摘 要：在航空航天薄壁工件的銑削加工中，經(jīng)常由于裝夾變形或加工中變形等影響，導致工件壁厚較難控制。為實現(xiàn)工件壁厚精確控制，提出了基于超聲測厚原理的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)，系統(tǒng)采用水浸式超聲測厚控制器對工件壁厚進行實時測量，再基于加工機床的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)補償算法，對加工中的工件壁厚進行在線監(jiān)控和實時補償，可使工件壁厚加工精度相較傳統(tǒng)方法得到大幅提升。另外，結(jié)合實例給出測厚傳感器與數(shù)控系統(tǒng)之間通信、數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動器之間通信以及加工中安全防護邏輯的軟硬件設(shè)計，通過實際加工驗證了系統(tǒng)的可行性及先進性。

關(guān)鍵詞：超聲測厚;壁厚補償;實時補償;控制系統(tǒng);工件測量

中圖分類號：TP23? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）13-0024-07

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.13.007

0? ? 引言

隨著民用大飛機和商業(yè)航天在國內(nèi)的快速發(fā)展，飛機蒙皮和火箭筒段等航空航天薄壁工件的高效加工方法被越來越多地研究，而薄壁件壁厚的精準控制是其中的重點。如：南京航空航天大學的王志剛等人介紹了有限元在分析薄壁件銑削加工變形中的應(yīng)用，并提出一種數(shù)控補償方法來減少讓刀誤差，從而控制薄壁件的加工精度[1]。該方法的不足之處是基于理論預(yù)測對工件厚度進行補償，無法解決工件裝夾過程中再次變形后壁厚精度控制的問題。天津航天長征火箭制造有限公司等聯(lián)合單位的崔鑫等人在機械加工中采用點位測量的自動補償銑削技術(shù)，通過厚度點位測量和補償控制，能夠解決大型曲面薄壁工件加工難題[2]。該方法的不足之處在于不能對工件壁厚進行實時補償，無法解決加工中工件變形帶來的壁厚加工誤差問題。鑒于以上情況，本文設(shè)計了一種基于水浸式超聲測厚儀的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)，由于是在加工過程中實時在線測量工件壁厚并進行補償，所以克服了工件裝夾變形和加工中變形帶來的壁厚加工精度低的問題。

1? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文研究的航空航天薄壁工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)由美國奧林巴斯水浸超聲測厚探頭、上海拓璞超聲測厚控制器TP500U、臺式工控機、千兆交換機、西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)組成，硬件連接方式如圖1所示。

其中，水浸超聲測厚探頭與超聲測厚控制器采用特制線纜連接，該線纜既是信號線也是電源線。水浸超聲測厚探頭負責將電能轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射出去并接收反饋回來的聲波。超聲測厚控制器與臺式工控機采用EtherNet連接，抗干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率大。超聲測厚控制器負責對水浸超聲測厚測頭采集回來的數(shù)據(jù)進行分析和處理，進而對外輸出正確的測厚數(shù)據(jù)。臺式工控機與西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)采用網(wǎng)線通信，在它們之間增加一個千兆交換機，交換機主要用于解決多個通信主機連接數(shù)控系統(tǒng)的問題。臺式工控機中安裝測厚控制軟件，對測厚控制器的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，同時對數(shù)控系統(tǒng)的后臺參數(shù)進行監(jiān)控。西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)的控制單元NCU與壁厚補償軸驅(qū)動器采用DRIVE-CLIQ總線通信，對補償軸的進給量進行控制，進而在加工過程中對工件壁厚進行實時加厚或減薄。

1.1? ? 水浸超聲測厚探頭選型

由于掃描航空航天薄壁件厚度需要使用非接觸式測厚，所以傳統(tǒng)的機械測厚不再適用，本文設(shè)計的工件壁厚測量方式選用水浸超聲測厚。水浸超聲測厚的原理是：利用壓電換能器發(fā)射脈沖超聲波，測量其在材料中傳播的時間。通過這個時間及已知的聲速可以計算出材料的厚度[3]。具體來說，探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時會被反射回探頭，通過精確測量這一來回時間來確定材料的厚度，如圖2所示。

本文設(shè)計基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)選用的水浸超聲測頭具體型號為奧林巴斯V316-SM，外殼為不銹鋼外殼，標準配置為平直型連接器，可以兼容小厚度及中等厚度的測量，測量范圍覆蓋主要的航空航天薄壁工件厚度。該測頭具體參數(shù)如表1所示。

1.2? ? 超聲測厚控制器設(shè)計

本文設(shè)計的超聲測厚控制器包含控制單元和數(shù)據(jù)接口，控制單元包含信號放大器、數(shù)據(jù)采集卡和單片機，數(shù)據(jù)接口采用網(wǎng)口，硬件均采用市場成熟產(chǎn)品進行集成，集成后形成控制盒，控制盒接收電源輸出，對外輸出TCP/IP數(shù)據(jù)，支持最多四個水浸超聲測厚探頭同時進行通信。控制盒整體尺寸為100 mm×80 mm×12 mm，具有良好的通風散熱性能，如圖3所示。

1.3? ? 數(shù)控系統(tǒng)選型

本文設(shè)計的基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)采用具有高開放性、高穩(wěn)定性的德國西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)具有成熟的軟、硬件環(huán)境，支持多軸運動控制、RTCP功能等，有良好的數(shù)控應(yīng)用生態(tài)[4]。最主要的是該數(shù)控系統(tǒng)將NC、UI、PLC等數(shù)據(jù)之間的交互打通，并且提供了二次開發(fā)接口和工具，便于用戶實現(xiàn)自己定制化的功能，使得本文所設(shè)計系統(tǒng)的功能得以在實驗環(huán)境中實現(xiàn)。

實驗測試所需的840D sl數(shù)控系統(tǒng)須具備模擬量輸入接口、二次開發(fā)權(quán)限、同步程序開發(fā)權(quán)限以及OPC UA通信接口等，具體選用配置如表2所示。

2? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文研究的基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)軟件部分可分為測厚控制器軟件、數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)軟件和算法程序，三個模塊相互配合完成工件壁厚的實時補償加工，具體架構(gòu)如圖4所示。

2.1? ? 測厚控制器軟件設(shè)計

實時測厚控制器軟件運行于獨立的高配置工控機中，向下與測厚板卡通信，向上與西門子數(shù)控系統(tǒng)840D sl通信，均采用TCP/IP通信。

本軟件采用C++編程語言和Qt界面框架進行編程，可以提高程序的用戶操作響應(yīng)速度。IDE采用美國微軟公司出品的Visual Studio和Qt公司的Qt Designer，這些工具僅在技術(shù)驗證中臨時使用。

本軟件界面基于Qt的界面框架，加入新增的主界面，各個子頁面作為派生類實現(xiàn)，相關(guān)功能實現(xiàn)在對應(yīng)的函數(shù)中，軟件的類模型圖如圖5所示。

本軟件具備實時厚度數(shù)值顯示、厚度波形圖顯示、測厚板卡參數(shù)管理、西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)顯示與設(shè)置、工藝參數(shù)管理、權(quán)限管理、日志管理、注冊機制等功能，用戶主要使用的功能顯示在進入軟件后的默認界面，默認界面為主界面，主界面設(shè)計如圖6所示。

本軟件具備對外數(shù)據(jù)接口，采用UDP/TCP通信方式對外發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)采用16進制編碼，通信報文格式如表3所示。

其中：

報文頭：報文起始，表示報文一幀數(shù)據(jù)的開始。

事務(wù)處理標識符：無特殊含義，每次發(fā)送數(shù)據(jù)自增計數(shù)。

協(xié)議類型：使用UDP/TCP默認為0。

數(shù)據(jù)：最大包含25個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)占2個字節(jié)。

檢校碼：對全幀數(shù)據(jù)進行奇偶檢校碼計算，用3個字節(jié)進行存儲。

預(yù)留：發(fā)送數(shù)據(jù)不做處理，默認為0;接收數(shù)據(jù)時表示接收數(shù)據(jù)長度。

報文結(jié)束標識符：報文結(jié)束標志。

2.2? ? 數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)軟件設(shè)計

數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)軟件基于西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)框架，采用C++編程語言和Qt界面框架進行開發(fā)，程序調(diào)用的數(shù)控系統(tǒng)接口函數(shù)由數(shù)控系統(tǒng)官方實現(xiàn)，這些工具和接口僅在技術(shù)驗證中臨時使用。

西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)分為上位機PCU、下位機NCU和PLC等模塊，各模塊的數(shù)據(jù)彼此間已打通，通過二次開發(fā)包的數(shù)據(jù)接口即可讀取和寫入，可實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部邏輯參數(shù)的讀寫、顯示，顯示界面如圖7所示。

本文設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)軟件由多個界面實現(xiàn)，分別實現(xiàn)實時厚度數(shù)據(jù)及波形的顯示、壁厚補償過程數(shù)據(jù)的顯示、壁厚補償模塊的參數(shù)設(shè)定及加工測試過程中的數(shù)據(jù)采集功能。其中，數(shù)據(jù)采集功能是實現(xiàn)的重點，既要求采集功能的啟停由用戶手動操作，還要實現(xiàn)通過NC編程調(diào)用指令自動實現(xiàn)，實現(xiàn)方法是采用R變量控制，NC通過對R變量賦值來告訴二次開發(fā)軟件當前數(shù)據(jù)采集功能的啟停狀態(tài)，二次開發(fā)軟件讀到狀態(tài)后執(zhí)行相應(yīng)的動作。

本文開發(fā)的二次開發(fā)軟件涉及西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)的多個參數(shù)變量，變量有多個類型，其中：$A_Dxx為同步程序、C++中可用的跨通道參數(shù)區(qū);$Rxx為通道內(nèi)可用、NC與同步程序共用、統(tǒng)一管理的參數(shù)區(qū);VVx為NC層次上跨通道的參數(shù)區(qū)，不可在同步程序中使用;$AC_PARAM為單通道、同步程序?qū)Ｓ门R時變量區(qū);$AC_MARKER為單通道、同步程序?qū)Ｓ门R時變量區(qū)，只能是整數(shù)類型，常用于做索引[5]。C++編碼中使用參數(shù)時采用尋址模式，將上述變量的具體地址傳給二次開發(fā)參數(shù)讀寫函數(shù)，進而進行數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的讀寫，C++編程中用到的參數(shù)地址類似于"/Channel/Parameter/R[u1，100]"。

本文設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)軟件使用的C++變量地址如表4所示。

其中，點激光傳感器用于測量工件表面到水浸超聲測頭表面的距離，壓力閉環(huán)控制主要是為了防止水浸超聲測頭與工件碰撞，各軸坐標采集用于分析工件壁厚控制精度誤差的來源。

2.3? ? 實時壁厚補償算法設(shè)計

實時壁厚補償算法是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心，它接收測厚和數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)流的輸入，經(jīng)過計算處理，輸出數(shù)控系統(tǒng)補償軸的控制量，同時對補償過程中的各類異常進行監(jiān)控和處理，防止工件被銑壞。壁厚補償算法處理的數(shù)據(jù)流如圖8所示。

實時壁厚補償算法采用閉環(huán)控制PID算法，PID算法是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的反饋控制算法，它主要通過比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）三個環(huán)節(jié)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制效果，PID算法因其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]。該算法的優(yōu)點是每次計算出的W1補償軸動作量較小，且不容易出現(xiàn)補償量突變，并能快速收斂使得壁厚始終保持在目標厚度附近，公式如下：

u（k）=Kp×e（k）+Ki×e（i）+Kd×[e（k）-e（k-1）]（1）

PID算法在西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)的同步程序中實現(xiàn)，子程序CALPID中的實現(xiàn)代碼行如下：

$AC_PARAM[114]=$AC_PARAM[118]+$AC_PARAM[121]*（$AC_PARAM[101]-$AC_PARAM[102]）+$AC_PARAM[122]*（$AC_PARAM[102]+$AC_PARAM[124]*（$AC_PARAM[101]-$AC_PARAM[102]））+$AC_PARAM[123]*（$AC_PARAM[101]-2*$AC_PARAM[102]+$AC_PARAM[103]）

其中，$AC_PARAM[114]為最終計算出的補償量，$AC_PARAM[124]為變速積分參數(shù)，用以實現(xiàn)更平緩的補償量輸出。

變速積分參數(shù)計算公式如下[7]：

f（k）=0，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?e（k）>0.1，

（0.1-|e（k）|）/0.04，0.06

1，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?e（k）≤0.06（2）

變速積分算法對應(yīng)在同步程序CALPID中的實現(xiàn)代碼如下：

IF（ABS（$AC_PARAM[101]）>0.1）

$AC_PARAM[124]=0.0

ENDIF

IF（ABS（$AC_PARAM[101]）>0.06）AND（ABS（$AC_PARAM[101]）<=0.1）

$AC_PARAM[124]=（0.1-ABS（$AC_PARAM[101]））/0.04

ENDIF

IF（ABS（$AC_PARAM[101]）<=0.06）

$AC_PARAM[124]=1.0

ENDIF

實時壁厚補償算法采用西門子數(shù)控系統(tǒng)的NC同步程序開發(fā)，實現(xiàn)多個功能模塊，分別負責數(shù)據(jù)計算、壁厚補償和安全防護，各同步程序可以在NC編程時通過指令的形式調(diào)用，指令表如表5所示，每一個人都可以在NC編程時方便地調(diào)用。

3? ? 實驗機床設(shè)計

本文設(shè)計的基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)需要在機床上進行測試，為此筆者基于數(shù)控五軸加工機床，搭建了相應(yīng)的測試環(huán)境。測試機床包括五軸銑削頭和支撐頭，有超聲測厚耦合劑供應(yīng)系統(tǒng)，支撐頭集成了超聲測厚探頭，機床采用西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)進行控制，測試環(huán)境如圖9所示。

用于測試壁厚補償?shù)墓ぜ捎?075鋁合金平板，尺寸為：2 000 mm×1 000 mm×2 mm;耦合劑采用甘油;刀具采用D16R1的硬質(zhì)合金刀具，加工刀具如圖10所示。

4? ? 實驗驗證

對上述設(shè)計的基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)進行系統(tǒng)性驗證實驗，實驗環(huán)境參數(shù)如表6所示。

具體實驗步驟如下：

首先，通過工件特征理論模型生成實驗加工刀路。

然后，將NC刀路導入西門子數(shù)控系統(tǒng)中，啟動自動加工進行工件壁厚銑削，銑削過程中開啟本文設(shè)計的壁厚實時補償系統(tǒng)，并在加工過程中開啟數(shù)據(jù)采集。

最后，在加工結(jié)束時，停止數(shù)據(jù)采集，將采集數(shù)據(jù)導出用于分析，采集數(shù)據(jù)格式如圖11所示。

通過對采集的實時壁厚、目標壁厚的波形曲線以及機床坐標位置進行分析，得出本文設(shè)計的補償系統(tǒng)的控制效果。經(jīng)驗證，本文設(shè)計的基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)完全勝任工件壁厚的補償任務(wù)，可以實時對工件壁厚進行閉環(huán)控制，使得工件壁厚穩(wěn)定在目標壁厚附近，壁厚公差可以達到±0.2 mm。圖12是加工完成后的工件，圖13是測量目標厚度為2 mm工件的壁厚分布圖。

5? ? 結(jié)束語

本研究旨在深入探討基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)原理及實現(xiàn)方案，以期提高壁厚加工精度、優(yōu)化加工效率，并適應(yīng)航空航天薄壁工件智能制造的發(fā)展需求。通過對現(xiàn)有技術(shù)的梳理與分析，本文揭示了當前超聲測厚技術(shù)在工件壁厚加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀，但仍需看到該技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是壁厚實時補償加工精度的提升以及加工效率的提高。

展望未來，隨著材料科學、電子技術(shù)以及人工智能等領(lǐng)域的不斷進步，基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)將迎來更廣闊的發(fā)展空間。通過跨學科的融合與創(chuàng)新，該系統(tǒng)有望實現(xiàn)更高的測量精度、更快的加工效率、更強的環(huán)境適應(yīng)性以及更優(yōu)的系統(tǒng)集成度，為航空航天薄壁工件智能制造時代下的精密加工提供強有力的技術(shù)支持。

綜上所述，基于超聲測厚的工件壁厚實時補償加工系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，不僅是工業(yè)加工領(lǐng)域的一項重要技術(shù)創(chuàng)新，也是推動航空航天薄壁工件制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵手段。通過不斷的技術(shù)革新與深入研究，我們有理由相信，該系統(tǒng)將在未來的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更加重要的作用，為實現(xiàn)高效、精準、智能的航空航天薄壁工件制造目標做出積極貢獻。

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作者簡介：姚彬（1985—），男，安徽霍邱人，工程師，研究方向：電控系統(tǒng)開發(fā)。