CN107817299A - 一种环件自动化超声相控阵无损检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环件自动化超声相控阵无损检测方法及装置，该方法包括以下步骤：S1、将环件和超声相控阵探头均置于收集槽内，探头与环件外圆面之间设有一定提离距离；S2、检测环件近外圆面的内部缺陷：设置探头的聚焦深度为环件壁厚δ的一半，开始检测，环件绕其轴线每间隔一定时间Δt旋转一定角度α，每次旋转后重复检测，直至环件旋转一圈为止，然后超声相控阵探头沿环件轴向向下移动距离Δz，重复检测，直到超声相控阵探头移动到环件底部边缘为止；S3、检测环件近内孔面的内部缺陷：设置超声相控阵探头的聚焦深度为环件壁厚δ，其余同步骤S2，即完成环件的超声信号采集和记录。本发明能有效地检测出环件内部各个方向上的缺陷。

Description

一种环件自动化超声相控阵无损检测方法及装置

技术领域

本发明属于超声波无损检测技术领域，具体涉及一种环件自动化超声相控阵无损检测方法及装置，适用于各种尺寸环件的自动化检测。

背景技术

环件被广泛应用于机械、汽车、火车、船舶、石油化工、航空航天、发电等工业领域，主要包含有轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环等各类环件。近些年来，随着工业的发展，各行业对环件的需求量越来越大、性能要求也越来越高。环件在加工过程中容易出现裂纹、折叠、白点、缩孔、夹杂等缺陷，需要在环件成形后进行检测。目前环件的检测方法主要是在半精加工后进行人工超声波检测，利用直探头、斜探头、双晶探头对环件的端面和外圆面进行人工检测。然而，人工检测存在很多局限性和缺点，越来越不能满足环件生产的速度和精度要求。因此环锻厂迫切地希望引入超声波自动化检测系统来检测环件的质量。

目前超声波自动化检测系统在环件质量的无损检测中应用甚少，其研究主要集中在水浸B扫描和C扫描自动检测系统，根据探头的声束直径，规定相应的扫描步进量，进行自动成像检测。但存在的问题是，无论采取直探头亦或是聚焦探头，其声束传播方向均垂直于环件端面或外圆面，而环件内部缺陷并无方向性，当缺陷的延伸方向与声束的传播方向不一致，尤其是形成45°夹角时，直探头或聚焦探头的检测精度会有所下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环件自动化超声相控阵无损检测方法及装置，它能实现环件超声自动化无损检测，可以有效地检测出环件内部各个方向上的缺陷，并保证检测的高效率和高精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种环件自动化超声相控阵无损检测方法，包括以下步骤：

S1、将环件和超声相控阵探头均置于装有耦合剂的收集槽内，环件可绕其自身轴线旋转，超声相控阵探头可沿环件轴向做直线运动，超声相控阵探头的初始位置位于环件外圆面上方边缘，超声相控阵探头与环件外圆面之间设有一定提离距离，超声相控阵探头与一超声相控阵检测仪连接，所述超声相控阵检测仪与一工控机连接；

S2、检测环件近外圆面的内部缺陷：

S201、设置超声相控阵探头的聚焦深度为环件壁厚δ的一半；

S202、超声相控阵检测仪根据探头类型和阵元数时序激励超声相控阵探头发射超声信号，在环件内部形成扇形扫查区，同时通过超声相控阵探头将接收到的超声反射回波信号传输给工控机，形成一段扇形扫查截面图，当环件内部存在缺陷时，超声反射回波在缺陷处形成缺陷回波，根据缺陷回波的位置和幅值可以确定缺陷的深度和尺寸，并将缺陷的深度和尺寸反应在工控机的扇形扫查截面图中；

S203、环件绕其轴线每间隔一定时间Δt旋转一定角度α，每次旋转后重复步骤S202，直至环件旋转一圈为止；

S204、超声相控阵探头沿环件轴向向下移动距离Δz，50％S≤Δz≤85％S，S为超声相控阵探头的覆盖区宽度，重复步骤S202和步骤S203，直到超声相控阵探头移动到环件底部边缘为止；

S3、检测环件近内孔面的内部缺陷：设置超声相控阵探头的聚焦深度为环件壁厚δ，重复步骤S202-S204，即完成环件的超声信号采集和记录。

按上述技术方案，步骤S1中，超声相控阵探头与环件外圆面之间的提离距离为2～3mm。

按上述技术方案，骤S203中，Δt为0.02s，α为0.5°～1°。

按上述技术方案，所述超声相控阵探头为角度声束超声相控阵探头，其聚焦类型为扇形，聚焦方式为真实深度，波型为横波，角度声束探头的最小角度θ₁为30°～40°、最大角度θ₂为50°～65°。

相应的，本发明还提供一种用于实现上述环件自动化超声相控阵无损检测方法的环件自动化超声相控阵无损检测装置，包括装有耦合剂的收集槽、设置在所述收集槽内的回转检测平台、驱动所述回转检测平台绕其自身轴线旋转的R轴伺服电机、z轴线性模组、驱动所述z轴线性模组沿回转检测平台轴向移动的z轴伺服电机、安装在所述z轴线性模组上的超声相控阵探头、与所述超声相控阵探头连接的超声相控阵检测仪、与所述超声相控阵检测仪连接的工控机以及与所述工控机连接的控制柜，所述控制柜与R轴伺服电机和z轴伺服电机连接，环件同轴向固定设置在回转检测平台上，所述超声相控阵探头的初始位置位于环件外圆面上方边缘，超声相控阵探头与环件外圆面之间设有一定提离距离。

按上述技术方案，该装置还包括x轴线性模组、y轴线性模组、x轴伺服电机和y轴伺服电机，所述x轴伺服电机和y轴伺服电机分别与控制柜连接，所述x轴伺服电机用于驱动y轴线性模组在x轴线性模组上做横向移动，所述y轴伺服电机用于驱动z轴线性模组在y轴线性模组上做纵向移动，所述横向和纵向相互垂直且构成的平面与回转检测平台的轴线垂直。

按上述技术方案，该装置还包括噪声滤波器，所述噪声滤波器设置在控制柜与所有伺服电机之间。

按上述技术方案，所述回转检测平台上设置用于固定环件的三爪卡盘。

按上述技术方案，所述z轴线性模组上设置有用于安装超声相控阵探头的探头夹具。

按上述技术方案，所述耦合剂为水。

本发明，具有以下有益效果：本发明采用超声相控阵探头在环件外圆面对环件进行扇形扫查，同一高度只用聚焦两次不同深度即可，第一次聚焦深度为环件壁厚的一半，主要检测近外圆面环件内部缺陷，第二次聚焦深度为环件的厚度，主要检测近内孔面环件内部缺陷，探头只需在环件轴向移动即可。本发明实现环件超声自动化无损检测，能有效地检测出环件内部各个方向上的缺陷，并保证检测的高效率和高精度。环件内部缺陷并无方向性，当缺陷的延伸方向与声束的传播方向不一致，尤其是倾斜角为45°的缺陷，采用本发明形成扇形扫查区，与法相夹角的方向上均有声波传播，当缺陷存在方向性时，总有与缺陷延伸方向一致的发射波，可使得缺陷反射波沿原路径返回，并被探头所接收，能利用锻件缺陷回波相关公式精确计算缺陷的尺寸和位置，大大提高检测精度，降低漏检率，本发明能有效检测出倾斜角为45°的平底孔缺陷。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中环件自动化超声相控阵无损检测装置的结构示意图；

图2是本发明的超声相控阵扫查原理示意图；

图3是本发明中探头位移示意图；

图4是本发明在检测倾斜角为45°的平底孔缺陷时的原理图。

图中：1-机架、2-y轴线性模组、3-z轴线性模组、4-x轴线性模组、5-X轴伺服电机、6-噪声滤波器、7-控制柜、8-工控机、9-超声相控阵检测仪、10-探头夹具、11-超声相控阵探头、12-环件、13-R轴伺服电机、14-回转检测平台、15-三爪卡盘、16-收集槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的较佳实施例中，如图1-图3所示，一种环件自动化超声相控阵无损检测方法，包括以下步骤：

S1、将环件12和超声相控阵探头11均置于装有耦合剂的收集槽16内，环件12可绕其自身轴线旋转，超声相控阵探头11可沿环件12轴向做直线运动，超声相控阵探头11的初始位置位于环件12外圆面上方边缘，超声相控阵探头11与环件12外圆面之间设有一定提离距离，超声相控阵探头11与一超声相控阵检测仪9连接，超声相控阵检测仪9与一工控机8连接；

S2、检测环件12近外圆面的内部缺陷：

S201、设置超声相控阵探头11的聚焦深度为环件12壁厚δ的一半；

S202、超声相控阵检测仪9根据探头类型和阵元数时序激励超声相控阵探头11发射超声信号，在环件12内部形成扇形扫查区，同时通过超声相控阵探头11将接收到的超声反射回波信号传输给工控机8，形成一段扇形扫查截面图，当环件12内部存在缺陷时，超声反射回波在缺陷处形成缺陷回波，根据缺陷回波的位置和幅值可以确定缺陷的深度和尺寸，并将缺陷的深度和尺寸反应在工控机8的扇形扫查截面图中；

S203、环件12绕其轴线每间隔一定时间Δt旋转一定角度α，每次旋转后重复步骤S202，直至环件12旋转一圈为止；

S204、超声相控阵探头11沿环件12轴向向下移动距离Δz，50％S≤Δz≤85％S，S为超声相控阵探头11的覆盖区宽度，重复步骤S202和步骤S203，直到超声相控阵探头11移动到环件12底部边缘为止；

S3、检测环件12近内孔面的内部缺陷：设置超声相控阵探头11的聚焦深度为环件12壁厚δ，重复步骤S202-S204，即完成环件12的超声信号采集和记录。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，步骤S1中，超声相控阵探头11与环件12外圆面之间的提离距离为2～3mm。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，骤S203中，Δt为0.02s，α为0.5°～1°。

在本发明的优选实施例中，如图2所示，超声相控阵探头11为角度声束超声相控阵探头11，并配有角度声束探头用楔块。角度声束超声相控阵探头的聚焦类型为扇形，聚焦方式为真实深度，波型为横波，角度声束探头的最小角度θ₁为30°～40°、最大角度θ₂为50°～65°。本发明采用角度声束相控阵探头，其发射的超声波为横波，扫查面为扇形，声束方向可变，在检测环件内与法相夹角θ₁～θ₂的方向上均有声波传播，如图4所示，能有效检测出直径为1mm、倾斜角为45°的平底孔缺陷。

相应的，本发明还提供一种环件自动化超声相控阵无损检测装置，如图1所示，包括装有耦合剂的收集槽16、设置在收集槽16内的回转检测平台14、驱动回转检测平台14绕其自身轴线旋转的R轴伺服电机13、z轴线性模组3、驱动z轴线性模组3沿回转检测平台14轴向移动的z轴伺服电机、安装在z轴线性模组3上的超声相控阵探头11、与超声相控阵探头11连接的超声相控阵检测仪9、与超声相控阵检测仪9连接的工控机8以及与工控机8连接的控制柜7，控制柜7与R轴伺服电机13和z轴伺服电机连接，环件12同轴向固定设置在回转检测平台14上，超声相控阵探头11的初始位置位于环件12外圆面上方边缘，超声相控阵探头11与环件12外圆面之间设有一定提离距离。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，该装置还包括x轴线性模组4、y轴线性模组2、X轴伺服电机5和y轴伺服电机，X轴伺服电机5和y轴伺服电机分别与控制柜7连接，X轴伺服电机5用于驱动y轴线性模组2在x轴线性模组4上做横向移动，y轴伺服电机用于驱动z轴线性模组3在y轴线性模组2上做纵向移动，横向和纵向相互垂直且构成的平面与回转检测平台14的轴线垂直。本实施例中，x轴线性模组和y轴线性模组均安装在机架1上，z轴线性模组安装在y轴线性模组上。本实施例中，环件的转速根据检测仪的重复采样频率确定，步进距离根据声束覆盖面积确定，能大大提高检测效率。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，该装置还包括噪声滤波器6，噪声滤波器6设置在控制柜7与所有伺服电机之间，用于消除伺服电机产生的噪声对超声波检测结果的影响。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，回转检测平台14上设置用于固定环件12的三爪卡盘15。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，z轴线性模组3上设置有用于安装超声相控阵探头11的探头夹具10。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，耦合剂为水。

本发明在安装时，如图1所示，回转检测平台位于收集槽上方，被检测的环件位于回转检测平台的上表面上，通过三爪卡盘固定；回转检测平台通过电缆与R轴伺服电机、控制柜、工控机连接，控制并驱动环件旋转；超声相控阵探头固定在探头夹具上，通过专有的相控阵连接线与超声相控阵检测仪连接；超声相控阵检测仪与工控机通过工业以太网传输数据；探头夹具固定在z轴线性模组的移动单元上，可以沿z轴垂直运动，同时z轴可以沿x轴和y轴水平移动，从而实现探头在x轴、y轴和z轴上的三维运动；线性模组安装在机架上，通过电缆与伺服电机、控制柜、工控机连接，控制并驱动超声相控阵探头移动；噪声滤波器通过电缆与伺服电机和控制柜连接。

本发明在检测环件时，包括以下步骤：

1、初始化装置：通过调节线性模组将装置与待测环件进行匹配定位，将超声相控阵探头放置在环件外圆上方边缘，作为初始位置，并在环件上标记探头初始位置(即零刻线)，向耦合水收集槽中注水直至水面覆盖探头；

2、设置检测参数：启动超声相控阵检测仪，设置聚焦类型为扇形、聚焦方式为真实深度、波型为横波、探头频率为f、阵元数为n，再根据环件的尺寸，包括外径D、壁厚δ、高度h，确定角度声束探头的最小角度θ₁和最大角度θ₂，一般30°≤θ₁≤40°、50°≤θ₂≤65°；

3、采集并记录检测信号：

3.1、设置聚焦深度为δ/2，即环件壁厚的一半；

3.2、超声相控阵检测仪根据探头类型和阵元数时序激励超声探头发射超声信号，在环件内部形成扇形扫查区，同时通过超声探头将接收到的超声反射回波信号传输给工控机，形成一段扇形扫查截面图；

3.3、当环件内部存在缺陷时，超声反射回波会在缺陷处形成缺陷回波，根据缺陷回波的位置和幅值可以确定缺陷的深度和尺寸，并通过上位机软件将缺陷的深度和尺寸反应在工控机端扇形扫查截面图中；

3.4、通过R轴伺服电机控制回转检测平台驱动环件每隔0.02s旋转角度α，α＝0.5°～1°，重复步骤3.2～步骤3.3，直到回转检测平台驱动环件旋转一圈为止；

3.5、通过z轴伺服电机控制线性模组驱动超声相控阵探头沿环件高度方向移动距离Δz，移动方向指向环件底部，Δz根据超声相控阵探头的覆盖区宽度S确定，50％S≤Δz≤85％S，重复步骤3.2～步骤3.4，直到探头移动到环件底部边缘为止；

3.6、设置聚焦深度为δ，即环件的厚度，重复步骤3.2～步骤3.5，完成环件的超声信号采集和记录；

3.7、根据环件旋转角度、探头轴向移动距离、缺陷回波的位置和幅值可以确定缺陷在环件中的具体位置和尺寸，通过上位机软件在工控机中显示一幅完整的超声C扫图，检测耗时t＝0.02×(360/α)×([h/Δz]+1])×2；

4、保存检测结果：将环件超声相控阵无损检测结果保存在工控机中，显示为超声C扫图的形式，附带缺陷的位置和尺寸信息，并可获得每个缺陷的扇形扫查截面图。

本发明在对外径D＝826mm、壁厚δ＝124mm、高度h＝121mm的环件进行自动化超声相控阵检测时，按图1的连接关系安装好该装置，检测步骤包括：

1、初始化装置：通过调节线性模组将装置与待测环件进行匹配定位，将超声相控阵探头放置在环件外圆上方边缘，作为初始位置，并在环件上标记探头初始位置(即零刻线)，向耦合水收集槽中注水直至水面覆盖探头；

2、设置检测参数：启动超声相控阵检测仪，设置聚焦类型为扇形、聚焦方式为真实深度、波型为横波，超声相控阵探头的频率f、阵元数n、最小角度θ₁和最大角度θ₂根据环件的外径D、壁厚δ、高度h选取并设置，一般随着D、δ、h的增大，f减小，n增大，θ₁略微增大，θ₂减小，由于环件的外径为826mm、壁厚为124mm、高度为121mm，属于中小型环件，选取并设置超声相控阵探头的频率f为4MHz、阵元数n为16，设置角度声束的最小角度θ₁为35°、最大角度θ₂为60°；

3、采集并记录检测信号：

3.1、设置聚焦深度为环件壁厚的一半，即62mm；

3.2、超声相控阵检测仪根据探头类型和阵元数时序激励超声探头发射超声信号，如图2所示，在环件内部形成扇形扫查区，同时通过超声探头将接收到的超声反射回波信号传输给工控机，形成一段扇形扫查截面图；

3.3、当环件内部存在缺陷时，超声反射回波会在缺陷处形成缺陷回波，根据缺陷回波的位置和幅值可以确定缺陷的深度和尺寸，并通过上位机软件将缺陷的深度和尺寸反应在工控机端扇形扫查截面图中；

3.4、通过R轴伺服电机控制回转检测平台驱动环件每隔0.02s旋转角度α，α＝0.5°，重复步骤3.2～步骤3.3，直到回转检测平台驱动环件旋转一圈为止；

3.5、通过z轴伺服电机控制线性模组驱动超声相控阵探头沿环件高度方向移动距离Δz，移动方向指向环件底部，Δz根据超声相控阵探头的覆盖区宽度S确定，当超声相控阵探头的型号确定之后，其覆盖区宽度S即确定，S＝8mm，Δz＝5mm，重复步骤3.2～步骤3.4，直到探头移动到环件底部边缘为止；

3.6、设置聚焦深度为环件的厚度，即124mm，重复步骤3.2～步骤3.5，完成环件的超声信号采集和记录；

3.7、根据环件旋转角度、探头轴向移动距离、缺陷回波的位置和幅值可以确定缺陷在环件中的具体位置和尺寸，通过上位机软件在工控机中显示一幅完整的超声C扫图，检测总耗时720s，即12分钟；

4、保存检测结果：将环件超声相控阵无损检测结果保存在工控机中，显示为超声C扫图的形式，附带缺陷的位置和尺寸信息，并可获得每个缺陷的扇形扫查截面图。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种环件自动化超声相控阵无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将环件和超声相控阵探头均置于装有耦合剂的收集槽内，环件可绕其自身轴线旋转，超声相控阵探头可沿环件轴向做直线运动，超声相控阵探头的初始位置位于环件外圆面上方边缘，超声相控阵探头与环件外圆面之间设有一定提离距离，超声相控阵探头与一超声相控阵检测仪连接，所述超声相控阵检测仪与一工控机连接；

S2、检测环件近外圆面的内部缺陷：

S201、设置超声相控阵探头的聚焦深度为环件壁厚δ的一半；

S202、超声相控阵检测仪根据探头类型和阵元数时序激励超声相控阵探头发射超声信号，在环件内部形成扇形扫查区，同时通过超声相控阵探头将接收到的超声反射回波信号传输给工控机，形成一段扇形扫查截面图，当环件内部存在缺陷时，超声反射回波在缺陷处形成缺陷回波，根据缺陷回波的位置和幅值可以确定缺陷的深度和尺寸，并将缺陷的深度和尺寸反应在工控机的扇形扫查截面图中；

S203、环件绕其轴线每间隔一定时间Δt旋转一定角度α，每次旋转后重复步骤S202，直至环件旋转一圈为止；

S204、超声相控阵探头沿环件轴向向下移动距离Δz，50％S≤Δz≤85％S，S为超声相控阵探头的覆盖区宽度，重复步骤S202和步骤S203，直到超声相控阵探头移动到环件底部边缘为止；

S3、检测环件近内孔面的内部缺陷：设置超声相控阵探头的聚焦深度为环件壁厚δ，重复步骤S202-S204，即完成环件的超声信号采集和记录。

2.根据权利要求1所述的环件自动化超声相控阵无损检测方法，其特征在于，步骤S1中，超声相控阵探头与环件外圆面之间的提离距离为2～3mm。

3.根据权利要求1所述的环件自动化超声相控阵无损检测方法，其特征在于，步骤S203中，Δt为0.02s，α为0.5°～1°。

4.根据权利要求1所述的环件自动化超声相控阵无损检测方法，其特征在于，所述超声相控阵探头为角度声束超声相控阵探头，其聚焦类型为扇形，聚焦方式为真实深度，波型为横波，角度声束探头的最小角度θ₁为30°～40°、最大角度θ₂为50°～65°。

5.一种用于实现权利要求1-4中任一项所述环件自动化超声相控阵无损检测方法的环件自动化超声相控阵无损检测装置，其特征在于，包括装有耦合剂的收集槽、设置在所述收集槽内的回转检测平台、驱动所述回转检测平台绕其自身轴线旋转的R轴伺服电机、z轴线性模组、驱动所述z轴线性模组沿回转检测平台轴向移动的z轴伺服电机、安装在所述z轴线性模组上的超声相控阵探头、与所述超声相控阵探头连接的超声相控阵检测仪、与所述超声相控阵检测仪连接的工控机以及与所述工控机连接的控制柜，所述控制柜与R轴伺服电机和z轴伺服电机连接，环件同轴向固定设置在回转检测平台上，所述超声相控阵探头的初始位置位于环件外圆面上方边缘，超声相控阵探头与环件外圆面之间设有一定提离距离。

6.根据权利要求5所述的环件自动化超声相控阵无损检测装置，其特征在于，该装置还包括x轴线性模组、y轴线性模组、x轴伺服电机和y轴伺服电机，所述x轴伺服电机和y轴伺服电机分别与控制柜连接，所述x轴伺服电机用于驱动y轴线性模组在x轴线性模组上做横向移动，所述y轴伺服电机用于驱动z轴线性模组在y轴线性模组上做纵向移动，所述横向和纵向相互垂直且构成的平面与回转检测平台的轴线垂直。

7.根据权利要求6所述的环件自动化超声相控阵无损检测装置，其特征在于，该装置还包括噪声滤波器，所述噪声滤波器设置在控制柜与所有伺服电机之间。

8.根据权利要求5所述的环件自动化超声相控阵无损检测装置，其特征在于，所述回转检测平台上设置用于固定环件的三爪卡盘。

9.根据权利要求5所述的环件自动化超声相控阵无损检测装置，其特征在于，所述z轴线性模组上设置有用于安装超声相控阵探头的探头夹具。

10.根据权利要求5所述的环件自动化超声相控阵无损检测装置，其特征在于，所述耦合剂为水。