舱段件壁厚电磁超声自动测量系统研究

李 波，刘小延，向 华

（1.湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053；2.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074；3.襄阳华中科技大学先进制造工程研究院 技术中心，湖北 襄阳 441053）

1 引言

舱段件多为铝制铸造件，其经过加工后，可为内部仪器设备的安装提供支撑，其在空间利用率、结构动静强度以及轻量化等上有着较高要求，壁厚控制严格，波动范围多在0.5mm内。舱段件制造过程涉及诸多环节，其经过铸造后，需要反复进行粗加工、壁厚测量、精加工等，存在加工效率低、不合格率较高等问题，严重影响了生产节拍的提升和成本控制。目前，舱段件的加工实现了数控化，但是其厚度测量采用人工实现，通过手持超声波测厚装置，配合声耦合剂，进行工件厚度测量，有着耗时长、效率低、精度不高等问题。壁厚测量已成为舱段件类部件的制造瓶颈，亟待提升。

文献[1]针对大型环件在线测量，分析了环件外径、高度及内径的测量方法研究现状，进行了相关检测技术的对比分析；文献[2]介绍了国外发达国家的超声波管材测厚仪，其人工手动沿被测管材表面间断性取点进行壁厚检测；文献[3]针对壁厚与外径比大于0.23的厚壁无缝钢管，指出了一种基于超声波的检测方法；文献[4]提出了一种连续油管壁厚与椭圆度超声波检测系统的设计方法，较好解决了壁厚及椭圆度的测量；文献[5]针对无缝钢管在线高精度测厚，提出了基于广义倒频谱测厚方法，综合运用了相关分析和倒频谱，提高了测量精度和实时性；文献[6]提出了一种轮式测厚探头与超声波激励结合的测量方法，可用于天然气管道壁厚的测量；文献[7]开展了超声测厚系统的静态和动态测量精度试验研究，分析了误差产生的主要原因，提出了改进措施；文献[8]针对经热挤压和内孔磨削后的锆合金管坯，研究了溢流式壁厚在线超声检测方法，实现了管坯截面壁厚值的在线计算；文献[9]研发了，完成了一种无缝钢管超声自动检测系统，实现了超声回波信号信噪比的提高，以及超声检测时域分辨率的改善等；文献[10]研究了基于激光位移传感器进行天线罩修磨量在线测量的方法，实现了修磨量的快速测量；文献[11]采用全没水浸法耦合方式，研究了基于超声波原理的自动检测装置，其具有良好的可靠性与实用性。

针对舱段件壁厚测量，以电磁超声方法为中心，开展测量机械本体设计、测头运动路径规划、壁厚数据采集整理等的研究，建立方法验证测试装置，开展测量数据对比分析，提高测量装置的可靠性、适用性等。

2 测量系统整体结构设计

根据舱段件设计制造要求，铸造毛坯件在数控加工后，整个工件壁厚控制在（±0.5）mm内变化。同时，壁厚测量系统应实现以下功能：

（1）可满足多种规格型号的舱段件壁厚测量；

（2）测量自动化程度高，减少人工干预；

（3）测量系统具有数据交互接口。

2.1 测量系统总体方案

壁厚测量系统主要由机械支撑、伺服控制、壁厚数据采集、壁厚测量分析等部分组成，系统架构，如图1所示。

图1 舱段结构件壁厚测量系统架构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Wall Thickness Measurement System for Cabin Structural Parts

机械支撑部件实现工件夹持及伺服旋转、超声探头轴向运动等的硬件部分；伺服控制实现工件夹持及伺服旋转、超声探头轴向运动等的软件部分；壁厚数据采集部件实现壁厚电气信息的采集、放大、传送等功能；壁厚测量分析部件实现壁厚数据与运动位置信息的耦合等功能。

2.2 伺服控制部件

测厚系统需要控制旋转、X轴以及Z轴等多轴方向的运动，同时运动精度要求较高，选择华中8型数控系统作为伺服控制核心部件，运动控制器功能，如图2所示。上位机中的壁厚测量系统与华中8型数控系统进行通讯，可进行舱段结构件的长度、检测截面间距、截面检测点数、伺服旋转主轴转速等基本参数的动态传送；数控系统根据设定参数实现对舱段件壁厚测量过程的运动控制，并将达到指定测量点的开关量状态反馈回上位机控制系统，以实现测量数据与位置信息的耦合。

图2 运动控制器功能示意图Fig.2 Functional Schematic Diagram of Motion Controller

2.3 超声波壁厚测量装置

传统超声波测量装置为接触式测量，在工作过程中需要声耦合剂，同时对于测量表面、温度有着一定的要求。为提高测量的适应性，选择上海伊丰ETG-100电磁超声检测仪作为壁厚测量装置，测量仪实物，如图3所示。

图3 ETG-100电磁超声检测仪实物图Fig.3 ETG-100 Electromagnetic Ultrasound Detector

主要技术参数，如表1所示。

表1 壁厚测量仪技术参数表Tab.1 Measuring Instrument Technical Parameter Table

超声波一个来回传播距离等于试件厚度的两倍，超声波的传播距离等于速度乘以时间，测量波形，如图4所示。

图4 测量波形图Fig.4 Measurement Waveform

在现场舱段结构件壁厚测量中，超声波受到各种外界环境影响，始波波形存在一定失真，导致始波出现位置和实际情况有偏差，因此选取两次回波波峰时间差Δt作为测量时间，并根据超声波在试件中传播速率v，计算出舱段结构件的壁厚值h。

3 测量系统软硬件设计

上位机壁厚测量系统将各轴运动位置信息发送到华中8型数控系统，数控系统控制探头和进给轴的运动；数据采集卡监测数控系统IO口对应轴运动状态信息，并通过socket方式将状态信息发送到上位机系统；当探头和试件运动到位后，上位机壁厚采集系统通过串口发送测量控制指令信号到ETG-100电磁超声检测仪；检测仪发送超声波信号并将壁厚测量值通过串口反馈回上位机测量系统；上位机测量系统进行采集点壁厚计算，耦合相关轴实时点位置信息，为舱段结构件壁厚的整体分析及处理提供基础数据。壁厚数据流程，如图5所示。

图5 壁厚测量数据流程Fig.5 Data Flow of Wall Thickness Measurement

3.1 机械支撑设计

机械设计部分主要包括工装夹具、直线驱动及伺服旋转工作台等三部分，整体架构，如图6所示。

图6 机械支撑整体架构图Fig.6 Overall Framework Drawing of Mechanical Support

为满足多种规格型号的舱段件壁厚测量，设计了可动态调整尺寸的工装夹具，其通过调整滑台在V型支架上的距离，可以实现对不同直径的舱段件装夹，夹具架构，如图7所示。

图7 夹具结构示意图Fig.7 Fixture Structure Sketch

在进行舱段结构件壁厚测量前，上位机向数控系统传送行走轨迹G代码程序，数控系统驱动伺服电机对V型支架、数控滑台及三爪撑紧装置到指定位置，完成对舱段结构件的装夹。三爪撑紧装置旋转中心设置为工件坐标系原点，电磁超声波探头移动到舱段结构件第一截面正上方固定位置，此点作为第一个检测点，同时也是后续壁厚差加工定位基准，参考点选取，如图8所示。

图8 舱段结构件参考点选取Fig.8 Selection of Reference Points for Section Structures

3.2 测量路径规划

舱段结构件测量路径与被测量试件形状结构、大小、测量要求等参数有关，同时也关系到壁厚值数据采集、存储，以及后期模型重构与比对。为便于设定模型的对比，采用“探头间歇移动，试件定角度转动”。

根据不同试件的形状及测量要求，试件划分为N个检测截面，并在每个截面划分M个检测点。在进行试件壁厚测量时，探头移动至第一测量截面上，从参考点开始测量，然后试件根据事先确定角度转动至下一个位置，完成测量，探头一直留在此截面直至所有测量点完成。探头移至下一个截面，依次对各个截面进行测量，直至完成对所有位置的测量，路径规划，如图9所示。

图9 探头间歇移动，试件定角度转动Fig.9 Probe Moving Intermittently and Specimen Rotating at Fixed Angle

壁厚测量流程，如图10所示。

图10 壁厚测量流程Fig.10 Wall Thickness Measurement Flow

按照上述方式获取各个测量点壁厚后，其测量点壁厚值是同X轴坐标值和转动角度绑定的，需要将其转化到工件坐标系中。设定图7中参考点所在平面圆的中心为零点，X轴坐标值可保持不变，转动角度需要投影到Y轴及轴上。坐标转换示意，如图11所示。

图11 坐标转换Fig.11 Coordinate Transformation

式中：X′—探头在X轴方向移动距离；θ—试件转动角度；X、Y、R—工件坐标系坐标。

3.3 壁厚测量系统

基于labview2015开发环境，开发了舱段件壁厚测量系统，集合了串口/以外网设置、机床及采集卡连接、壁厚测量、常用指令等功能模块。串口/以外网设置功能模块完成壁厚测量仪、机床等的参数设置；机床及采集卡连接功能模块完成与数控运动平台、采集卡的连接、断开等；壁厚测量功能模块完成壁厚测量参数设定及过程管控；常用指令功能模块完成壁厚测量各指令的单步测试。

通过上述壁厚测量系统，获得舱段件各测量点的壁厚数据，并结合舱段结构件切削工艺，自动生成数据G代码加工程序，完成对舱段结构件偏差区域切削加工，保证舱段结构件的壁厚均匀性。

串口/以太网端口设置，如图12所示。

图12 串口/以太网端口设置Fig.12 Serial/Ethernet Port Settings

壁厚测量采集部分程序，如图13所示。

图13 采集部分程序框图Fig.13 Procedure Block Diagram of Acquisition Part

4 测量系统应用验证

4.1 测试验证平台

为验证壁厚测系统的可靠性，进行了一台华中8型数控机床的通信程序改造，并采用一内孔径值为锥形的管道件为验证对象。前述ETG-100电磁超声测厚仪通过刀柄装夹在加工中心主轴上，管道件装夹在机床第四轴上，实验平台，如图14所示。

图14 实验测试平台Fig.14 Experimental Test Platform

壁厚测量模块，如图15所示。

图15 壁厚测量模块Fig.15 Wall Thickness Measurement Module

4.2 测量数据分析

为验证壁厚测量系统精度，上图中试件选取10个截面，每截面选取6个检测点，总共60个点进行壁厚测量，测量及实际值，如表2所示。

表2 壁厚测量数据Tab.2 Wall Thickness Measurement Data Table

误差折线，如图16所示。

图16 误差折线图Fig.16 Error Polygraph

由上图可见，壁厚测量值与实际值误差在（±0.2）mm范围以内。误差发生原因主要是由于工件非平面特性、超声波垂直进入等造成的。根据舱段件加工工艺要求，测量精度高于规定值。

5 结束语

现有舱段体壁厚测量，采用人工方式进行，难于满足现代制造业发展的需求。针对舱段体类部件的壁厚测量，进行了舱段件壁厚电磁超声自动测量总体方案设计，开展了测量机械本体设计、测头运动路径规划、壁厚数据采集整理等内容的研究，并搭建了壁厚测量验证平台，研制了舱段件壁厚测量软件系统。经过实验测定，壁厚测量系统误差控制在（±0.2）mm范围内，满足了舱段结构件壁厚（±0.5）mm的控制要求，同时可通过系统参数设计，实现测量过程的自主控制。