[发明专利]超声非接触扫描测厚中耦合间隙自适应调整方法

摘要

本发明超声非接触扫描测厚中耦合间隙自适应调整方法属于超声检测技术领域，涉及一种超声非接触扫描测厚中耦合间隙自适应调整方法。该方法中，沿测量方向在超声传感器两侧各安装一个涡流传感器，并通过坐标转换将各个传感器的测量坐标系统一到基准坐标系，由涡流传感器预先到达待测点获取的探路测量数据为后续耦合状态判别、调整量计算以及调整路径生成提供了数据基础。根据耦合间隙阈值范围、各个传感器之间及其与工件之间的几何关系建立了耦合间隙状态判别模型，实现对测厚过程中的耦合间隙状态实时、有效判别。该方法保证了超声非接触扫描测厚中超声测厚装置与工件表面的最佳耦合效果，进而保证了测厚结果的精度和稳定性。

主权项

1.一种超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整方法，其特征是：该方法首先沿测量方向在非接触式超声测厚装置的超声传感器两侧各安装一个涡流传感器用于探路测量，并将测量装置整体安装于机床主轴；接下来，通过坐标转换将各个传感器的测量值统一转换到基准坐标系下便于后续数据处理；然后，根据耦合间隙阈值范围、各个传感器之间及其与工件之间的几何关系建立耦合间隙状态判别模型；最后，在固定Y轴坐标，沿+X轴方向扫描测量过程中实时判别涡流传感器当前测点是否为“调整点”，若判定当前测点为调整点P_i，则自调整点P_i沿‑X轴方向撷取m‑1个测点构成测点集P_i＝{p_ij,p_i,j∈[1,m‑1]}，基于其对应的坐标集P_i′＝{(x_ij,y,z_ij),(x_i,y,z_i),j∈[1,m‑1]}及测距集计算调整点P_i处的调整值ΔZ_i，并生成指导超声传感器根据变形后的工件的局部几何面型自适应地运动至调整点P_i的平滑调整路径，实现耦合间隙在适当阈值范围内稳定地自适应调整；超声非接触扫描测厚耦合间隙自适应调整方法的具体步骤如下：第一步，组装超声非接触扫描测厚装置组装非接触式超声测厚装置(1)，将超声传感器(1.3)安装于下法兰(1.2)中心，超声传感器(1.3)轴线与下法兰(1.2)轴线重合；喷液器(1.4)套装于超声传感器(1.3)，喷液器(1.4)轴线与超声传感器(1.3)轴线重合并与下法兰(1.2)通过螺纹连接；第一涡流传感器(1.5)和第二涡流传感器(1.6)分别安装于下法兰(1.2)，第一涡流传感器(1.5)的轴线和第二涡流传感器(1.6)的轴线沿测量方向等距离分布于超声传感器(1.3)的轴线两侧，且三者在XOZ面相互共面平行；下法兰(1.2)与上法兰(1.1)通过螺杆(1.7)连接，下法兰(1.2)轴线上法兰(1.1)轴线重合；上法兰(1.1)上方沿轴线设有夹持柱(1.1a)，通过刀柄将超声测厚装置(1)整体安装在机床主轴上；第二步，坐标转换分别建立机床坐标系O‑XYZ，传感器测量坐标系o_s‑x_sy_sz_s，机器坐标系o_m‑x_my_mz_m以及基准坐标系o‑xyz，各坐标系的三个坐标轴方向分别与机床上相应的三个运动轴方向保持一致；其中，机床坐标系原点O位于机床上某一运动轴(如Y运动轴)上的光栅尺零位；传感器测量坐标系原点o_s位于传感器上测量值为0的点；机器坐标系原点o_m位于数控机床回零状态下，即各运动轴光栅尺均处于零位，传感器上测量值为0的点；基准坐标系原点o位于设置于机床工作台上的基准块上表面中心；按公式(1)将各个传感器的测量值依次由传感器测量坐标系o_s‑x_sy_sz_s转换至机器坐标系o_m‑x_my_mz_m再转换至基准坐标系o‑xyz；式中，(x_s,y_s,z_s)^T为传感器在o_s‑x_sy_sz_s坐标系中的测量值，设传感器信号束中心线在o_s‑x_sy_sz_s坐标系中的单位方向向量为l，m，n，测距即传感器测距示数为d，则(x_s,y_s,z_s)^T＝(ld,md,nd)^T；R₁，T₁分别为传感器测量坐标系o_s‑x_sy_sz_s相对机器坐标系o_m‑x_my_mz_m的旋转矩阵和平移矩阵；R₂，T₂分别为机器坐标系o_m‑x_my_mz_m相对基准坐标系o‑xyz的旋转矩阵和平移矩阵；由于各坐标系的对应坐标轴之间相互平行且方向一致，故记录第一涡流传感器(1.5)的示数为零时的机床坐标(0,0,z₁)，记为机器坐标系o_m‑x_my_mz_m的原点o_m，同时得到第一涡流传感器(1.5)测量坐标系o_s‑x_sy_sz_s相对机器坐标系o_m‑x_my_mz_m的平移矩阵T₁＝(0,0,z₁)；在机器坐标系o_m‑x_my_mz_m下使用传感器对基准块上表面进行测量，并将获得的测量数据拟合成平面，设求得该平面中心坐标为则第三步，判别耦合间隙状态上位机测控系统控制机床主轴装载非接触式超声测厚装置(1)自测量起点，固定Y轴坐标，匀速沿+X轴方向作扫描测量运动，扫描测量过程中，按公式(3)实时判断第一涡流传感器(1.5)当前测点是否为“调整点”，式中，H为第一涡流传感器(1.5)底面中心与喷液器(1.4)底面中心的相对距离，[D_umin,D_umax]为耦合间隙阈值范围，D_e为第一涡流传感器(1.5)底面中心与工件(2)表面测点的相对距离，ΔZ_i为超声测厚装置(1)第i次沿Z轴调整的偏移量，沿Z轴向上移动时ΔZ_i取正值，反之则反；若公式(3)成立，当前测点则为“非调整点”，否则为“调整点”；第四步，计算调整值若判定当前测点为调整点p_i，其坐标(x_i,y,z_i)、测距D_ei，自点p_i沿‑X轴方向撷取m‑1个测点构成测点集P_i＝{p_ij,p_i,j∈[1,m‑1]}，其对应的坐标集P_i′＝{(x_ij,y,z_ij),(x_i,y,z_i),j∈[1,m‑1]}，其对应的测距集按公式(4)确定撷取测点的个数，其中，L为第一涡流传感器(1.5)与超声传感器(1.3)轴线间距，Δt为第一涡流传感器(1.5)采样间隔；将测距集中元素自小至大排序得到有序测距集按公式(5)计算有序测距集中各元素的数据密度估计，其中，k为最邻近数，KNN(d_j)为数据d_j的k个最邻近数据构成的数据集，d_jt为数据d_j的第t个最邻近数据，d_tk为数据d_t的第k个最邻近数据；第i测距集中数据密度估计最大测距记为第i数据密度估计最大测距，按公式(6)计算第i数据密度估计最大测距对应的测点记为第i数据密度估计最大测点p_iUmax，其坐标(x_iUmax,y,z_iUmax)，第i调整点P_i处的调整值记为第i调整值ΔZ_i，按公式(7)计算，第五步，自适应调整路径生成以自第i数据密度估计最大测点p_iUmax至第i调整点P_i构成的测点集Ω_i＝{p_iUmax,...,p_i}对应的坐标集Ω_i′＝{(x_iUmax,y,z_iUmax),...,(x_i,y,z_i)}中的各z坐标均与第i调整点P_i处的调整值ΔZ_i相加后得到的坐标集Ω_i″＝{(x_l,y,z_l),l∈[1,n]}中的坐标为节点，按如下移动最小二乘拟合函数生成指导超声传感器1.3自第i数据密度估计最大测点p_iUmax至第i调整点P_i的自适应调整路径，其中，p^T(x)＝[1,x,x²]                      (9)为选取的二次基函数，其中，n为待拟合点x紧支撑域内的影响节点数，x_l为待拟合点x的影响节点，w(x‑x_l)为影响节点x_l的紧支撑权函数，选取如下三次样条权函数，其中，其中，r为紧支撑域半径，设节点以步长h均匀分布，r取为2.5h；f＝[z₁,z₂,...,z_l,...,z_n)]^T                  (14)其中，z_l为影响节点x_l对应的z坐标值；若第i+1调整点p_i+1的前m‑1个测点包含第i调整点p_i，则将自第i调整点p_i至第i+1调整点p_i+1构成的测点集记第为i+1测点集P_i+1＝{p_i,...,p_i+1}，在其中寻取第i+1概率密度估计最大测点p_i+1Umax，并按上述方法计算第i+1调整值ΔZ_i+1及生成指导超声传感器(1.3)自第i+1概率密度估计最大测点p_i+1Umax至第i+1调整点p_i+1的自适应调整路径，若固定Y轴坐标，沿‑X轴方向进行超声非接触扫描测厚，则用第二涡流传感器(1.6)代替第一涡流传感器(1.5)进行探路测量。