轴向，规划测量路径并编写测量路径的路径程序；

S2：将测量装置通过连接杆2安装在数控机床的刀柄上，刀柄再安装在数控机床的主轴上；

S3：启动数控机床，上位机执行路径程序将探头移动到测量点上方并缓慢向下移动，薄壁零件的侧壁置于两块旋转块7之间；

S4：测量探头的滚轮11到达测量点时开始测量，并且每隔一段设定时间，绝对角度编码器8记录一次两块旋转块7的相对旋转角度，并发送给信号处理和传输模块3；

S5：当测量探头的滚轮11离开测量点后停止移动，绝对角度编码器8停止检测，数控机床的主轴向上移动离开测量零件，回到原点位置等待下一次测量；同时信号处理和传输模块3通过角度数据计算出侧壁壁厚并发送给上位机。

信号处理和传输模块3计算壁厚的计算方法包括以下步骤：

S1：统计测量点区域内绝对角度编码器8每一次检测的角度数据集|α_i-m,…,α_i…,α_i-m|，并计算方差σ_i和均值μ_i，其中α_i为某一i时刻绝对角度编码器8检测的的角度值，m为设定的时间间隔；

S2：根据公式对均值μ_i和方差σ_i进行滤波处理，滤波后的数据α即为两块旋转块7真实的旋转角度值；

S3：利用余弦定理公式计算出侧壁厚度，其中α₀为绝对编码器的初始角度，r为测量点与两块旋转块7的铰接点的距离值。

本发明提供的薄壁零件侧壁厚度在机自动测量装置及方法，解决了手工厚度测量误差大、测量效率低等缺陷，可对数控加工薄壁零件中筋条和椽条等侧壁结构进行在机自动厚度测量，测量效率高；整个装置以嵌入式形式安装在机床上，并提供独立电源，提高了装置的通用性；避免零件二次装夹，提高加工精度，缩短生产周期；并为零件加工中的过程控制提供了必要的硬件基础。