CN112345130A - 基于超声侧波的应力分布测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超声侧波的应力分布测量装置与方法，属于无损检测领域，装置中的升降平台将被测组件固定并抬升至指定位置；运动控制模块可以实现对角度可调探头的精确定位，以及扫描运动的精确控制；根据计算得到的第一临界角调整角度可调探头的发射或接收角度；设置X向和Y向扫描步长，并由运动控制模块带动角度可调探头进行X向和Y向扫描，直至完成整个接触界面的测量时停止；在测量过程中角度可调探头测得的超声侧波信号通过控制回路传给PC机；通过超声侧波信号与接触应力的关系得到接触界面的应力分布。本发明可实现不同结构组件接触界面应力分布的测量，测量精度高、普适应好、自动化程度高，可适用于较大批量及复杂结构组件的测量中。

Description

基于超声侧波的应力分布测量装置与方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声侧波的应力分布测量装置与方法，属于无损检测领域。

背景技术

机械设备中的所有零件都通过接触界面连接，以确保彼此的相对位置、功能以及信息的传递。因此，机械***的性能不可避免地受到界面接触行为的限制。随着科学技术的进步，机械设备正朝着高速，重载，高精度和智能化的方向发展，并且在特殊环境下工作的设备也不断涌现。接触界面机械性能的控制已成为限制机械设备发展的关键科学问题。接触应力作为接触界面的重要特性之一，已成为研究的重点。而目前采用的垂直入射式超声波应力测量方法，仅适用于规则形状组件的测量。因此，现有的超声波应力测量方法，难以满足复杂结构组件应力分布的测量，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了针对复杂结构组件接触界面应力分布难以测量的问题而提供一种基于超声侧波的应力分布测量装置与方法，克服现有技术的缺陷，可以实现复杂结构组件应力分布的测量，以提高机械***性能评估的可靠性。

本发明的目的是这样实现的：包括光学平台、运动控制模块、测量模块、升降平台；所述运动控制模块包括设置在光学平台上的支座、设置在支座上的X轴精密位移平台、Y轴精密位移平台通过XY轴转接板固定安装在X轴精密位移平台的上方，Z轴精密位移平台通过支撑立板和YZ轴转接板固连在Y轴精密位移平台的上方，在Z轴精密位移平台上安装有悬臂，悬臂的端部设置有测量模块安装板，测量模块包括安装在测量模块安装板上的T型支架、安装在T型支架下端的力传感器、设置在力传感器下端的滑轨安装板、设置在滑轨安装板下端面上的滑轨、安装在滑轨上的两个滑块、通过滑块转接板设置在对应滑块上的探头固定架、设置在探头固定架内的角度可调探头；所述升降平台设置在光学平台上，在升降平台上设置有下平板零件和上平板零件。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.X轴精密位移平台、Y轴精密位移平台和Z轴精密位移平台在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。

2.还包括控制回路，控制回路包括PC机、数字示波器、超声波脉冲收发仪、运动控制卡、步进电机驱动器，运动控制卡位于PC机中，数字示波器与PC机相连；所述的超声波脉冲收发仪与数字示波器相连；左角度可调探头与超声波脉冲收发仪的信号发射端口相连，右角度可调探头与超声波脉冲收发仪的接收端口相连；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡和X、Y、Z轴精密位移平台相连；右角度可调探头测得的超声侧波信号通过控制回路发送至PC机；然后通过超声侧波信号与接触应力之间的关系自动计算出配合面的应力分布。

3.步骤如下：

第一步，安装固定

通过开启升降平台上的磁力开关将固连在一起的上平板零件和下平板零件固定吸附在升降平台的上表面；

第二步，位置调整

调整升降平台到指定高度位置并锁紧；调整右角度可调探头和左角度可调探头与第一临界角相等；调整左滑块和右滑块，保证左角度可调探头和右角度可调探头之间的距离大于入射位置与超声侧波产生位置之间的距离，然后锁紧左滑块和右滑块；X、Y、Z轴精密位移平台带动测量模块运动，使左角度可调探头和右角度可调探头同时与上平板零件上表面接触，当力传感器的示值达到设定值时停止；

第三步，超声侧波信号测量

设置X和Y方向的扫描步长，然后X轴精密位移平台带动测量模块在X方向进行扫描，扫描过程中记录每个扫描点处右角度可调探头测得的超声侧波信号，直至到达X方向的末端停止；接着在Y方向移动一个步长再对X轴反方向进行逐点扫描；重复上述扫描步骤直至完成整个接触界面的扫描时停止；

第四步，接触应力计算

PC机根据超声侧波信号与接触应力之间的关系自动计算出接触界面的应力分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)装置结构简单成本低，可以实现自动化测量，避免人为因素的不利影响，提高测量效率；(2)装置中的运动控制模块具有很高的重复定位精度和刚性以保证应力分布的测量精度；(3)采用角度可调探头不仅可以实现平板类零件接触界面应力分布的无损测量，而且可以为复杂结构组件接触界面应力分布的测量提供技术支撑，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为被测组件结构示意图；

图2为装置的整体结构示意图；

图3为运动控制模块示意图；

图4为测量模块示意图；

图中：1光学平台；2升降平台；3下平板零件；4上平板零件；5右角度可调探头；6右紧固螺栓；7右探头固定架；8右滑块转接板；9右滑块；10左滑块；11力传感器；12滑轨安装板；13 T型支架；14测量模块安装板；15悬臂；16 Z轴精密位移平台；17支撑立板；18 YZ轴转接板；19 Y轴精密位移平台；20 XY轴转接板；21 X轴精密位移平台；22支座顶板；23滑轨；24右支座立板；25左支座立板；26左滑块转接板；27左探头固定架；28左角度可调探头；29支座底板；30左紧固螺栓。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明的一种基于超声侧波的应力分布测量装置，所述的基于超声侧波的应力分布测量装置包括光学平台1、运动控制模块、测量模块、升降平台2和控制回路。

所述的运动控制模块包括测量模块安装板14，悬臂15，Z轴精密位移平台16，支撑立板17，YZ轴转接板18，Y轴精密位移平台19，XY轴转接板20，X轴精密位移平台21，支座顶板22，右支座立板24，左支座立板25，支座底板29。所述的支座底板29固定安装在光学平台1上，右支座立板24和左支座立板25固定安装在支座底板29上部，支座顶板22通过螺栓与右支座立板24和左支座立板25的顶部固连，X轴精密位移平台21固定安装在支撑顶板22的上方，Y轴精密位移平台19通过XY轴转接板20固定安装在X轴精密位移平台21的上方，Z轴精密位移平台16通过支撑立板17和YZ轴转接板18固连在Y轴精密位移平台19的上方，支撑立板17固定安装在YZ轴转接板18的上方。X轴精密位移平台21、Y轴精密位移平台19和Z轴精密位移平台16在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。测量模块安装板14通过悬臂15固定安装在Z轴精密位移平台16上。

所述的测量模块包括右角度可调探头5，右紧固螺栓6，右探头固定架7，右滑块转接板8，右滑块9，左滑块10，力传感器11，滑轨安装板12，T型支架13，滑轨23，左滑块转接板26，左探头固定架27，左角度可调探头28，左紧固螺栓30。T型支架13通过螺栓固定安装在测量模块安装板14上，力传感器11通过螺栓与T支架13连接，滑轨23通过滑轨安装板12固定安装在力传感器11的下部，右滑块9和左滑块10安装在滑轨23上，右探头固定架7通过右滑块转接板8固定安装在右滑块9上，右角度可调探头5通过右紧固螺栓6固定安装在右探头固定架7内部，左探头固定架27通过左滑块转接板26固定安装在左滑块10上，左角度可调探头28通过左紧固螺栓30固定安装在左探头固定架27内部。

所述的升降平台2固定安装在光学平台1上，下平板零件3通过升降平台2的磁力吸附固定安装在升降平台2的上部，上平板零件4通过螺栓与下平板零件3固连。

所述的控制回路包括PC机，数字示波器，超声波脉冲收发仪，左角度可调探头28，右角度可调探头5，运动控制卡，步进电机驱动器，X、Y、Z轴精密位移平台21、19、16。所述的运动控制卡位于PC机中，数字示波器与PC机相连；所述的超声波脉冲收发仪与数字示波器相连；所述的左角度可调探头28与超声波脉冲收发仪的信号发射端口相连，右角度可调探头5与超声波脉冲收发仪的接收端口相连；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡和X、Y、Z轴精密位移平台21、19、16相连。右角度可调探头5测得的超声侧波信号通过控制回路发送至PC机；然后通过超声侧波信号与接触应力之间的关系自动计算出配合面的应力分布。

其测量原理：将固连在一起的下平板零件3和上平板零件4固定安装在升降平台2上，调整升降平台2到指定高度位置并锁紧；右角度可调探头28为发射探头，左角度可调探头5为接收探头；根据上平板零件4的材料属性利用折射定律计算得到第一临界角的大小，调整右角度可调探头5和左角度可调探头28与第一临界角相等；X、Y、Z轴精密位移平台21、19、16带动测量模块运动，使左角度可调探头28和右角度可调探头5同时与上平板零件4上表面接触，当力传感器11的示值达到设定值时停止；左角度可调探头28发射的超声波到达上平板零件4的上表面时，会产生沿上表面水平传播的折射纵波和斜入射进入上平板零件4内的折射横波，折射横波在上平板零件4和下平板零件3的接触界面处经反射再次到达上平板零件4的上表面，并产生一个沿水平方向传播的反射纵波，这一反射纵波即为需要测量的超声侧波，它会随接触界面处应力的大小而变化；在测量时，保证左角度可调探头28和右角度可调探头5之间的距离大于入射位置与超声侧波产生位置之间的距离；设置X和Y方向的扫描步长，然后X轴精密位移平台21带动测量模块在X方向进行扫描，接着在Y方向移动一个步长再对X轴反方向进行扫描，如此重复上述两步直至完成整个接触面的扫描；测量过程中右角度可调探头5接收到的信号由控制回路传到PC机，并根据超声侧波信号与应力之间的关系自动求得接触面的应力分布，并实时绘制出应力云图显示在PC机界面。

上述基于超声侧波的应力分布测量装置进行应力分布测量的方法，包括以下步骤：

第一步，安装固定

通过开启升降平台2上的磁力开关将固连在一起的上平板零件4和下平板零件3固定吸附在升降平台2的上表面；

第二步，位置调整

调整升降平台2到指定高度位置并锁紧；调整右角度可调探头5和左角度可调探头28与第一临界角相等；调整左滑块10和右滑块9，保证左角度可调探头28和右角度可调探头5之间的距离大于入射位置与超声侧波产生位置之间的距离，然后锁紧左滑块10和右滑块9；X、Y、Z轴精密位移平台21、19、16带动测量模块运动，使左角度可调探头28和右角度可调探头5同时与上平板零件4上表面接触，当力传感器11的示值达到设定值时停止；

第三步，超声侧波信号测量

设置X和Y方向的扫描步长，然后X轴精密位移平台21带动测量模块在X方向进行扫描，扫描过程中记录每个扫描点处右角度可调探头5测得的超声侧波信号，直至到达X方向的末端停止；接着在Y方向移动一个步长再对X轴反方向进行逐点扫描；重复上述扫描步骤直至完成整个接触界面的扫描时停止；

第四步，接触应力计算

PC机根据超声侧波信号与接触应力之间的关系自动计算出接触界面的应力分布。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

综上，本发明属于无损检测领域，提供一种基于超声侧波的应力分布测量装置与方法。该装置中的升降平台将被测组件固定并抬升至指定位置；运动控制模块可以实现对角度可调探头的精确定位，以及扫描运动的精确控制；根据计算得到的第一临界角调整角度可调探头的发射或接收角度；设置X向和Y向扫描步长，并由运动控制模块带动角度可调探头进行X向和Y向扫描，直至完成整个接触界面的测量时停止；在测量过程中角度可调探头测得的超声侧波信号通过控制回路传给PC机；然后通过超声侧波信号与接触应力的关系得到接触界面的应力分布。本发明可以实现不同结构组件接触界面应力分布的测量，测量精度高、普适应好、自动化程度高，可适用于较大批量及复杂结构组件的测量中。

Claims (4)

1.基于超声侧波的应力分布测量装置，其特征在于：包括光学平台、运动控制模块、测量模块、升降平台；所述运动控制模块包括设置在光学平台上的支座、设置在支座上的X轴精密位移平台、Y轴精密位移平台通过XY轴转接板固定安装在X轴精密位移平台的上方，Z轴精密位移平台通过支撑立板和YZ轴转接板固连在Y轴精密位移平台的上方，在Z轴精密位移平台上安装有悬臂，悬臂的端部设置有测量模块安装板，测量模块包括安装在测量模块安装板上的T型支架、安装在T型支架下端的力传感器、设置在力传感器下端的滑轨安装板、设置在滑轨安装板下端面上的滑轨、安装在滑轨上的两个滑块、通过滑块转接板设置在对应滑块上的探头固定架、设置在探头固定架内的角度可调探头；所述升降平台设置在光学平台上，在升降平台上设置有下平板零件和上平板零件。

2.根据权利要求1所述的基于超声侧波的应力分布测量装置，其特征在于：X轴精密位移平台、Y轴精密位移平台和Z轴精密位移平台在运动方向上两两垂直，构成笛卡尔直角坐标系。

3.根据权利要求1或2所述的基于超声侧波的应力分布测量装置，其特征在于：还包括控制回路，控制回路包括PC机、数字示波器、超声波脉冲收发仪、运动控制卡、步进电机驱动器，运动控制卡位于PC机中，数字示波器与PC机相连；所述的超声波脉冲收发仪与数字示波器相连；左角度可调探头与超声波脉冲收发仪的信号发射端口相连，右角度可调探头与超声波脉冲收发仪的接收端口相连；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡和X、Y、Z轴精密位移平台相连；右角度可调探头测得的超声侧波信号通过控制回路发送至PC机；然后通过超声侧波信号与接触应力之间的关系自动计算出配合面的应力分布。

4.根据权利要求3所述的基于超声侧波的应力分布测量装置进行应力分布测量的方法，其特征在于：步骤如下：

第一步，安装固定

通过开启升降平台上的磁力开关将固连在一起的上平板零件和下平板零件固定吸附在升降平台的上表面；

第二步，位置调整

调整升降平台到指定高度位置并锁紧；调整右角度可调探头和左角度可调探头与第一临界角相等；调整左滑块和右滑块，保证左角度可调探头和右角度可调探头之间的距离大于入射位置与超声侧波产生位置之间的距离，然后锁紧左滑块和右滑块；X、Y、Z轴精密位移平台带动测量模块运动，使左角度可调探头和右角度可调探头同时与上平板零件上表面接触，当力传感器的示值达到设定值时停止；

第三步，超声侧波信号测量

设置X和Y方向的扫描步长，然后X轴精密位移平台带动测量模块在X方向进行扫描，扫描过程中记录每个扫描点处右角度可调探头测得的超声侧波信号，直至到达X方向的末端停止；接着在Y方向移动一个步长再对X轴反方向进行逐点扫描；重复上述扫描步骤直至完成整个接触界面的扫描时停止；

第四步，接触应力计算

PC机根据超声侧波信号与接触应力之间的关系自动计算出接触界面的应力分布。

Images