箱體件超聲無損檢測系統設計

趙宏文

(山西焦煤集團 機械電氣有限公司，山西 太原 030024)

無損檢測簡稱為NDT，它是指在不破壞和不損傷被檢測物體物理結構的情況下，對其性能、質量、有無內部缺陷進行檢測的一種技術。目前，常用的無損檢測技術主要有超聲檢測、射線探傷、滲透檢測、磁粉檢測和渦流檢測等5種。超聲無損檢測技術作為無損檢測技術的一個分支學科，是應用最廣泛的無損檢測技術，超聲無損探傷的優點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害、能對缺陷進行定位和定量。對于保證箱體件的質量起主要作用，超聲檢測技術能夠對絕大多數箱體產品進行全面的無損檢測,確保其質量和檢測的可靠性[1]. 但是，超聲無損探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術難度大，容易受到主客觀因素影響，對被測表面要求平整等，使超聲探傷具有局限性[2-3].

1 超聲無損檢測原理

1.1 超聲檢測物理模型

超聲探傷的實質是以波動形式在彈性介質中傳播的機械振動，其頻率高于20 kHz. 發射頻率f、波長λ和聲速c滿足式[2]：

(1)

當超聲波經過不同介質的分界面時，可能發生反射和透射現象。垂直于被測工件入射時，聲壓反射系數：

(2)

聲壓透射系數：

(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的聲阻抗。

超聲探傷的工作過程為：檢測探頭發射出超聲波，通過耦合劑進入被檢工件，假定臨界面為工件入射面，正方向為超聲發射方向，在超聲的傳播方向上某點的波動方程可用下式表示[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個點；k表示波數，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

超聲檢測脈沖反射法的原理見圖1，超聲波在被檢測工件內部傳播過程中，如果遇到不同介質的界面，聲波信號將會產生反射現象，反射信號的功率與介質的反射率有關。聲波的反射率計算公式[6]：

(5)

式中，z1為入射方的介質聲阻抗，z1=p1c1，p1為入射方的介質密度，c1為超聲波在入射介質中的速度大小；z2為反射方的介質聲阻抗，z2=p2c2，p2為反射方的介質密度，c2為超聲波在反射介質中的速度大小。

圖1 超聲檢測脈沖反射法原理圖

如圖1所示，當被檢測工件沒有缺陷時，沒有缺陷回波；當被檢測工件有小缺陷時，在底波和始波之間會出現缺陷波，該回波的幅值與缺陷的大小有關；當被檢測工件中缺陷大于超聲波束寬度時，只顯示始波和缺陷波。此外，采用脈沖反射法對工件進行檢測時只需要檢測一個側面就可以完成測試，超聲檢測靈敏度高，可實現對超聲的定位和缺陷大小的判斷。

2 檢測系統結構方案設計

箱體類零件超聲檢測設備的總體方案設計圖見圖2，該設備與五軸聯動的數控機床類似，各坐標軸之間的運動關系要使檢測探頭與被檢測的箱體零件之間實現相對運動，實現超聲檢測探頭對零件任何一個表面的檢測。選擇在該設備X軸、Y軸、Z軸3個方向的直線運動基礎上加上兩個回轉坐標運動，實現五軸聯動。由于移動龍門框架的造價低,容易制造生產，選取移動龍門框架為工作臺基礎框架。工作臺移動時，整機長度必須兩倍于縱向行程長度，而移動式龍門設備的整機長度只需縱向行程加上龍門架側面寬度即可。

圖2 箱體類零件超聲檢測設備的總體方案設計示意圖

2.1 探頭及轉盤設計

探頭部分的總體結構見圖3，檢測探頭需要完成兩個回轉運動，即A軸傳動和C軸傳動。為使該設備具有自動更換檢測探頭的功能，此次設計將6個不同的探頭安裝位置設計在一個六邊形轉盤中，轉盤的轉動可以同時完成探頭的更換與檢測過程中探頭的擺動，見圖4.

圖3 探頭部分總體設計示意圖

圖4 轉盤結構設計示意圖

2.2 工作臺與水箱的設計

由于超聲波信號在空氣中衰減嚴重，超聲檢測設備設計的檢測過程在水箱中進行。整個水箱采用3 mm厚的304不銹鋼鋼板焊接而成，并將工作臺放置于水箱中，見圖5.

圖5 工作臺與水箱結構設計圖

2.3進給傳動部件設計

由于三軸的進給運動都由帶有數字調節的進給驅動系統控制，所以都屬于伺服系統，主要包括X、Y、Z三軸直線滑臺選型及設計。根據直線滑臺垂直方向的最大承重和行程要求，分別在X、Y、Z三軸直線滑臺上選擇臺東佑達自動化科技有限公司生產的標準螺桿滑臺，型號ETL22-50A38-2115-A-C4、ETH17-L5-750 -BC-T75B -C4、ETH22-L5-1250-M-T75B-C4.

3 檢測系統控制方案設計

3.1 超聲檢測系統整體方案設計

以被檢測工件的實際情況、檢測所需達到的要求和檢測條件為依據，初步確定該檢測系統的5個部分：超聲檢測子系統，機械掃描及其控制子系統，超聲檢測信號處理子系統，檢測操作子系統，系統校準試件。系統組成框圖見圖6.

圖6 超聲檢測系統整體結構示意圖

在該檢測系統中，主要實現探頭的掃描運動，機械結構部分可以仿照五軸加工中心，實現五軸聯動，控制完成運動。箱體類零件缺陷超聲自動檢測系統示意圖見圖7. 由圖7可知，該控制系統需要控制5個軸，實現五軸聯動，使得探頭能夠完成箱體件的掃描運動。在機械掃描過程中，必須注意檢測頻率與探頭移動速度的配合，確保每個超聲脈沖對整個箱體面進行檢測。設檢測頻率為f，探頭移動速度為V，箱體長度為L， 長度方向檢測點數為N. 則長度L=V×(N/f)，即要求V=(Lf)/N.

圖7 箱體類零件缺陷超聲自動檢測系統示意圖

3.2 控制卡硬件結構組成

控制系統中單片機控制卡是核心部分，它有著控制和協調各單元共同工作的作用。因此，該部分的硬件設計是重要。單片機控制卡結構圖見圖8.

圖8 單片機控制卡結構圖

如圖8所示，控制卡需要控制和協調A/D采集卡的采集頻率信號、探傷儀的探頭發射脈沖和接收脈沖、接收傳感器信號、切換探頭與上位機通訊等。控制卡功能需求：產生有一定延時的脈沖信號，控制A/D采集卡，且延遲時間在一定范圍內可調；使用單片機內部產生的時鐘作為超聲發射和接收的觸發信號；存儲檢測過程中的相關信息；與上位機通信完成協調工作；運行監控。在整個控制過程中，下位機運行出錯時，需要向上位機進行故障報告。

4 超聲檢測系統的實驗設計

在實際應用中，超聲波的波長長，能量衰減小；反之，波長短，則能量衰減大，并且縱波波長約為橫波波長的兩倍，因此，采用縱波完成對工件的超聲無損檢測探傷。常檢測的材料為金屬鑄件，因此，以6種不同材料的箱體為實驗對象，選擇相關的6種探頭進行試驗。對標準試件及試樣進行檢測實驗，利用示波器對檢測信號完成顯示與存儲，通過計算機對超聲檢測信號顯示并處理。

該實驗可對不同材料的箱體進行探傷，根據材料的不同會對探頭進行選擇，使得探傷效果更為精確。

5 結 語

介紹了超聲檢測的原理和方法，提出了一個可實施性高、設計步驟詳細的無損檢測的結構和控制系統方案，為實際檢測需要的場合提供了更多選擇。