工件尺寸激光超聲測量系統(tǒng)設(shè)計研究*

單 寧 劉 霞

（①武警工程大學(xué)裝備運輸系，陜西西安710086;②西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，陜西西安 710072）

零件的機械加工精度是指零件加工后的實際幾何尺寸與理想幾何尺寸的符合程度，其符合程度越高，加工精度也就越高。它是零件加工質(zhì)量的一個重要方面，也是保證機械產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)力的快速發(fā)展，對機械零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。而工件在加工過程中的尺寸測量則是保證零件加工精度和提高生產(chǎn)率的一個重要手段。目前國內(nèi)多采用投影測量、線陣CCD測量和立體視覺測量方法用于工件尺寸的測量。這些技術(shù)測量系統(tǒng)硬件復(fù)雜，且只能測量外形輪廓較為簡單的工件，自動化程度低，通用性較差，已無法滿足機械加工領(lǐng)域的快速發(fā)展［1－3］。

超聲測厚技術(shù)是一門較為成熟的高新技術(shù)，其最大優(yōu)點是無損、安全、可靠及精度高，且可實現(xiàn)在線實時檢測，因而在工件尺寸測量中具有廣泛應(yīng)用前景［4－5］。傳統(tǒng)超聲測厚多采用壓電換能器產(chǎn)生超聲信號，需耦合劑，對工件表面要求較高，頻帶窄，測量精度較低。激光超聲技術(shù)是通過激光激發(fā)超聲信號，無需耦合劑，超聲信號又可通過光學(xué)方法檢測，故可實現(xiàn)完全非接觸激發(fā)和接收，便于在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境下實現(xiàn)無損檢測評估;激光超聲的激發(fā)和檢測都是在瞬間完成的，能夠?qū)崿F(xiàn)快速實時檢測;另外激光超聲技術(shù)適于對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行檢測，而不受工件幾何形狀約束，因此，更為適合于機械制造領(lǐng)域加工過程的在線監(jiān)測［6－7］。目前，將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于工件尺寸測量仍處于初始研究階段。本文基于超聲測厚原理建立激光超聲測量實驗裝置，將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于工件的尺寸測量，并對工件尺寸進行實驗測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好地用于工件尺寸測量，檢測效率高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、操作容易，且易于實現(xiàn)完全非接觸式在線測量。

1 超聲測厚原理

超聲波是一種頻率高于20 kHz的機械波，是由于機械振動在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的波動。超聲波在同一均勻介質(zhì)中傳播時，其波速為一常數(shù)。超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上會產(chǎn)生反射。所以超聲脈沖自被測工件表面?zhèn)鞑サ浇邮彰娣瓷涿}沖的間隔時間正比于工件厚度，若將這個時間轉(zhuǎn)化為厚度值表示，即為被測工件厚度值。常用的超聲測厚方法有共振法、干涉法和脈沖反射法。其中共振法和干涉法測量精度較高，但系統(tǒng)復(fù)雜，具有較大的局限性，不易實現(xiàn)自動檢測，而脈沖反射法測量裝置則相對簡單，非常適合于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。如圖1所示，超聲波在工件內(nèi)部傳播，遇到工件邊界時返回，得到回波，測量超聲波通過被測工件所需的時間間隔，然后根據(jù)超聲脈沖在被測工件中的傳播速度即可得到被測工件厚度。

如果已知試樣聲速c，則可得其厚度H為

式中，t0為超聲脈沖在被測工件兩表面往返一次的時間。

2 激光超聲測量裝置

本文激光超聲測量系統(tǒng)采用脈沖反射法原理。當激光脈沖照射在工件表面時，工件表面局部范圍吸收光能產(chǎn)生較高溫升，這部分材料由于溫升會產(chǎn)生熱膨脹運動，帶動周圍介質(zhì)一起運動從而在其內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，然后探測超聲波在工件內(nèi)部傳播時的反射波情況，根據(jù)反射波在工件內(nèi)部的渡越時間從而得到工件厚度尺寸等幾何參數(shù)。

激光超聲在線測量工件尺寸實驗裝置如圖2所示。Nd:YAG激光器產(chǎn)生脈寬為15 ns，波長為1.06 μm，單脈沖最大能量為120 mJ的激光，經(jīng)透鏡聚焦為直徑約1 mm的光斑，直接照射在工件表面，在工件內(nèi)部激發(fā)出超聲波。超聲信號在工件內(nèi)部傳播后由粘貼在試樣背面，與激光源對心的PVDF傳感器接收。PVDF傳感器將超聲信息以電荷形式輸出，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路即可轉(zhuǎn)換成便于檢測的電壓信號。再將電壓信號進行放大、濾波處理后送入示波器內(nèi)，其波形在示波器屏幕上實時顯示出來。

3 實驗研究

當激光脈沖能量為90 mJ/脈沖，照射在尺寸為100 mm×100 mm×25 mm的鋼試件上，鋼的聲速為5 900 m/s。PVDF壓電薄膜尺寸大小為30 mm×12 mm，厚度為50 μm。激發(fā)出的超聲信號如圖3所示。

由圖3中可以看出，超聲信號的第一個峰值出現(xiàn)時間為 45.2 μs，第二個峰值出現(xiàn)時間為 52.5 μs，第三個峰值出現(xiàn)時間為61.7 μs，則超聲信號相鄰兩脈沖的平均峰值時間間隔為8.25 μs。根據(jù)體波透射技術(shù)和脈沖反射法超聲測厚原理可知，采用平均峰值間隔法得到的時間間隔即為超聲波在工件中往返一次的時間，將超聲脈沖兩相鄰峰值時間間隔代入式（1）可得鋼工件的厚度尺寸為24.34 mm，工件尺寸測量相對誤差為2.64%。

4 結(jié)語

超聲測厚技術(shù)具有快速、可靠、精度高等眾多優(yōu)點，在工件尺寸在線監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文針對零件加工過程中工件尺寸在線測量問題，提出一種采用激光超聲技術(shù)進行工件尺寸在線測量的方法，建立了激光超聲在線測量工件尺寸的實驗系統(tǒng)，并進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好地應(yīng)用于工件尺寸的在線測量，檢測效率高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試容易，便于操作，易于實現(xiàn)完全非接觸式在線測量，且具有較高精度，實際測量誤差為2.64%。

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