箱體件超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙宏文

(山西焦煤集團(tuán) 機(jī)械電氣有限公司，山西 太原 030024)

無(wú)損檢測(cè)簡(jiǎn)稱為NDT，它是指在不破壞和不損傷被檢測(cè)物體物理結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)其性能、質(zhì)量、有無(wú)內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)的一種技術(shù)。目前，常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要有超聲檢測(cè)、射線探傷、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和渦流檢測(cè)等5種。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)分支學(xué)科，是應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲無(wú)損探傷的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害、能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。對(duì)于保證箱體件的質(zhì)量起主要作用，超聲檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)^大多數(shù)箱體產(chǎn)品進(jìn)行全面的無(wú)損檢測(cè),確保其質(zhì)量和檢測(cè)的可靠性[1]. 但是，超聲無(wú)損探傷對(duì)缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主客觀因素影響，對(duì)被測(cè)表面要求平整等，使超聲探傷具有局限性[2-3].

1 超聲無(wú)損檢測(cè)原理

1.1 超聲檢測(cè)物理模型

超聲探傷的實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)，其頻率高于20 kHz. 發(fā)射頻率f、波長(zhǎng)λ和聲速c滿足式[2]：

(1)

當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)的分界面時(shí)，可能發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。垂直于被測(cè)工件入射時(shí)，聲壓反射系數(shù)：

(2)

聲壓透射系數(shù)：

(3)

式中，pc、pr、pt分別表示入射波、反射波和透射波的聲壓；z1、z2分別表示兩種不同介質(zhì)的聲阻抗。

超聲探傷的工作過(guò)程為：檢測(cè)探頭發(fā)射出超聲波，通過(guò)耦合劑進(jìn)入被檢工件，假定臨界面為工件入射面，正方向?yàn)槌暟l(fā)射方向，在超聲的傳播方向上某點(diǎn)的波動(dòng)方程可用下式表示[4-5]：

pi(x,t)=∑pi0ej(wt-kx)

(4)

式中，pi0表示超聲波幅值；i表示材料中沿超聲波傳播方向上的第i個(gè)點(diǎn)；k表示波數(shù)，大小等于w/c；w表示角頻率；c表示超聲波在材料中的傳播速度。

1.2 脈沖反射法

超聲檢測(cè)脈沖反射法的原理見(jiàn)圖1，超聲波在被檢測(cè)工件內(nèi)部傳播過(guò)程中，如果遇到不同介質(zhì)的界面，聲波信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，反射信號(hào)的功率與介質(zhì)的反射率有關(guān)。聲波的反射率計(jì)算公式[6]：

(5)

式中，z1為入射方的介質(zhì)聲阻抗，z1=p1c1，p1為入射方的介質(zhì)密度，c1為超聲波在入射介質(zhì)中的速度大?。粃2為反射方的介質(zhì)聲阻抗，z2=p2c2，p2為反射方的介質(zhì)密度，c2為超聲波在反射介質(zhì)中的速度大小。

圖1 超聲檢測(cè)脈沖反射法原理圖

如圖1所示，當(dāng)被檢測(cè)工件沒(méi)有缺陷時(shí)，沒(méi)有缺陷回波；當(dāng)被檢測(cè)工件有小缺陷時(shí)，在底波和始波之間會(huì)出現(xiàn)缺陷波，該回波的幅值與缺陷的大小有關(guān)；當(dāng)被檢測(cè)工件中缺陷大于超聲波束寬度時(shí)，只顯示始波和缺陷波。此外，采用脈沖反射法對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)只需要檢測(cè)一個(gè)側(cè)面就可以完成測(cè)試，超聲檢測(cè)靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲的定位和缺陷大小的判斷。

2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

箱體類零件超聲檢測(cè)設(shè)備的總體方案設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2，該設(shè)備與五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床類似，各坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系要使檢測(cè)探頭與被檢測(cè)的箱體零件之間實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)探頭對(duì)零件任何一個(gè)表面的檢測(cè)。選擇在該設(shè)備X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上加上兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。由于移動(dòng)龍門框架的造價(jià)低,容易制造生產(chǎn)，選取移動(dòng)龍門框架為工作臺(tái)基礎(chǔ)框架。工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，整機(jī)長(zhǎng)度必須兩倍于縱向行程長(zhǎng)度，而移動(dòng)式龍門設(shè)備的整機(jī)長(zhǎng)度只需縱向行程加上龍門架側(cè)面寬度即可。

圖2 箱體類零件超聲檢測(cè)設(shè)備的總體方案設(shè)計(jì)示意圖

2.1 探頭及轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)

探頭部分的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，檢測(cè)探頭需要完成兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即A軸傳動(dòng)和C軸傳動(dòng)。為使該設(shè)備具有自動(dòng)更換檢測(cè)探頭的功能，此次設(shè)計(jì)將6個(gè)不同的探頭安裝位置設(shè)計(jì)在一個(gè)六邊形轉(zhuǎn)盤中，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)可以同時(shí)完成探頭的更換與檢測(cè)過(guò)程中探頭的擺動(dòng)，見(jiàn)圖4.

圖3 探頭部分總體設(shè)計(jì)示意圖

圖4 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 工作臺(tái)與水箱的設(shè)計(jì)

由于超聲波信號(hào)在空氣中衰減嚴(yán)重，超聲檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)的檢測(cè)過(guò)程在水箱中進(jìn)行。整個(gè)水箱采用3 mm厚的304不銹鋼鋼板焊接而成，并將工作臺(tái)放置于水箱中，見(jiàn)圖5.

圖5 工作臺(tái)與水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.3進(jìn)給傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)

由于三軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都由帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制，所以都屬于伺服系統(tǒng)，主要包括X、Y、Z三軸直線滑臺(tái)選型及設(shè)計(jì)。根據(jù)直線滑臺(tái)垂直方向的最大承重和行程要求，分別在X、Y、Z三軸直線滑臺(tái)上選擇臺(tái)東佑達(dá)自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)螺桿滑臺(tái)，型號(hào)ETL22-50A38-2115-A-C4、ETH17-L5-750 -BC-T75B -C4、ETH22-L5-1250-M-T75B-C4.

3 檢測(cè)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

3.1 超聲檢測(cè)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

以被檢測(cè)工件的實(shí)際情況、檢測(cè)所需達(dá)到的要求和檢測(cè)條件為依據(jù)，初步確定該檢測(cè)系統(tǒng)的5個(gè)部分：超聲檢測(cè)子系統(tǒng)，機(jī)械掃描及其控制子系統(tǒng)，超聲檢測(cè)信號(hào)處理子系統(tǒng)，檢測(cè)操作子系統(tǒng)，系統(tǒng)校準(zhǔn)試件。系統(tǒng)組成框圖見(jiàn)圖6.

圖6 超聲檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

在該檢測(cè)系統(tǒng)中，主要實(shí)現(xiàn)探頭的掃描運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可以仿照五軸加工中心，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，控制完成運(yùn)動(dòng)。箱體類零件缺陷超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖7. 由圖7可知，該控制系統(tǒng)需要控制5個(gè)軸，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，使得探頭能夠完成箱體件的掃描運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械掃描過(guò)程中，必須注意檢測(cè)頻率與探頭移動(dòng)速度的配合，確保每個(gè)超聲脈沖對(duì)整個(gè)箱體面進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)檢測(cè)頻率為f，探頭移動(dòng)速度為V，箱體長(zhǎng)度為L(zhǎng)， 長(zhǎng)度方向檢測(cè)點(diǎn)數(shù)為N. 則長(zhǎng)度L=V×(N/f)，即要求V=(Lf)/N.

圖7 箱體類零件缺陷超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.2 控制卡硬件結(jié)構(gòu)組成

控制系統(tǒng)中單片機(jī)控制卡是核心部分，它有著控制和協(xié)調(diào)各單元共同工作的作用。因此，該部分的硬件設(shè)計(jì)是重要。單片機(jī)控制卡結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖8.

圖8 單片機(jī)控制卡結(jié)構(gòu)圖

如圖8所示，控制卡需要控制和協(xié)調(diào)A/D采集卡的采集頻率信號(hào)、探傷儀的探頭發(fā)射脈沖和接收脈沖、接收傳感器信號(hào)、切換探頭與上位機(jī)通訊等?？刂瓶üδ苄枨螅寒a(chǎn)生有一定延時(shí)的脈沖信號(hào)，控制A/D采集卡，且延遲時(shí)間在一定范圍內(nèi)可調(diào)；使用單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘作為超聲發(fā)射和接收的觸發(fā)信號(hào)；存儲(chǔ)檢測(cè)過(guò)程中的相關(guān)信息；與上位機(jī)通信完成協(xié)調(diào)工作；運(yùn)行監(jiān)控。在整個(gè)控制過(guò)程中，下位機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，需要向上位機(jī)進(jìn)行故障報(bào)告。

4 超聲檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波的波長(zhǎng)長(zhǎng)，能量衰減小；反之，波長(zhǎng)短，則能量衰減大，并且縱波波長(zhǎng)約為橫波波長(zhǎng)的兩倍，因此，采用縱波完成對(duì)工件的超聲無(wú)損檢測(cè)探傷。常檢測(cè)的材料為金屬鑄件，因此，以6種不同材料的箱體為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選擇相關(guān)的6種探頭進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件及試樣進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，利用示波器對(duì)檢測(cè)信號(hào)完成顯示與存儲(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)顯示并處理。

該實(shí)驗(yàn)可對(duì)不同材料的箱體進(jìn)行探傷，根據(jù)材料的不同會(huì)對(duì)探頭進(jìn)行選擇，使得探傷效果更為精確。

5 結(jié) 語(yǔ)

介紹了超聲檢測(cè)的原理和方法，提出了一個(gè)可實(shí)施性高、設(shè)計(jì)步驟詳細(xì)的無(wú)損檢測(cè)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方案，為實(shí)際檢測(cè)需要的場(chǎng)合提供了更多選擇。