內(nèi)孔偏心檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張俊英，楊　錄，李云鵬，張艷花，王元元

(1．中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院；電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原　030051；2．富士康(太原)科技工業(yè)園，山西太原　030032；3．中國礦業(yè)大學(xué)徐州應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州　221008)

0　引言

在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中，深孔機(jī)床加工與一般切削機(jī)床加工在操作控制上的最大不同之處在于，深孔加工是在操作者不能憑視覺直接觀測的隱蔽條件下進(jìn)行的。深孔鉆頭的斷屑、排屑、切屑刃的磨損、切屑形態(tài)、被加工表面狀況以至鉆頭走向是否正確等，都是決定加工成敗、質(zhì)量、效率及成本的重大影響因素，但這些都無法用肉眼直接覺察。通過實(shí)時(shí)在線測量其偏心量的變化，可以提高其生產(chǎn)效率，針對應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線而言，超聲波測厚是運(yùn)用最為廣泛的一種方法。

1　系統(tǒng)原理

1．1超聲脈沖反射原理

超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。超聲測厚技術(shù)從原理上分為諧振式和脈沖反射式2種。系統(tǒng)采用脈沖反射式測厚法，其原理是：超聲波進(jìn)入被測材料后，在測料的上下面之間來回反射形成多次反射波。如果能測量出超聲波在材料中往返一次的傳播時(shí)間Δt，在速度v已知的情況下，根據(jù)式(1)，可以求得被測材料的厚度d[1-2]：

d=vΔt/2

(1)

1．2深孔加工工件壁厚確定

為了實(shí)時(shí)在線檢測工件厚度，檢測裝置采用三通道即3個(gè)探頭在被測工件上呈120°放置。如圖1所示。

圖1　工件壁厚檢測原理

圖1是深孔加工后工件刨面圖，R和r分別為工件的外圓半徑和內(nèi)圓半徑。在A、B、C點(diǎn)布置3個(gè)超聲測厚探頭，設(shè)3點(diǎn)所測厚度值分別為ha、hb、hc，p1(x1，y1)，p2(x2，y2)，p3(x3，y3)分別為A、B、C點(diǎn)聲波入射線與以加工出的深孔孔壁交點(diǎn)，點(diǎn)O1為深孔的圓心，也是要確定其坐標(biāo)位置的點(diǎn)。據(jù)探頭位置可知θ1=30°，θ2=150°，θ3=270°以及測出的厚度值帶入式(2)中：

(2)

可得已加工工件孔壁上3點(diǎn)的值，由于它們是一個(gè)圓上的3點(diǎn)，因此可由式(3)求出其圓心O1的坐標(biāo)值(x，y)，并利用直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)關(guān)系式x=ρcosθ與y=ρsinθ，可知所加工的深孔的圓心O1與基準(zhǔn)圓心O的相對偏差，實(shí)時(shí)監(jiān)測工件的偏心量來保證工件的合格率。

(x-x1)2+(y-y1)2=r2

(3)

2　系統(tǒng)構(gòu)成

測偏系統(tǒng)由兩大模塊組成，即超聲發(fā)射接收電路部分和單片機(jī)部分，超聲波發(fā)射接收電路部分由系統(tǒng)電源模塊、發(fā)射接收放大電路、可調(diào)增益放大檢波電路、門電路等組成。該系統(tǒng)采用脈沖反射式測厚法，探頭采用水浸聚焦縱波直探頭檢測壁厚。發(fā)射電路輸出一個(gè)上升時(shí)間很短，脈沖很窄的周期性電脈沖，通過電纜加到探頭上，激勵(lì)壓電晶片產(chǎn)生超聲波脈沖。探頭發(fā)出的超聲脈沖進(jìn)入工件后，在工件的上下兩表面形成多次反射。反射波經(jīng)壓電晶片再轉(zhuǎn)換成電信號。經(jīng)接收電路放大后，由時(shí)間差提取電路測出聲波在工件兩個(gè)表面之間的傳播時(shí)間t，從而獲得工件的厚度。系統(tǒng)整體原理框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)原理圖框圖

2．1超聲信號的產(chǎn)生

超聲波的發(fā)射電路是在發(fā)射窄脈沖控制之下，產(chǎn)生激勵(lì)超聲探頭的高壓控制信號，從而實(shí)現(xiàn)了超聲波發(fā)射。在實(shí)際超聲波測厚中，通常將幾百伏的高電壓窄脈沖信號加到超聲探頭上，激勵(lì)超聲探頭的壓電晶片振動(dòng)，使其發(fā)射超聲波。系統(tǒng)中采用的是600 V的高壓模塊，發(fā)射電路如圖3所示。

圖3　超聲波發(fā)射電路

IRF840是一款N溝道增強(qiáng)型功率場效應(yīng)管，耐600 V的高壓，導(dǎo)通電阻小。整個(gè)超聲發(fā)射電路的工作原理為：在沒有發(fā)射窄脈沖時(shí)，600 V高壓通過RG1，RG2對CG1充電，使其兩端的電壓差達(dá)到+600 V左右。發(fā)射脈沖到達(dá)后，IRF840導(dǎo)通，此時(shí)CG1通過IRF840放電，在其導(dǎo)通的瞬間，IRF840的漏極電壓比較小，使CG1的電位拉低。由于電容兩端的電壓不能突變，使得輸出端FST1的電位在瞬間約為-600 V，這個(gè)負(fù)脈沖作用于超聲探頭，使其產(chǎn)生壓電變換，發(fā)射超聲波。圖中RG5是阻尼電阻，它既是在放電電路中調(diào)整放電時(shí)間和發(fā)射脈沖強(qiáng)度，還調(diào)整超聲脈沖的寬度。該電阻與超聲探頭并聯(lián)，改變RG5同時(shí)也改變了探頭電阻尼大小，即影響檢測的分辨力[3]。實(shí)際應(yīng)用中，阻值可以根據(jù)發(fā)射探頭的不同頻率進(jìn)行設(shè)置。

2．2回波信號處理電路

在超聲波測厚系統(tǒng)中，傳感器接收的回波信號的質(zhì)量主要取決于被測對象的表面形狀、傳導(dǎo)介質(zhì)的密度以及距離等。此外，回波信號通常會(huì)受到大量信號的干擾，包括外界固有目標(biāo)的干擾、移動(dòng)目標(biāo)的周期和隨機(jī)干擾、模擬電路本身引入的干擾等。因此，接收電路必須有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和對干擾信號的抑制能力。文中超聲波接收電路由低噪聲前置放大電路、VCA810可變增益放大電路、檢波電路和門控制電路組成。

2．2．1低噪聲前置放大電路

低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)在超聲測厚接收系統(tǒng)中處于前端位置，其性能指標(biāo)的好壞對接收電路整體性能有很大影響。式(4)為表示級聯(lián)放大系統(tǒng)噪聲系數(shù)的弗里斯公式[4]：

(4)

式中：F1，F(xiàn)2，……，F(xiàn)n為各級放大電路的噪聲系數(shù)；G1，G2，……，Gn-1為各級放大電路的增益。

圖4為系統(tǒng)的同相和反相級聯(lián)前置放大電路。其中DA1、DA2是兩個(gè)反向二極管起保護(hù)作用，防止接收電路過載。通過對可變電阻器WA1來調(diào)節(jié)其第一級的放大倍數(shù)，以便對接收的回波信號適當(dāng)放大。第二級為一固定放大電路，同時(shí)為防止回波信號出現(xiàn)直流偏置，通過調(diào)節(jié)WA2使回波信號始終在基線軸上。

圖4　低噪聲前置放大電路

2．2．2可變增益放大電路

如圖5所示，可變增益放大電路是采用高增益、低噪聲、低畸變、控制范圍連續(xù)可調(diào)的壓控放大器VCA810來完成的。采用±5 V供電，具有差分輸入單端輸出，穩(wěn)定的增益帶寬，低輸出直流誤差。其工作原理是通過對控制電壓Vc的改變實(shí)現(xiàn)增益控制，控制電壓與增益的關(guān)系是G=-40(VC+1)dB．由此可看出，當(dāng)控制電壓Vc從0 V變化到-2 V時(shí)，增益從-40 dB線性地變化到+40 dB．系統(tǒng)采用直流耦合方式，為防止出現(xiàn)直流偏置，采用可變電阻器WB1的調(diào)節(jié)使其接收到的回波信號始終在基線上。

圖5　可變增益放大電路

2．2．3檢波放大電路

檢波放大電路如圖6所示。檢波電路是由2AP10和RC組成的低通濾波器構(gòu)成。2AP10具有結(jié)電容低，工作頻率高和反向電流小等特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)信號的包絡(luò)檢波。其中，低通濾波器的截止頻率可根據(jù)式(5)來計(jì)算：

(5)

式(5)即通過改變RC10和CC3的大小來改變其上限截止頻率。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測量厚度較小時(shí)，會(huì)使底波信號疊加在始發(fā)波內(nèi)，此時(shí)可通過調(diào)節(jié)CC3的大小來減小始發(fā)波的拖尾現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的檢波以提高厚度變化的時(shí)間分辨力。

與電壓反饋運(yùn)算放大器相比，THS3002是高速電流反饋運(yùn)算放大器，具有高達(dá)6 500 V/μs的轉(zhuǎn)換速率，420 MHz的-3 dB的帶寬和良好的帶內(nèi)平坦度，在115 MHz時(shí)增益僅下降0．1 dB，非常適合于大信號放大。文中檢波信號的放大選用該芯片來實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)態(tài)輸出范圍可達(dá)0～10 V．

圖6　檢波可調(diào)放大電路

2．2．4門電路及整形電路

使用門控制電路去除干擾信號，從而保留有用信號，并將其有用信號送給整形電路，以便準(zhǔn)確得到水鋼界面波和鋼底波信號的時(shí)間差。圖7為門電路及整形電路。

圖7　門電路及整形電路

檢波放大后的信號先經(jīng)過電壓跟隨器將檢波信號與門電路隔離開，以保證其電路的阻抗匹配。將檢波輸出的信號同時(shí)通過2路門電路對回波信號分時(shí)提取，檢波信號同時(shí)經(jīng)過隔直耦合電容CJ1、CK1進(jìn)入由三極管輸出構(gòu)成的跟隨器，它具有輸入阻抗大輸出阻抗小的特點(diǎn)，可以減小前級運(yùn)放的內(nèi)阻，并提高運(yùn)放的帶負(fù)載能力。Q1、Q3的射極輸出端分別通過Q2、Q4以及閘門信號MK01、MK02來實(shí)現(xiàn)對檢波信號的分時(shí)段提取。將帶有厚度信息的信號JB01、JB02通過LM393的正端與基準(zhǔn)電壓比較，實(shí)現(xiàn)檢波信號的整形，從而使其與信號幅度無關(guān)至于時(shí)間有關(guān)，以便于單片機(jī)來計(jì)算出被測工件的厚度，其時(shí)序關(guān)系如圖8所示。

圖8　時(shí)間差提取時(shí)序圖

2．3時(shí)間差提取及壁厚計(jì)算

將整形后的水鋼界面波和鋼底波分別作為單片機(jī)C8051F340的中斷觸發(fā)信號INT0和INT1，當(dāng)INT0中斷產(chǎn)生時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)數(shù)、當(dāng)INT1中斷產(chǎn)生時(shí)關(guān)閉定時(shí)器并讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值，通過計(jì)算可將時(shí)間計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為壁厚值。

單片機(jī)C8051F340最高可提供48 MHz的計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖，計(jì)數(shù)時(shí)差為0．021 μs，則壁厚測量誤差為0．126 mm，可達(dá)到高精度測試要求。

3　測試結(jié)果與分析

使用工作頻率為5 MHz的探頭，檢測一個(gè)長1 200 mm，外徑Φ60 mm，內(nèi)徑Φ14 mm有偏斜的深孔件壁厚，在其上取10組點(diǎn)檢測，測試結(jié)果如表1所示。

表1　厚度檢測結(jié)果

從試件測試結(jié)果和該試件的兩個(gè)端口的實(shí)測可以看出，偏斜趨勢和系統(tǒng)測量值所表現(xiàn)的相吻合，在試件的兩個(gè)端面的實(shí)測值與系統(tǒng)測量值的誤差在±0．2 mm內(nèi)。以上測試結(jié)果證明，系統(tǒng)能夠?qū)ι羁准庸すぜ诤窦捌倪M(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量。

4　結(jié)論

在深入研究脈沖超聲測厚技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于高速單片機(jī)C8051F340的三通道超聲測偏儀。主要采用高穩(wěn)定超聲產(chǎn)生與接收電路，以硬件電路的形式來建立厚度時(shí)差關(guān)系，在保證精度的前提下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對簡單，成本較低。該系統(tǒng)可作為獨(dú)立設(shè)備對深孔工件偏心在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)偏心量超出閾值可以立即停車，并可以通過對刀具或者輔助工具的調(diào)整修正刀具的加工進(jìn)給路線，從而可以避免被加工工件的報(bào)廢，降低廢品率，可以有效節(jié)約資源。也可以作為自動(dòng)加工設(shè)備的輔助檢測機(jī)構(gòu)為其提供進(jìn)給依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無人為干預(yù)的全自動(dòng)高精度深孔加工成套設(shè)備。其應(yīng)用前景更為可觀。

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