专利名称：检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种回转体工件结合面(圆柱结合面、圆锥结合面等)接触参数(实际接触面积、接触压力分布、接触刚度)的超声波检测方法，特别涉及一种回转体结合面的超声反射率提取方法与系统。
背景技术：
回转结合面的接触参数(接触面积、接触压力分布、接触刚度等)严重影响了其机械性能，比如精密机床中刀柄-主轴结合部为圆锥形结合面，该结合面的接触部位、接触面积大小、接触刚度会对机床动态特性产生重要影响，进而直接影响加工精度。再比如精密主轴存在大量的轴承与轴/轴套的结合面，这些结合面的接触压力分布、接触刚度同样会直接影响主轴的动态特性、精度保持性，进而影响机床的加工精度与精度保持时间。超声波法是检测回转体结合面接触特性的唯一有效手段。该方法首先需要准确快速的提取结合面上超声波反射率，进而根据反射率与接触刚度、接触压力的关系得到结合面上的接触刚度与接触压力分布。
目前，现有的超声波反射率提取方法不能适用于圆锥结合面，导致不能通过超声波法检测圆锥结合面的接触性能。而现有方法在提取圆柱结合面反射率时，仅通过手动调整工件位置，难以精确调整探头与被测工件的相互位置关系；缺乏工件旋转装置，因此仅能测量圆柱一条母线上结合面的接触特性，不能检测整个结合面的接触特性，因此提取圆柱结合面反射率的效率低、结果不全面。发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法。
本发明的技术方案是这样实现的
1、一种面向回转体结合面的超声波反射率提取系统。该系统主要包括工件装卡装置，超声波探头及其角度调整装置，移动平台，控制模块，信号采集模块，数据处理模块以及显示模块。超声波探头及其角度调整装置夹持有探头，同时与移动平台的ζ轴平移装置相连并作竖直方向的运动；工件装卡装置竖直连接工件，同时与移动平台的X轴平移装置和y轴平移装置相连；移动平台与控制模块相连，在控制模块的控制下实现各轴的移动；信号采集模块与超声波探头连接，采集扫描过程中的超声波信号；数据处理模块与信号采集模块连接，处理采集到的数据；显示模块与数据处理模块连接，将处理后的数据显示在屏幕上。
2、一种回转体结合面超声波反射率提取方法。具体步骤如下
1)确定超声波扫描结合面间距，扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d，圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径
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与现有技术相比，本发明的突出特点是超声波的发射方向可以实现精细的调整， 提高了测量精度；工件可以在控制模块的控制下实现自动旋转，提高了扫描范围和效率； 通过调整移动平台和探头的同步运动，可以对圆柱或者圆锥结合面超声波反射率的准确、 快速提取。


图1是本发明各个模块之间连接关系的示意图2是本发明工件装卡装置与移动平台以及超声波探头及其角度调整装置与移
2)对轴套进行密封处理并竖直放置在装卡装置的聚四氟乙烯管上，注入蒸馏水作为耦合剂，逐次调整移动平台的X轴平移装置以及探头夹持装置的两个旋转装置，使所获取的内表面处反射波信号幅值都为最大值，此时超声波垂直入射于并聚焦在内表面上；
3)驱动超声波探头扫描轴套内表面一条母线，得到参考信号矩阵Htl，测量完成后将耦合剂放掉，针对不同形状的轴套，分为以下三种情况
(1)当轴套的内外表面均为圆柱面时，通过ζ轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向运动；
(2)当轴套的内外表面均为圆锥面且锥度相同时，通过ζ轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向以速度V1运动，同时通过χ轴移动装置驱动轴套以速度V2移动，且满足^ 锥度 1 _ _ ·v2_ 2 ’
(3)当轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面时，通过ζ轴移动装置驱动超声波探头沿着竖直方向以速度V1运动，同时通过χ轴移动装置驱动轴套以速度V2移动，同时需满足县=.Ζ" ^c0s/2 a，其中9工和θ 2分别为超声波从蒸馏水进入轴套时的入 V2 sin U1 cos U1 + sin U2 cos U2sin θ, C9維庶射角和折射角，且满足= #以及tai^2 = ^，式中C1和C2分别是超声波在蒸馏水和sin U2 C12轴套中的传递速度；
4)拆除轴套，清洗轴套和轴，并进行安装，将装配体的下端插入聚四氟乙烯管中， 利用顶尖将工件上端固定；
5)调整装配体结合面与超声波探头相互位置，具体的调整方法与步骤2相同，此时聚焦超声波垂直入射于并聚焦在工件结合面上。
6)注入蒸馏水作为超声波探头与被测工件间的耦合剂，驱动超声波探头对整个回转体结合面进行扫描，扫描各条母线的方法与步骤3相同，而旋转工件时，根据公式(1)确定旋转轴的旋转间隔％，同时探头移动的间距与测量参考信号时相同，最后保存结合面处超声回波信号，得到矩阵氏。
7)利用下面公式计算结合面反射率幅值2(1)动平台之间连接关系的示意图3是本发明工件装卡装置固定工件时的示意图4是本发明超声波探头及其角度调整装置的示意图5是本发明测量内外表面均为圆柱面的轴套时超声波聚焦的示意图6是本发明测量内外表面均为圆锥面且锥度相同的轴套时超声波聚焦的示意图7是本发明测量内表面为圆锥面且外表面为圆柱面的轴套时超声波聚焦的示意图8是本发明测量轴套的内外表面均为圆柱面的装配体结合面时探头和工件的相对运动示意图9是本发明测量轴套的内外表面均为圆锥面且锥度相同的装配体结合面时探头和工件的相对运动示意图10是发明测量轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面的装配体结合面时探头和工件的相对运动示意图中，1是工件装卡模块，2是超声波探头及其角度调整模块，3是移动平台的χ轴平移装置，4是移动平台的y轴平移装置，5是移动平台的ζ轴平移装置，6是旋转电机，7是电机固定架，8是支架，9是顶尖，10是所扫描的工件，11是聚四氟乙烯管，12是旋转装置，13 是连接杆，14是超声波探头，15是旋转装置，16是轴套内外表面都为圆柱面的工件，17是轴套内外表面为相同锥度的圆锥面的工件，18是轴套的内表面为圆锥面且外表面为圆柱面的工件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的检测方法作进一步详细说明。
实施例1，轴套内外表面都为圆柱面的工件结合面超声波反射率的提取
1.确定扫描间距。扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d。圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂(蒸馏水)中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径
权利要求
1.一种检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统，该系统主要包括装卡装置 (1)，超声波探头及其角度调整装置( ，移动平台，控制模块，信号采集模块，数据处理模块以及显示模块，其特征在于超声波探头及其角度调整装置( 夹持有探头，同时与移动平台的Z轴平移装置( 相连并作竖直方向的运动；装卡装置(1)竖直连接工件，同时与移动平台的χ轴平移装置C3)和y轴平移装置(4)相连；移动平台与控制模块相连，在控制模块的控制下实现各轴的移动；信号采集模块与超声波探头连接，采集扫描过程中的超声波信号；数据处理模块与信号采集模块连接，处理采集到的数据；显示模块与数据处理模块连接，将处理后的数据显示在屏幕上。
2.一种回转体结合面超声波反射率提取方法，其特征在于，具体步骤如下1)确定超声波扫描结合面间距，扫描间距须小于超声波焦点圆斑直径d，圆斑直径根据下式计算，式中，F为已知的超声波在耦合剂中的焦距，c为轴套材料中的声速，f为超声波频率，D为探头压电片直径
全文摘要
本发明公开了检测回转结合面接触特性的超声反射率提取系统与方法，该系统主要包括工件装卡装置，超声波探头及其角度调整装置，移动平台，控制模块，信号采集模块，数据处理模块以及显示模块。超声波的发射方向可以实现精细的调整，提高了测量精度；工件可以在控制模块的控制下实现自动旋转，提高了扫描范围和效率；通过调整移动平台和探头的同步运动，可以对圆柱或者圆锥结合面超声波反射率的准确、快速提取。
文档编号G01M13/00GK102519717SQ20111040579
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者刘万普, 张进华, 杜飞, 杨国庆, 洪军, 许颖, 赵芮可 申请人:西安交通大学