專利名稱：一種主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種檢測裝置及檢測方法，尤其是一種主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置及檢測方法。
背景技術(shù)：
精密機床中的主軸與刀柄的接觸區(qū)域為圓錐形結(jié)合面。對于該結(jié)合面，接觸壓力的分布狀況會影響接觸剛度，進而會對機床動態(tài)特性產(chǎn)生重要影響，從而直接影響加工精度，所以保證主軸錐孔的制造精度是極其有必要的。目前，在有關(guān)機床制造的標(biāo)準(zhǔn)中，有規(guī)定使用涂色法進行檢驗的技術(shù)要求。例如，“金屬切削機床圓錐表面涂色法檢驗及評定(GB/T23575-2009)”中規(guī)定量規(guī)及被檢圓錐表面應(yīng)擦洗干凈，把涂料涂敷在量規(guī)的外圓錐表面上，在相隔120°的母線方向，涂三條寬度約5mm的涂色線，同時涂料應(yīng)涂敷均勻，其厚度小于2微米。量規(guī)與被檢圓錐表面結(jié)合后，施加適當(dāng)?shù)妮S向力，使合研面緊密接觸，相對轉(zhuǎn)動后脫開。轉(zhuǎn)動角度不大于60°，轉(zhuǎn)動次數(shù)不超過往復(fù)I次。在評定接觸時，要求接觸靠近圓錐表面的大端，從圓錐大端起，在接觸比值的75%以內(nèi)，不應(yīng)有明顯的空白區(qū)。從以上的說明中可以看出，盡管涂色量規(guī)的設(shè)計和檢測都比較簡單，并在機床檢測中得到普遍使用，但是涂色檢測受以下因素影響較大一是所涂油膜厚度，不同厚度的涂料會得到不同的結(jié)果，直接導(dǎo)致檢測結(jié)果的不準(zhǔn)確；二是配合時的受力大小影響內(nèi)外錐面之間的靠近程度，這也會對檢測結(jié)果有所影響；三是僅僅以接觸面積大小進行判斷并不得當(dāng)，因為涂色區(qū)的大小只能表示接觸部分所占的大致比例，并不能完全反映接觸區(qū)域的分布情況；四是對面積大小的判讀需要依靠技術(shù)人員的工程經(jīng)驗，人為影響因素很大，時常會出現(xiàn)制造人員和檢測人員的檢測結(jié)果有較大偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置及檢測方法，該裝置及方法以超聲波作為無損檢測手段，在不影響原有接觸狀況的情況下，根據(jù)超聲波反射率來檢測接觸面的接觸壓力；根據(jù)超聲波反射率和接觸壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，得到接觸面上的壓力分布，使壓力分布的結(jié)果反映名義接觸面積，由此能夠?qū)崿F(xiàn)對主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測。本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有涂色法所存在的檢測精度低的問題，提高檢測的可靠性。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的這種主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置，包括計算機以及與計算機連接的信號處理轉(zhuǎn)換模塊，所述信號處理轉(zhuǎn)換模塊連接有帶超聲相控陣探頭的錐形量規(guī)；所述信號處理轉(zhuǎn)換模塊包括相控陣儀和適配器，所述相控陣儀通過數(shù)據(jù)線與計算機連接，相控陣儀的控制信號輸出端連接適配器，適配器的指令分配端口通過延長線纜連接至錐形量規(guī)上的超聲相控陣探頭。
進一步，上述錐形量規(guī)由一體化楔塊和超聲相控陣探頭以及外殼組成；楔塊由鋼材制成，在主軸錐孔和超聲相控陣探頭之間起耦合作用，楔塊作為與主軸錐孔接觸的部分，修磨成內(nèi)外表面錐度均為7 24的錐形軸套，所述超聲相控陣探頭由若干超聲晶片構(gòu)成，每個超聲晶片都制成相同形狀的扇形，均勻覆蓋在楔塊的內(nèi)表面上，并且要保證超聲晶片發(fā)射超聲波的方向垂直于該表面；外殼將楔塊和超聲相控陣探頭整合成一個整體，外殼的小端通過螺紋孔連接有拉釘。上述楔塊外表面的粗糙度和形狀誤差要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T23575-2009中對于普通量規(guī)外表面的要求。進一步，在所述計算機中安裝有一套檢測軟件，該軟件實現(xiàn)對信號處理轉(zhuǎn)換模塊中設(shè)備參數(shù)的配置，以及通過通信接口采集超聲波信號，同時計算超聲波反射率并最終顯示出檢測結(jié)果。本發(fā)明還提出一種基于上述裝置的主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測方法，包括以下步驟I)標(biāo)定實驗制作兩個圓柱形試件，分別為上試件和下試件，要求上試件的材料、厚度、熱處理和表面粗糙度與楔塊相同，下試件的材料、熱處理以及表面粗糙度與主軸錐孔相同；在上試件的上方固定有單個超聲晶片，需要保證超聲波的發(fā)射方向垂直于上表面并且掃描區(qū)域要在接觸面的接觸范圍內(nèi)；首先在兩個試件沒有接觸時，啟動相控陣儀記錄上試件下表面處的超聲回波信號作為參考信號，再通過千斤頂?shù)募虞d在試件之間施加壓力，同樣通過相控陣儀記錄不同壓強下試件接觸面處的超聲回波信號作為實際接觸信號；參照步驟5)中的數(shù)據(jù)處理方法，用實際接觸信號的幅值除以參考信號的幅值得到超聲波反射率，由此得到了接觸壓力與超聲波反射率之間的關(guān)系，并擬合成曲線；2)清潔工件擦洗干凈錐形量規(guī)的外表面和主軸錐孔的錐面，確保沒有灰塵和油污；3)獲取參考信號將錐形量規(guī)豎直放置，確保沒有物體與錐形量規(guī)的外表面接觸；在計算機上啟動檢測軟件，給相控陣儀發(fā)送測量指令，相控陣儀按照一定的順序和時間延遲逐次觸發(fā)各個超聲晶片；每一塊超聲晶片被單獨地觸發(fā)后向楔塊發(fā)射超聲波脈沖，該脈沖在楔塊的外表面處反射后被同一塊超聲晶片接收，由相控陣儀采集超聲晶片接收的回波信號，將各個超聲晶片的回波信號存儲到計算機中，這些回波信號記作參考信號；4)獲取實際接觸信號將拉釘擰入到錐形量規(guī)的螺紋孔內(nèi)，再把錐形量規(guī)塞入到主軸錐孔內(nèi)，在拉刀機構(gòu)的作用下錐形量規(guī)的外表面與主軸錐孔的錐面緊密接觸；按照與獲取參考信號相同的步驟，觸發(fā)超聲晶片向楔塊與主軸錐孔的接觸面發(fā)射超聲脈沖并記錄回波信號，通過相控陣儀采集超聲晶片的數(shù)據(jù)并存入計算機，并以相同的順序記錄接觸時的信號，這些回波信號記作實際接觸信號；5)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果表示獲取參考信號和實際接觸信號的過程中，在計算機的檢測軟件中利用傅立葉變換來提取所有信號在超聲晶片中心頻率處的幅值；分別將參考信號和實際接觸信號的幅值按照記錄順序存儲到不同矩陣中，再用實際接觸信號幅值的矩陣點除參考信號幅值的矩陣，得到反射率矩陣；依據(jù)標(biāo)定實驗所得到的接觸壓力與反射率之間的關(guān)系，得到接觸壓力矩陣；按照記錄順序?qū)⑿▔K與主軸錐孔的整個接觸面的壓力分布圖繪畫出來，并計算得到接觸部分所占的比例。本發(fā)明具有以下有益效果與現(xiàn)有的涂色法相比，本發(fā)明能夠利用反射率矩陣精確判斷接觸面的接觸情況，獲得準(zhǔn)確的壓力分布；量規(guī)與主軸錐孔之間是通過拉釘和拉刀機構(gòu)實現(xiàn)配合，所以能準(zhǔn)確反映實際加工中刀柄與主軸錐孔的接觸狀況；檢測結(jié)果可以形象直觀地表示在屏幕上，為主軸錐孔的研磨修配提供了指導(dǎo)依據(jù)。


圖1是本發(fā)明裝置的各個部分之間連接關(guān)系的示意圖；圖2是本發(fā)明錐度量規(guī)與主軸錐孔配合時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明錐度量規(guī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明標(biāo)定實驗中的試驗臺裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I是主軸錐孔，2是錐形量規(guī)，3是拉釘，4是拉刀機構(gòu)，5是超聲相控陣探頭，6是模塊，7是外殼，8是超聲晶片，9是試驗臺，10是上試件，11是下試件，12是千斤頂。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述參見圖1，本發(fā)明的主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置，包括計算機以及與計算機連接的信號處理轉(zhuǎn)換模塊，其中信號處理轉(zhuǎn)換模塊連接有帶超聲相控陣探頭5的錐形量規(guī)2 ;信號處理轉(zhuǎn)換模塊包括相控陣儀和適配器，相控陣儀通過數(shù)據(jù)線與計算機連接，相控陣儀的控制信號輸出端連接適配器，適配器的指令分配端口通過延長線纜連接至錐形量規(guī)2上的超聲相控陣探頭5。如圖2和圖3，本發(fā)明的錐形量規(guī)2由一體化楔塊6和超聲相控陣探頭5以及外殼7組成；楔塊6由鋼材制成，在主軸錐孔I和超聲相控陣探頭5之間起耦合作用，楔塊6作為與主軸錐孔I接觸的部分，修磨成內(nèi)外表面錐度均為7 24的錐形軸套，超聲相控陣探頭5由若干超聲晶片8構(gòu)成，每個超聲晶片8都制成相同形狀的扇形，均勻覆蓋在楔塊6的內(nèi)表面上，并且要保證超聲晶片8發(fā)射超聲波的方向垂直于該表面；外殼7將楔塊6和超聲相控陣探頭8整合成一個整體，外殼7的小端通過螺紋孔連接有拉釘3。楔塊6外表面的粗糙度和形狀誤差要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23575-2009中對于普通量規(guī)外表面的要求。本發(fā)明錐形量規(guī)2的制作為將外殼7的錐形凹槽區(qū)域劃分成128塊形狀相同、尺寸接近的扇形區(qū)域。選用5MHz的壓電材料晶片制成超聲相控陣探頭5，每塊晶片的形狀與扇形分割區(qū)域的形狀相同，尺寸也根據(jù)分割區(qū)域的大小來確定，共制作128塊晶片，所有晶片都按照一定的順序固定到外殼7的凹槽內(nèi)，保證晶片均勻平整覆蓋整個凹槽；在晶片的上部安裝特制的金屬材質(zhì)的楔塊6，楔塊6要與超聲相控陣探頭5之間接觸良好；最后將外殼7的兩個部分用螺釘固定在一起，實現(xiàn)將楔塊6和超聲相控陣探頭5整合成一個整體的錐形量規(guī)2。
在本發(fā)明計算機中安裝有一套檢測軟件，該軟件實現(xiàn)對信號處理轉(zhuǎn)換模塊中設(shè)備參數(shù)的配置，以及通過通信接口采集超聲波信號，同時計算超聲波反射率并最終顯示出檢測結(jié)果。該檢測軟件利用LabView (—種圖形化編程語言)編寫測量軟件。在計算機中安裝LabView軟件，并用LabView語言編寫測量軟件。以便實現(xiàn)對相控陣儀的參數(shù)配置，并驅(qū)動相控陣儀對超聲波信號進行采集。除此之外，通過該軟件的存儲和計算插件，實現(xiàn)對超聲波信號的數(shù)據(jù)處理，最后利用繪圖插件繪制接觸面壓力分布圖?；谝陨系闹鬏S錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置，本發(fā)明提出如下主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測方法，具體包括以下步驟I)標(biāo)定實驗制作兩個直徑為50mm的圓柱形試件，分別為上試件10和下試件11，要求上試件10的材料、厚度、熱處理和表面粗糙度與楔塊6相同，下試件11的材料、熱處理以及表面粗糙度與主軸錐孔I相同，并且下試件11有一個高為5mm、直徑為IOmm的小凸臺。將上試件10和下試件11的接觸面用無水酒精擦拭干凈，再將上試件10通過螺釘固定到試驗臺9的上板，保證沒有物體和上試件10的下表面接觸。在上試件10的上方固定有單個超聲晶片8，要求單個超聲晶片8固定到上試件10的上表面的中心區(qū)域，并需要保證超聲波的發(fā)射方向垂直于上表面并且掃描區(qū)域要在接觸面的接觸范圍內(nèi)。首先在兩個試件沒有接觸時，啟動相控陣儀記錄上試件下表面處的超聲回波信號作為參考信號。擺正下試件11的位置，保證凸臺處于中心位置。再通過液壓千斤頂12的作用在上試件10和下試件11的接觸面之間施加壓力。同樣通過相控陣儀記錄不同壓強下試件接觸面處的超聲回波信號作為實際接觸信號；參照步驟5)中的數(shù)據(jù)處理方法，用實際接觸信號的幅值除以參考信號的幅值得到超聲波反射率，由此得到了接觸壓力與超聲波反射率之間的關(guān)系，并擬合成曲線即通過傅立葉變換來提取參考信號和實際接觸信號的幅值，再用實際接觸信號的幅值除以參考信號的幅值得到反射率。改變液壓千斤頂12的作用力得到不同的接觸壓力和反射率數(shù)值，由此確定反射率與接觸壓力之間的標(biāo)定關(guān)系，并將該關(guān)系擬合成曲線。2)清潔工件按照附圖1所示連接各裝置之間的線路，用無水酒精清潔錐形量規(guī)2的外表面和主軸錐孔I的錐面，確保沒有灰塵和油污；3)獲取參考信號將錐形量規(guī)2豎直放置，確保沒有物體與錐形量規(guī)2的外表面接觸；在計算機上于LabView環(huán)境下啟動測量軟件啟動檢測軟件，給相控陣儀發(fā)送測量指令，連接在相控陣儀和超聲相控陣探頭5之間的適配器以及延長線纜負責(zé)將相控陣儀逐次發(fā)出的觸發(fā)信號按順序依次發(fā)送到指定的超聲晶片上。相控陣儀按照一定的順序和時間延遲逐次觸發(fā)各個超聲晶片；每一塊超聲晶片8被單獨地觸發(fā)后向楔塊6發(fā)射超聲波脈沖，該脈沖在楔塊6的外表面處反射后被同一塊超聲晶片8接收，由相控陣儀采集超聲晶片8接收的回波信號，將各個超聲晶片8的回波信號存儲到計算機中，這些回波信號記作參考信號；4)獲取實際接觸信號
將拉釘3擰入到錐形量規(guī)2的螺紋孔內(nèi)，再把錐形量規(guī)2塞入到主軸錐孔I內(nèi)，在拉刀機構(gòu)4的作用下錐形量規(guī)2的外表面與主軸錐孔I的錐面緊密接觸；按照與獲取參考信號相同的步驟，觸發(fā)超聲晶片8向楔塊6與主軸錐孔I的接觸面發(fā)射超聲脈沖并記錄回波信號，通過相控陣儀采集超聲晶片8的數(shù)據(jù)并存入計算機，并以相同的順序記錄接觸時的信號，這些回波信號記作實際接觸信號；5)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果表示獲取參考信號和實際接觸信號的過程中，在計算機的檢測軟件中利用傅立葉變換來提取所有信號在超聲晶片8中心頻率處的幅值(5Mhz處的幅值);分別將參考信號和實際接觸信號的幅值按照記錄順序存儲到不同矩陣中，再用實際接觸信號幅值的矩陣點除參考信號幅值的矩陣，得到反射率矩陣；依據(jù)標(biāo)定實驗所得到的接觸壓力與反射率之間的關(guān)系，得到接觸壓力矩陣；按照記錄順序通過LabView的繪圖插件實時地將楔塊6與主軸錐孔I的接觸區(qū)域的壓力分布圖繪畫出來，并計算得到接觸部分所占的比例。
權(quán)利要求
1.一種主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置，其特征在于，包括計算機以及與計算機連接的信號處理轉(zhuǎn)換模塊，所述信號處理轉(zhuǎn)換模塊連接有帶超聲相控陣探頭(5)的錐形量規(guī)(2)； 所述信號處理轉(zhuǎn)換模塊包括相控陣儀和適配器，所述相控陣儀通過數(shù)據(jù)線與計算機連接， 相控陣儀的控制信號輸出端連接適配器，適配器的指令分配端口通過延長線纜連接至錐形量規(guī)(2)上的超聲相控陣探頭(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置，其特征在于，所述錐形量規(guī)(2)由一體化楔塊(6)和超聲相控陣探頭(5)以及外殼(7)組成；楔塊(6)由鋼材制成,在主軸錐孔(I)和超聲相控陣探頭(5)之間起耦合作用，楔塊(6)作為與主軸錐孔(I)接觸的部分，修磨成內(nèi)外表面錐度均為7 24的錐形軸套，所述超聲相控陣探頭(5)由若干超聲晶片(8)構(gòu)成，每個超聲晶片(8)都制成相同形狀的扇形，均勻覆蓋在楔塊(6)的內(nèi)表面上，并且要保證超聲晶片(8)發(fā)射超聲波的方向垂直于該表面；外殼(7)將楔塊(6)和超聲相控陣探頭(8)整合成一個整體，外殼(7)的小端通過螺紋孔連接有拉釘(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置，其特征在于，所述楔塊(6)外表面的粗糙度和形狀誤差要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23575-2009中對于普通量規(guī)外表面的要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置，其特征在于，在所述計算機中安裝有一套檢測軟件，該軟件實現(xiàn)對信號處理轉(zhuǎn)換模塊中設(shè)備參數(shù)的配置，以及通過通信接口采集超聲波信號，同時計算超聲波反射率并最終顯示出檢測結(jié)果。
5.一種主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)標(biāo)定實驗制作兩個圓柱形試件，分別為上試件(10)和下試件(11)，要求上試件(10)的材料、厚度、熱處理和表面粗糙度與楔塊(6)相同，下試件(11)的材料、熱處理以及表面粗糙度與主軸錐孔(I)相同；在上試件(10)的上方固定有單個超聲晶片(8)，需要保證超聲波的發(fā)射方向垂直于上表面并且掃描區(qū)域要在接觸面的接觸范圍內(nèi)；首先在兩個試件沒有接觸時， 啟動相控陣儀記錄上試件下表面處的超聲回波信號作為參考信號，再通過千斤頂(12)的加載在試件之間施加壓力，同樣通過相控陣儀記錄不同壓強下試件接觸面處的超聲回波信號作為實際接觸信號；參照步驟5)中的數(shù)據(jù)處理方法，用實際接觸信號的幅值除以參考信號的幅值得到超聲波反射率，由此得到了接觸壓力與超聲波反射率之間的關(guān)系，并擬合成曲線.2)清潔工件擦洗干凈錐形量規(guī)(2)的外表面和主軸錐孔(I)的錐面，確保沒有灰塵和油污；3)獲取參考信號將錐形量規(guī)(2)豎直放置，確保沒有物體與錐形量規(guī)(2)的外表面接觸；在計算機上啟動檢測軟件，給相控陣儀發(fā)送測量指令，相控陣儀按逐次觸發(fā)各個超聲晶片；每一塊超聲晶片(8 )被單獨地觸發(fā)后向楔塊(6 )發(fā)射超聲波脈沖，該脈沖在楔塊(6 )的外表面處反射后被同一塊超聲晶片(8)接收，由相控陣儀采集超聲晶片(8)接收的回波信號，將各個超聲晶片 (8)的回波信號存儲到計算機中，這些回波信號記作參考信號；4)獲取實際接觸信號將拉釘(3)擰入到錐形量規(guī)(2)的螺紋孔內(nèi)，再把錐形量規(guī)(2)塞入到主軸錐孔(I)內(nèi)， 在拉刀機構(gòu)(4)的作用下錐形量規(guī)(2)的外表面與主軸錐孔(I)的錐面緊密接觸；按照與獲取參考信號相同的步驟，觸發(fā)超聲晶片(8)向楔塊(6)與主軸錐孔(I)的接觸面發(fā)射超聲脈沖并記錄回波信號，通過相控陣儀采集超聲晶片(8)的數(shù)據(jù)并存入計算機，并以相同的順序記錄接觸時的信號，這些回波信號記作實際接觸信號；5)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果表示 獲取參考信號和實際接觸信號的過程中，在計算機的檢測軟件中利用傅立葉變換來提取所有信號在超聲晶片(8)中心頻率處的幅值；分別將參考信號和實際接觸信號的幅值按照記錄順序存儲到不同矩陣中，再用實際接觸信號幅值的矩陣點除參考信號幅值的矩陣， 得到反射率矩陣；依據(jù)標(biāo)定實驗所得到的接觸壓力與反射率之間的關(guān)系，得到接觸壓力矩陣；按照記錄順序?qū)⑿▔K(6)與主軸錐孔(I)的整個接觸面的壓力分布圖繪畫出來，并計算得到接觸部分所占的比例。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測裝置及檢測方法，該裝置包括計算機以及與計算機連接的信號處理轉(zhuǎn)換模塊，信號處理轉(zhuǎn)換模塊連接有帶超聲相控陣探頭的錐形量規(guī)；信號處理轉(zhuǎn)換模塊包括相控陣儀和適配器，相控陣儀通過數(shù)據(jù)線與計算機連接，相控陣儀的控制信號輸出端連接適配器，適配器的指令分配端口通過延長線纜連接至錐形量規(guī)上的超聲相控陣探頭。該裝置及方法以超聲波作為無損檢測手段，在不影響原有接觸狀況的情況下，根據(jù)超聲波反射率來檢測接觸面的接觸壓力；根據(jù)超聲波反射率和接觸壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，得到接觸面上的壓力分布，使壓力分布的結(jié)果反映名義接觸面積，由此能夠?qū)崿F(xiàn)對主軸錐孔精度的準(zhǔn)確檢測。
文檔編號G01L1/25GK103017695SQ20121054897
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者洪軍, 張進華, 許穎, 杜飛, 羅增 申請人:西安交通大學(xué)