一种自适应测量小角度斜面厚度的超声波测厚装置的制作方法

1.本实用新型属于超声波测厚的技术领域，具体涉及一种自适应测量小角度斜面厚度的超声波测厚装置。


背景技术：

2.在航空大型结构件数控加工过程中，由于受到机床精度、加工基准准确度、刀具磨损、切削振动、让刀等因素的影响、零件结构切削时会出现过切或者欠切等导致实际结构厚度与理论厚度不符合的情况，同时，由于航空大型结构件材料内部的应力和加工过程带来的应力，会导致零件变形，出现上翘、翻卷、鼓包等情况，当实际厚度超过理论厚度公差便会产生零件质量事故。为了避免质量事故的发生，通常在加工过程中对尺寸进行检测，进一步的基于厚度测量数据进行补偿，从而保证切削厚度合格；目前手持式测厚仪进行检测是最常用的手段，但是手持式检测测厚位置不准确、测量时工人劳动量大且效率低，造成资源浪费。
3.专利文献cn204329917u中公开了一种超声波测厚探头，该装置包括筒体、探头喷嘴、换能器、压杆、活塞、压键和弹性件，但是该装置需要手动按压压键的形式进行接触，不适用于数控加工过程在线测量厚度。
4.专利文献cn203501992u中公开了一种在线超声波厚度测量装置，该装置包括超声波厚度检测探头、超声波厚度测量控制器两部分，超声波厚度检测探头具有安装杆结构，可以将测量装置安装在数控机床主轴上，通过超声波探头端面接触到工件后位置传感器触发，采集厚度数据，但是该专利不具备测量斜面厚度的功能。
5.专利文献cn211651545u中公开了一种在线监测超声波测厚装置，该装置包括中空的安装体，其内部滑动安装有中空的探头外壳，远端安装有环状的储液组件和环状喷嘴，储液组件内部同轴安装有连接杆，连接杆的一端延伸至环状喷嘴，并设置万向超声波探头。该专利可以实现在机超声波测厚，并支持测量面的多角度测量，但连杆一端连接橡胶圈，橡胶圈另一面连接万向头的测头，技术方案复杂，实现难度大。且对储液方式、喷液方式、超声波测厚刀具结构进行限制，难以推广使用。
6.因此，本实用新型提供一种自适应测量小角度斜面厚度的超声波测厚装置，以优化现有的超声波测厚探头应用到在机检测模式时存在的无法自适应测量小角度斜面厚度的功能缺陷，提高测量的准确性和效率，从而提升零件的加工质量，降低生产成本。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种自适应测量小角度斜面厚度的超声波测厚装置，旨在解决上述问题。
8.本实用新型主要通过以下技术方案实现：
9.一种自适应测量小角度斜面厚度的超声波测厚装置，包括圆柱形螺旋弹簧、限位固定套、快换装置，所述圆柱形螺旋弹簧套设安装在限位固定套内，所述圆柱形螺旋弹簧的
两端分别延伸出限位固定套并分别通过快换装置与超声波测厚探头、超声波测厚的电路系统连接；所述快换装置包括中空的金属管套、塑料管套，所述金属管套靠近限位固定套的一端的内部嵌入设有塑料管套，且金属管套与塑料管套之间设置有圆柱形螺旋弹簧，所述金属管套的外侧壁对应限位固定套设置有限位环。
10.在测试过程中，按压靠近待测平面的快换装置，另一端的快换装置的限位环不与限位固定套接触，使圆柱形螺旋弹簧压缩变形，使圆柱形螺旋弹簧在限位固定套内自适应的发生小于10
°
弯曲形变，以实现超声波测厚测头与待测斜面保持平行，实现对斜面的测量。所述限位固定套的一端设置测厚电路系统，并置于刀柄与主轴相连，使测厚装置能够与机床主轴同步移动进行测厚，取代了人工手持测厚装置进行测厚，大大提升了在线测量效率，从而降低了加工成本。所述电路系统为现有技术且不是本实用新型的主要改进点，故不再赘述。
11.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述金属管套的内部对应圆柱形螺旋弹簧的端部设置有限位槽。
12.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述金属管套的另一端设置有外螺纹。
13.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述圆柱形螺旋弹簧在限位固定套内的可侧弯的安全角度为α，tanα等于圆柱形螺旋弹簧的轴线偏移距离/圆柱形螺旋弹簧的形变行程；所述安全角度α小于等于10
°
。
14.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述圆柱形螺旋弹簧受轴向的切应力范围应在247.908789mpa～371.86331mpa。
15.例如：限位固定套外直径为0.02m，内中直径为0.0165m，限位固定套内安装圆柱形螺旋弹簧，弹簧中径为0.0085m，为弹簧在测量小角度斜面，提供了0.004m的轴向力偏移距离，弹簧两端安装的快换装置发生形变的距离为0.018m，tanα＝0.004/0.018，计算得到在限位固定套内弹簧可侧弯的安全角度α≈12
°
。为了避免角度过大时主轴下压力可能导致的超声侧头侧翻，无法和待测平面平行贴近的问题，推荐测量小于10
°
的斜面。
16.圆柱形螺旋弹簧的基本计算公式如下：
17.弹簧刚度：
[0018][0019]
其中，k为弹簧刚度，单位为n/m；g为弹簧材料切变模量；d为弹簧线径，单位为 m；d2为弹簧中径，单位为m；n为弹簧有效圈数；df为载荷增量，dλ为弹簧压缩量。
[0020]
此处弹簧线径d＝0.001m，弹簧中径d2＝0.0085m，弹簧有效圈数n＝10，钢的弹簧材料切变模量钢：g＝8
×
104mpa，弹簧刚度k≈1628.33299n/m。经过试验，弹簧压缩量dλ＝0.006m，所以载荷df≈9.76999n/m。
[0021]
当螺旋弹簧受轴向方向的载荷f时，其扭矩t1，弯矩mb，为：
[0022]
[0023][0024]
其中，α为螺旋角，α＝10
°
；弹簧的弯矩mb为0.00721n.m。载荷与形变的简化计算公式为：
[0025][0026]
当螺旋角α《10
°
时，取cosα≈1，sinα≈0；并根据载荷与应力计算公式可以得到其应力计算公式：
[0027][0028]
将圆形弹簧的极惯性矩抗扭截面系数带入公式(5)后，得到弹簧只受轴向载荷f时的切应力τ的计算公式：
[0029][0030]
其中，弹簧指数
[0031]
弹簧曲度系数
[0032]
弹簧只受轴向载荷f时的切应力τ＝247.908789mpa。
[0033]
弹簧的行程极限受快换装置和限位固定套限制，本案例最大行程为0.009m，已知弹簧刚度k≈1628.33299n/m n/m的条件下，此处的最大载荷f＝14.65499n/m。弹簧只受轴向载荷f时的切应力τ＝371.86331mpa。
[0034]
所以，弹簧受轴向的切应力范围应在247.908789mpa～371.86331mpa。
[0035]
本实用新型的有益效果：
[0036]
(1)本实用新型在圆柱形螺旋弹簧外安装限位固定套，通过按压靠近待测平面的快换装置，此时超声波测厚测头的底面与待测面紧密接触，且另一端的快换装置的限位环不与限位固定套接触，使圆柱形螺旋弹簧压缩变形，实现对平面的测量；本实用新型可以实现对与测头平行的平面或小角度斜面的厚度测量，可以实现超声波探头的实时触发和准确测量，有助于更准确、更高效的在线测量，具有较好的实用性；
[0037]
(2)本实用新型可以实现圆柱形螺旋弹簧在限位固定套内自适应的发生小于10
°
弯曲形变，实现超声波测厚测头与待测斜面保持平行，实现对斜面的测量，具有较好的实用性。
附图说明
[0038]
图1为本实用新型的整体结构示意图；
[0039]
图2为快换装置的结构示意图；
[0040]
图3为限位固定套的俯视图。
[0041]
其中，1-快换装置；1.1-塑料管套；1.2-金属管套；1.3-限位环；1.4-外螺纹；1.5-限位槽；2-限位固定套；3-圆柱形螺旋弹簧；4-超声波测厚探头；
具体实施方式
[0042]
实施例1：
[0043]
一种自适应测量小角度斜面厚度的超声波测厚装置，如图1、图3所示，包括圆柱形螺旋弹簧3、限位固定套2、快换装置1，所述圆柱形螺旋弹簧3套设安装在限位固定套2内，所述圆柱形螺旋弹簧3的两端分别延伸出限位固定套2并分别通过快换装置1与超声波测厚探头4、超声波测厚的电路系统连接；所述快换装置1包括中空的金属管套1.2、塑料管套1.1，所述金属管套1.2靠近限位固定套2的一端的内部嵌入设有塑料管套1.1，且金属管套1.2与塑料管套1.1之间设置有圆柱形螺旋弹簧3，所述金属管套1.2的外侧壁对应限位固定套2设置有限位环1.3。
[0044]
进一步地，所述圆柱形螺旋弹簧3在限位固定套2内的可侧弯的安全角度为α，tanα等于圆柱形螺旋弹簧3的轴线偏移距离/圆柱形螺旋弹簧3的形变行程；所述安全角度α小于等于10
°
。
[0045]
进一步地，所述圆柱形螺旋弹簧3受轴向的切应力范围应在247.908789mpa～371.86331 mpa。
[0046]
在测试过程中，按压靠近待测平面的快换装置1，另一端的快换装置1的限位环1.3不与限位固定套2接触，使圆柱形螺旋弹簧3压缩变形，使圆柱形螺旋弹簧3在限位固定套2 内自适应的发生小于10
°
弯曲形变，以实现超声波测厚测头与待测斜面保持平行，实现对斜面的测量，具有较好的实用性。
[0047]
实施例2：
[0048]
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图2所示，所述金属管套1.2的内部对应圆柱形螺旋弹簧3的端部设置有限位槽1.5。
[0049]
进一步地，所述金属管套1.2的另一端设置有外螺纹1.4。
[0050]
本实用新型在圆柱形螺旋弹簧3外安装限位固定套2，通过按压靠近待测平面的快换装置1，此时超声波测厚测头的底面与待测面紧密接触，且另一端的快换装置1的限位环1.3 不与限位固定套2接触，使圆柱形螺旋弹簧3压缩变形，实现对平面的测量；本实用新型可以实现对与测头平行的平面或小角度斜面的厚度测量，可以实现超声波探头的实时触发和准确测量，有助于更准确、更高效的在线测量，具有较好的实用性。
[0051]
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
[0052]
实施例3：
[0053]
一种自适应测量小角度斜面厚度的超声波测厚装置，如图1-图3所示，包括圆柱形螺旋弹簧3、限位固定套2、快换装置1。所述限位固定套2管内部安装有圆柱形螺旋弹簧3，所述的圆柱形螺旋弹簧3的两端分别连接快换装置1，其中一端的快换装置1连接超声波测厚探头4，另一端的快换装置1连接超声波测厚的电路系统。
[0054]
在圆柱形螺旋弹簧3两端安装快换装置1，在与待测面靠近的快换装置1安装超声
测厚探头，同时在圆柱形螺旋弹簧3外安装限位固定套2，通过朝向待测平面按压靠近待测平面的快换装置1，使圆柱形螺旋弹簧3压缩变形，使超声波测厚测头的底面与待测面紧密接触，借助耦合剂排出空气，实现对平面的测量。
[0055]
通过快换装置1内的限位槽1.5卡圆柱形螺旋弹簧3，圆柱形螺旋弹簧3外安装限位固定套2。在重力作用下，限位固定套2会被靠近待测平面的快换装置1上的限位环1.3阻挡，且圆柱形螺旋弹簧3另一端的快换装置1的塑料限位套在限位固定套2之内、限位环1.3不接触限位固定套2，以实现圆柱形螺旋弹簧3可以在测量小角度斜面时，在限位固定套2内自适应的发生小于9
°
弯曲形变，以实现超声波测厚测头与待测斜面保持平行，借助耦合剂排出空气，实现对斜面的测量。
[0056]
进一步地，限位固定套2内安装圆柱形螺旋弹簧3，弹簧在测量小角度斜面时提供了轴向力偏移限位作用，tanα＝轴向力偏移距离/弹簧形变行程，计算得到在限位固定套2内，弹簧可侧弯的安全角度α。为了避免角度过大时主轴下压力可能导致的超声侧头侧翻，无法和待测平面平行贴近的问题，推荐测量小于10
°
的斜面。但不限于用此方法实现更大角度的斜面测量。
[0057]
进一步地，限位固定套2外直径为0.02m，内中直径为0.0165m，限位固定套2内安装圆柱形螺旋弹簧3，弹簧中径为0.0085m，为弹簧在测量小角度斜面是，提供了0.004m的轴向力偏移距离，弹簧两端安装的快换装置1内发生形变的距离为0.018m， tanα＝0.004/0.018，计算得到在限位固定套2内弹簧可侧弯的安全角度α≈12
°
。为了避免角度过大时主轴下压力可能导致的超声侧头侧翻，无法和待测平面平行贴近的问题，推荐测量小于10
°
的斜面。
[0058]
本实用新型在圆柱形螺旋弹簧3外安装限位固定套2，通过按压靠近待测平面的快换装置1，此时超声波测厚测头的底面与待测面紧密接触，且另一端的快换装置1的限位环1.3 不与限位固定套2接触，使圆柱形螺旋弹簧3压缩变形，实现对平面的测量；本实用新型可以实现对与测头平行的平面或小角度斜面的厚度测量，可以实现超声波探头的实时触发和准确测量，有助于更准确、更高效的在线测量，具有较好的实用性。
[0059]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。