環(huán)形工件自動化超聲C掃描設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

□ 季建華 □ 達(dá) 剛

1.江蘇城市職業(yè)學(xué)院南通點(diǎn) 江蘇南通 226006 2.南通銀河測控技術(shù)開發(fā)有限公司 江蘇南通 226006

1 設(shè)計(jì)背景

大中型軸承的內(nèi)外圈等環(huán)形工件的無損檢測方法主要有便攜機(jī)手動檢測和自動化檢測兩種。手動檢測方便靈活,但對于批量生產(chǎn)來說,效率低,勞動強(qiáng)度大,還容易因人為因素產(chǎn)生誤判。超聲C掃描來源于英文Constant Depth Scanning,系統(tǒng)工作原理是使用計(jì)算機(jī)控制超聲換能器在工件上縱橫交替掃描,將特定探測范圍內(nèi)的反射波強(qiáng)度以輝度的形式連續(xù)顯示出來,通過顯示器顯示出工件內(nèi)部缺陷橫截面圖形。

環(huán)形工件如圖1所示,筆者對此設(shè)計(jì)了一套自動化無損檢測設(shè)備,結(jié)合自動化技術(shù)與超聲C掃描的原理,完成對此類環(huán)形工件內(nèi)部缺陷的無損檢測。

▲圖1 環(huán)形工件▲圖2 設(shè)備工作流程

設(shè)備主要功能是檢測平臺能自動上升至吊裝區(qū),將環(huán)形工件吊裝完成后,能實(shí)現(xiàn)工件的定位與裝夾。檢測平臺下降至工作表面處,工件圍繞軸線旋轉(zhuǎn),觀察定位安裝是否正常。檢測探頭開始動作,運(yùn)動到設(shè)定位置,工件開始旋轉(zhuǎn)兩三圈。檢測完成后,系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)給出信號,生成檢測結(jié)果。探頭上升回到初始位置,檢測平臺上升至吊裝高度,夾緊裝置松開,根據(jù)檢測結(jié)果將工件吊裝至對應(yīng)的碼垛區(qū)域。設(shè)備工作流程如圖2所示。

2 水浸法超聲檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)

完成大中型環(huán)形工件探傷,一般可選擇水磨法或水浸法。采用水磨法探傷,由于工件直徑較大,檢測過程中探頭與工件接觸時(shí)間較長,在力的作用下,探頭易產(chǎn)生磨損。探頭屬于檢測裝置的核心零件,磨損后會直接影響探傷精度和準(zhǔn)確性。并且環(huán)形工件存水包的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,探頭部分結(jié)構(gòu)臃腫,運(yùn)動穩(wěn)定性差,對探傷精度影響較大。采用水浸法探傷,探頭結(jié)構(gòu)輕巧,動作靈敏準(zhǔn)確,在探測過程中探頭與工件不接觸,沒有摩擦運(yùn)動,不會造成探頭磨損,探頭使用壽命長。采用水浸法的缺陷是工件需浸泡在水下,回轉(zhuǎn)和夾緊機(jī)構(gòu)也在水下工作。權(quán)衡利弊并經(jīng)過測算,兩種方法相較而言,水浸法超聲自動檢測環(huán)形工件,在設(shè)備檢測精度及經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等方面都要比水磨法好。根據(jù)環(huán)形工件設(shè)計(jì)的水浸法超聲檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 水浸法超聲檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)

水箱設(shè)計(jì)留有維護(hù)窗口,可以觀察水下運(yùn)動情況,打開后還能為后期設(shè)備維護(hù)留有足夠空間。探頭運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)聯(lián)動,探頭結(jié)構(gòu)輕巧,定位準(zhǔn)確迅速。升降機(jī)構(gòu)采用雙動力系統(tǒng),確保升降動力均衡穩(wěn)定。定位機(jī)構(gòu)采用三爪自定心設(shè)計(jì),定位準(zhǔn)確,夾緊牢靠?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置有周向支撐導(dǎo)輪,能確保檢測平臺運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,噪聲低。設(shè)備機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)軸數(shù)總計(jì)達(dá)7軸,X軸移動模組、Y軸移動模組、Z軸移動模組結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)對探測探頭三軸方向的調(diào)節(jié)。通過探頭架周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)對探測探頭探測角度的調(diào)節(jié)。通過平臺升降模組,可以實(shí)現(xiàn)對平臺高度的調(diào)節(jié)。通過平臺旋轉(zhuǎn)模組,可以實(shí)現(xiàn)對平臺轉(zhuǎn)動的調(diào)節(jié)。

3 升降機(jī)構(gòu)

設(shè)備正常檢測時(shí),環(huán)形工件表面及探頭需浸沒在水下。為方便受檢產(chǎn)品的安裝,設(shè)計(jì)了一套升降機(jī)構(gòu)。工作中,由升降機(jī)構(gòu)帶動檢測平臺上升到水箱以上。吊裝環(huán)形工件,定位夾緊后,升降機(jī)構(gòu)帶動檢測平臺下降沒入水下設(shè)定好的距離,然后停止。工作臺升降導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用四根對稱布置的圓柱光軸,升降傳動為兩套對稱布置的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)如圖4所示。

▲圖4 升降機(jī)構(gòu)

本套升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,安裝及維護(hù)方便快捷。升降系統(tǒng)的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高,經(jīng)濟(jì)性好。滾珠絲杠螺母副傳動精度高,配合伺服電機(jī),容易實(shí)現(xiàn)高度方向的高精度定位。對稱布置結(jié)構(gòu)及直線軸承的應(yīng)用,使系統(tǒng)升降傳動平穩(wěn),結(jié)構(gòu)剛性穩(wěn)固。由于采用雙電機(jī)驅(qū)動,帶來的技術(shù)難點(diǎn)是如何保證雙電機(jī)驅(qū)動的同步性。通過在電氣系統(tǒng)中運(yùn)用可編程序控制器控制聯(lián)調(diào),解決了雙電機(jī)的同步性問題。通過采用自鎖機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了檢測平臺在高度方向上任意位置的停機(jī)鎖定功能。

4 定位及夾緊機(jī)構(gòu)

環(huán)形工件以空心套筒為主,此類工件外圓均進(jìn)行了精加工或半精加工,外形為規(guī)則圓柱面,表面精度較高。這種類型的工件最適合采用三爪自定心機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)利用三爪自定心機(jī)構(gòu)的定位夾緊原理,設(shè)計(jì)了針對環(huán)形工件的專用夾爪,在定位、夾緊工件的同時(shí)保護(hù)工件表面不因夾緊而受損。夾爪的驅(qū)動方式巧妙地應(yīng)用齒輪傳動配合絲杠導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu),定位夾緊操作簡單,并支持手動夾緊和自動夾緊兩種模式,降低了用戶操作難度。定位及夾緊機(jī)構(gòu)如圖5所示。

▲圖5 定位及夾緊機(jī)構(gòu)

5 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

工件檢測過程是在水下完成的,當(dāng)檢測探頭定位后,工件需要繞軸線旋轉(zhuǎn)。整套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均浸沒于水下,防水防銹問題是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要解決的主要問題。另外是降速問題,如何將電機(jī)速度調(diào)整到符合工件檢測的旋轉(zhuǎn)速度,也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)中通過計(jì)算、模擬、試驗(yàn),最終確定采用不銹鋼材料制備水下傳動部件來解決防銹問題。采用水下電機(jī)驅(qū)動,解決電機(jī)防水問題。采用蝸輪蝸桿傳動配合齒輪傳動,實(shí)現(xiàn)傳動比的調(diào)節(jié),獲得合適的轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)束語

筆者對環(huán)形工作自動化超聲C掃描設(shè)備進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中探頭的動作實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)聯(lián)動控制,探頭支持周向調(diào)節(jié)及水平角度調(diào)節(jié),工件裝夾部分支持垂直方向任意位置精確停止及周向回轉(zhuǎn)運(yùn)動。設(shè)備整體運(yùn)動軸數(shù)達(dá)到7軸,自動化程度及檢測效率高。