CN103217477A - 车轴径向超声波自动探伤装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

车轴径向超声波自动探伤装置及控制方法，属于轴类零件超声波自动探伤技术领域。探伤装置包括床身、车轴转动支撑单元、龙门架单元、至少一个探伤单元、超声波发生接收器、电机驱动器单元、控制单元和交互操作单元。采用本发明的超声波自动探伤装置及控制方法，综合实现了适应不同轴型、程序控制的车轴径向超声波自动探伤装置。该装置及控制方法通过多组探伤单元同时作业，提高工作效率；通过控制单元实时、在线、自动识别缺陷，记录检测到的缺陷。该装置与现有技术相比，探伤效率更高，探伤结果具有可重复性，可降低工人的劳动强度，实现高自动化、高适应性、低控制难度和高可靠性的车轴超声波自动探伤。该装置适用于实心轴类零件内部缺陷的检测。

Description

车轴径向超声波自动探伤装置及控制方法

技术领域

本发明属于轴类零件超声波自动探伤技术领域，特别涉及一种车轴径向超声波自动探伤装置及控制方法的设计。

背景技术

随着铁路运输车辆速度的不断提高和载重的不断增加，对车辆走行部件的质量也提出了更高的要求。车轴是保证轨道车辆稳定运行的重要部件之一，轨道车辆在运行过程中，车轴承受着频繁交替的载荷，在不同运行条件下，车轴所受到的载荷也不尽相同，车轴中一旦出现损伤，并发生扩大发展，严重的情况下，将会导致脱轨事故。目前，我国各机车生产企业及检修单位大部分采用手工探伤的方式进行车轴内部的损伤检测，探伤结果与操作者的技术水平及操作方法有着非常直接的关系，手工扫查速度过快容易漏探，扫查速度过慢则效率低下，探头与工件之间的耦合不佳容易发生漏探。因此，手动超声探伤方法不仅检测效率低、劳动强度高、而且其探伤可靠性和准确性很难得到保证，对行车安全构成了一定的影响，存在着很大的安全隐患。

近年来，也出现了一些自动化的车轴超声波探伤设备，例如，“轨道交通用车轴自动化超声波探伤装置”公开号：CN101614703A采用的是水膜法和水浸法探伤，需要将车轴放入水槽中，探头与车轴表面不接触，该装置可以实现车轴的自动化上料和下料过程，但该装置结构较为复杂。文献“BLC-8Z型铁路机车车辆车轴超声波自动探伤装置，孙振国等，无损探伤，2008年，3（25）”，采用气缸形式的探头臂机构，探头行程固定，针对不同尺寸的车轴，需要手动调整探头臂的行程，操作不便，且其控制方式采用顺序执行的方式，不同探伤单元之间的移动方式并不相互独立。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种车轴径向超声波自动探伤装置及控制方法。该装置适应不同轴型轴类零件径向超声波自动探伤作业，按照设定的程序自动控制探伤，工作效率高，对缺陷自动识别、记录，探伤结果具有可重复性，降低探伤工人的劳动强度，实现高自动化、高适应性、低控制难度和高可靠性的车轴超声波自动探伤。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的车轴径向超声波自动探伤装置，包括床身、车轴转动支撑单元、龙门架单元、至少一个探伤单元、超声波发生接收器、电机驱动器单元、控制单元和交互操作单元；所述的床身上设有耦合液收集口，床身内固定有耦合液储存箱和循环泵，循环泵与耦合液储存箱之间通过软管连接；所述的车轴转动支撑单元固定在床身上，所述的车轴转动支撑单元含有第一气动顶尖和第二气动顶尖；所述的龙门架单元包括横梁、龙门架第一底座、横梁第一导向滑轨、横梁第一限位挡板、横梁第一动作机构、龙门架第二底座、横梁第二导向滑轨、横梁第二限位挡板和横梁第二动作机构，其中龙门架第一底座和龙门架第二底座对称固定在床身上，横梁与龙门架第一底座通过横梁第一导向滑轨连接，且与龙门架第二底座通过横梁第二导向滑轨连接，横梁第一限位挡板固定在龙门架第一底座上，横梁第二限位挡板固定在龙门架第二底座上，横梁第一动作机构固定在龙门架第一底座上并与横梁固定连接，横梁第二动作机构固定在龙门架第二底座上并与横梁固定连接，横梁第一动作机构及横梁第二动作机构通过横梁驱动装置与控制单元连接；所述的探伤单元包括探伤平移单元和至少一个探伤臂单元，其中，探伤平移单元包括溜板电机、溜板平移机构和溜板，其中溜板电机和溜板平移机构固定在横梁上，溜板与横梁之间通过滑动导轨或轮式导轨中的一种形式相连；所述的探伤臂单元包括探头支架、超声波探头、探头臂、探头臂移动机构和探头臂电机，其中超声波探头固定在探头支架上，探头支架固定在探头臂上，探头支架与循环泵通过软管连接，探头臂通过探头臂移动机构与探头臂电机连接；所述的超声波发生接收器分别与超声波探头和控制单元连接；所述的电机驱动器单元的输入端与控制单元的输出端连接，电机驱动器单元的输出端与溜板电机的输入端、探头臂电机的输入端以及车轴转动支撑单元中的驱动电机的输入端连接；所述的探伤平移单元还包括固定在横梁上的溜板正限位传感器、溜板负限位传感器和溜板零限位传感器，这三个限位传感器与控制单元连接，并分别位于溜板的正方向移动极限位置、负方向移动极限位置以及零点位置；所述的探伤臂单元还包括固定在溜板上的探头臂正限位传感器、探头臂负限位传感器和探头臂零限位传感器，这三个限位传感器与控制单元连接，并分别位于探头臂的正方向移动极限位置、负方向移动极限位置以及零点位置；交互操作单元与控制单元之间通过无线或有线的方式连接。

所述的车轴转动支撑单元还包括第一顶尖支撑、第一辅助支撑、第二顶尖支撑、第二辅助支撑、主轴电机、主轴减速箱和导轨；其中，导轨固定在床身上，第一顶尖支撑固定在床身上，第一气动顶尖安装在第一顶尖支撑内，主轴电机、主轴减速箱及第一气动顶尖依次固定连接，第二气动顶尖安装于第二顶尖支撑内，第二顶尖支撑固定在导轨上，第一辅助支撑和第二辅助支撑均固定在导轨上；第一气动顶尖及第二气动顶尖通过电磁阀开关与高压气管路连接，电磁阀开关与控制单元连接；所述的主轴电机采用伺服电机、交流电机或无刷电机中的一种或几种的组合。

所述的溜板电机采用伺服电机、步进电机、无刷电机、直流电机或交流电机中的一种；所述的溜板平移机构为丝杠机构或齿轮齿条机构中的一种；所述的横梁第一动作机构和横梁第二动作机构为蜗轮蜗杆、齿轮齿条、丝杆或气缸驱动的直线导向滑轨中的一种或几种的组合运动机构；探头臂电机采用伺服电机、步进电机、无刷电机、直流电机或交流电机中的一种。

所述的电机驱动器单元采用步进电机驱动器、变频器、直流电机驱动器或无刷电机驱动器中的一种或多种的组合。

所述的超声发生接收器与控制单元之间通过A/D、D/A、数字I/O、串口、并口、蓝牙、有线英特网或无线局域网中的一种或多种的组合形式传送信号。

所述的控制单元采用具有永久存储功能的计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中的一种或几种的组合。

所述的溜板正限位传感器、溜板负限位传感器、溜板零限位传感器、探头臂正限位传感器、探头臂负限位传感器和探头臂零限位传感器采用电磁接近开关、电容接近开关、红外开关、接触开关、激光传感器中的一种或几种的组合。

所述的交互操作单元包括远程监控模块、警报器、手动控制模块、显示器和打印机；其中远程监控模块采用台式计算机、笔记本电脑、工控机、平板电脑或智能手机中的一种或多种的组合，警报器采用具有蜂鸣器的报警器装置，手动控制模块采用移动式控制盒和至少一个按钮及指示灯的固定式控制操作面板；远程监控模块、警报器、手动控制模块与控制单元采用GPRS、短信、3G网络、4G网络、无线局域网、有线英特网、蓝牙、电话线、232串行通信线、485串行通信线、CAN总线或USB中的一种或多种的组合连接；显示器、打印机与控制单元通过信号线连接。

本发明提供的一种车轴径向超声波自动探伤控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）控制单元向电机驱动器单元发送信号，驱动探头臂电机，使探头臂移动机构带动探头臂移动到探头臂零限位传感器，令该位置为探头臂机械零点位置R；

2）控制单元向电机驱动器单元发送信号，驱动溜板电机，使溜板平移机构带动溜板移动到溜板零限位传感器，令该位置为溜板机械零点位置S；

3）控制单元向电机驱动器单元发送信号，驱动车轴转动支撑单元带动车轴匀速旋转；

4）令横梁初始停止位置为T0，横梁在该位置处时，探伤单元不影响操作者放置或卸除车轴，在控制单元向横梁驱动装置发送信号，驱动横梁移动到横梁第一限位挡板和横梁第二限位挡板的限制位置，令该位置为T1，横梁位于T1位置处时，所有超声波探头均与车轴的中心线对齐；

5）令与第一气动顶尖接触的车轴的端面为基准零点P，令第一气动顶尖指向第二气动顶尖的方向为探伤正方向；令自动探伤装置的探伤单元的数量为M个，并按照探伤正方向依次编号为1至M；令第i个探伤单元的探伤臂单元的数量为N_i，并按照探伤正方向依次编号为1至N_i；从基准零点P开始，按照探伤正方向依次设置所需探伤的每一个轴段的探伤信息，令使用第i个探伤单元的所有探伤信息为集合A_i，并按照轴段起始位置从小到大排序，令第i个探伤单元的探伤计数器为C_i，初始状态时令C_i=1；M是大于等于1的正整数，i是大于等于1小于等于M的正整数，N_i是大于等于1的正整数；

6）控制单元同时启动并运行M个子程序，第i个子程序对探伤单元采用如下相同的自动探伤控制步骤；

a）控制单元读取集合A_i中的编号为C_i的探伤信息，令该探伤信息为U_i，计算第i个探伤单元的移动距离；

b）控制单元检查所有探伤单元的位置，若编号为i的探伤单元按照步骤a）计算的移动距离进行移动的过程中将会出现碰撞情况，则重复步骤b），否则，进入步骤c）；

c）控制单元向电机驱动器单元发送信号，驱动第i个探伤单元的溜板电机，使溜板平移机构带动溜板移动，使超声波探头移动到U_i中所设置的轴段起始位置，控制单元向电机驱动器单元发送信号，驱动U_i所设置的探伤臂单元的探头臂电机，带动探头臂移动机构向车轴表面移动，使超声波探头与车轴表面耦合接触；

d）控制单元向超声波发生接收器发送U_i所设置的超声探伤参数信号及重复触发信号，使超声波发生接收器向超声波探头重复发射超声波激励信号、接收超声波探头的超声波回波信号并采用滤波放大电路对超声波信号进行滤波、放大，控制单元接收超声波发生接收器输出的超声信号，检测回波信号是否超过U_i所设置的探伤判据，将超过该探伤判据的缺陷波形信号以及探伤位置信息保存到控制单元的永久存储器中；

e）控制单元向电机驱动器单元发送信号，驱动第i个探伤单元的溜板电机，使溜板平移机构带动溜板移动，重复步骤c）直至第i个探伤单元移动到U_i所设置的轴段结束位置；

f）令第i个探伤单元的探伤计数器C_i加1，若C_i大于集合A_i的总数，则进入步骤g），否则进入步骤a）；

g）若已完成探伤工作的第i个探伤单元将影响其他还未完成探伤作业的探伤单元，则控制单元向电机驱动器单元发送信号，将第i个探伤单元移动到不影响其他探伤单元的位置；

h）第i个探伤单元的自动探伤控制步骤结束；

7）控制单元检查1～M个探伤单元是否均完成探伤，或是否出现运行错误，或是否人工停机，“是”则进入步骤8），否则重复步骤7）；

8）控制单元停止向超声波发生接收器发送信号，停止采集发送和采集超声信号；

9）控制单元向电机驱动器单元发送信号，驱动探头臂回到探头臂机械零点位置R，驱动溜板回到溜板机械零点位置S，驱动龙门架单元回到横梁机械零点位置T0；

10）自动探伤过程结束，保存所有探伤过程信息。

所述的探伤信息包括：轴段起始位置、轴段结束位置、轴段直径、使用的探伤单元的编号、使用的探伤臂单元的编号、超声波发生接收器（5）的超声探伤参数以及探伤判据。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明利用车轴旋转支撑单元、龙门架单元、探伤单元、电机驱动器单元和控制单元，综合实现了适应不同轴型、程序控制的车轴径向超声波自动探伤装置。该装置通过多组探伤单元同时作业，提高工作效率；通过控制单元对缺陷的自动识别，记录检测到的缺陷。该装置与传统手工探伤相比，探伤效率更高，探伤结果具有可重复性，降低探伤工人的劳动强度，实现了高自动化、高适应性、低控制难度和高可靠性的车轴超声波自动探伤。该装置适用于实心轴类零件内部缺陷的检测。

附图说明

图1是本发明的车轴径向超声波自动探伤装置的一种实施例的正面外观图，该实施例中，采用一个探伤单元及一个探伤臂单元。

图2是图1所示实施例的探伤单元位于初始位置的俯视外观图。

图3是图1所示实施例所用的探伤单元的正面视图。

图4是图3所示探伤单元的侧面剖视图。

图5是本发明所述的车轴径向超声波自动探伤装置的另一种实施例的正视图，该实施例中，采用两个探伤单元，每一个探伤单元采用两个探伤臂单元，该图中显示有两个超声波探头正在进行探伤作业。

图6是图5所示实施例的俯视外观图，该图所示为系统初始状态。

图7是图5所示实施例所用的包含两个探伤臂单元的探伤单元的正面视图。

图8是图1所示实施例的电气连接原理示意图。

图9是图5所示实施例的自动探伤控制流程图。

在图1至图9中：

1-床身；                      2-车轴转动支撑单元；             3-龙门架单元；

4-探伤单元；                  5-超声波发生接收器；             6-电机驱动器单元；

7-控制单元；                  8-交互操作单元；

11-车轴；                     12-耦合液收集口；                13-耦合液储存箱；

14-循环泵；

21-第一气动顶尖；             22-第一顶尖支撑；                23-第一辅助支撑；

24-第二气动顶尖；             25-第二顶尖支撑；                26-第二辅助支撑；

27-主轴电机；                 28-主轴减速箱；                  29-导轨；

31-横梁；                     32-龙门架第一底座；              33-横梁第一导向滑轨；

34-横梁第一限位挡板；         35-龙门架第二底座；              36-横梁第二导向滑轨；

37-横梁第二限位挡板；         38-横梁第一动作机构；            39-横梁第二动作机构；

41-探伤平移单元；             411-溜板电机；                   412-溜板平移机构；

413-溜板；                    414-溜板正限位传感器；           415-溜板负限位传感器；

416-溜板零限位传感器；

42-探伤臂单元；               421-探头支架；                   422-超声波探头；

423-探头臂；                  424-探头臂移动机构；             425-探头臂电机；

426-探头臂正限位传感器；      427-探头臂负限位传感器；         428-探头臂零限位传感器；

71-远程监控模块；             72-警报器；                      73-手动控制模块；

74-显示器；                   75-打印机；

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。

本发明所述的车轴径向超声波自动探伤装置，如图1、图2、图3和图4所示，包括床身1、车轴转动支撑单元2、龙门架单元3、一个探伤单元4、超声波发生接收器5、电机驱动器单元6、控制单元7和交互操作单元8；所述的床身1上设有耦合液收集口12，床身1内固定有耦合液储存箱13和循环泵14，循环泵14与耦合液储存箱13之间通过软管连接；所述的车轴转动支撑单元2固定在床身1上，所述的车轴转动支撑单元2含有第一气动顶尖21和第二气动顶尖24；所述的龙门架单元3包括横梁31、龙门架第一底座32、横梁第一导向滑轨33、横梁第一限位挡板34、横梁第一动作机构38、龙门架第二底座35、横梁第二导向滑轨36、横梁第二限位挡板37和横梁第二动作机构39，其中龙门架第一底座32和龙门架第二底座35对称固定在床身1上，横梁31与龙门架第一底座32通过横梁第一导向滑轨33连接，且与龙门架第二底座35通过横梁第二导向滑轨36连接，横梁第一限位挡板34固定在龙门架第一底座32上，横梁第二限位挡板37固定在龙门架第二底座35上，横梁第一动作机构38固定在龙门架第一底座32上并与横梁31固定连接，横梁第二动作机构39固定在龙门架第二底座35上并与横梁31固定连接，横梁第一动作机构38及横梁第二动作机构39通过横梁驱动装置30与控制单元7连接；所述的探伤单元4包括探伤平移单元41和至少一个探伤臂单元42，其中，探伤平移单元41包括溜板电机411、溜板平移机构412和溜板413，其中溜板电机411和溜板平移机构412固定在横梁31上，溜板413与横梁31之间通过滑动导轨或轮式导轨中的一种形式相连；所述的探伤臂单元42包括探头支架421、超声波探头422、探头臂423、探头臂移动机构424和探头臂电机425，其中超声波探头422固定在探头支架421上，探头支架421固定在探头臂423上，探头支架421与循环泵14通过软管连接，探头臂423通过探头臂移动机构424与探头臂电机425连接；所述的超声波发生接收器5分别与超声波探头422和控制单元7连接；所述的电机驱动器单元6的输入端与控制单元7的输出端连接，电机驱动器单元6的输出端与溜板电机411的输入端、探头臂电机425的输入端以及车轴转动支撑单元2中的驱动电机的输入端连接；所述的探伤平移单元41还包括固定在横梁31上的溜板正限位传感器414、溜板负限位传感器415和溜板零限位传感器416，这三个限位传感器与控制单元7连接，并分别位于溜板413的正方向移动极限位置、负方向移动极限位置以及零点位置，当溜板413正向运动到达溜板正限位传感器414时，将触发溜板正限位传感器414向控制单元7发送限位信号，当溜板413反向运动到达溜板负限位传感器415时，将触发溜板负限位传感器415向控制单元7发送限位信号，当溜板413运动到溜板零限位传感器416时，溜板零限位传感器416将向控制单元7发送到达零点信号；所述的探伤臂单元42还包括固定在溜板413上的探头臂正限位传感器426、探头臂负限位传感器427和探头臂零限位传感器428，这三个限位传感器与控制单元7连接，并分别位于探头臂423的正方向移动极限位置、负方向移动极限位置以及零点位置，当探头臂423正向运动到达探头臂正限位传感器426时，将触发探头臂正限位传感器426向控制单元7发送限位信号，当探头臂423反向运动到达探头臂负限位传感器427时，将触发探头臂负限位传感器427向控制单元7发送限位信号，当探头臂423运动到探头臂零限位传感器428时，探头臂零限位传感器428将向控制单元7发送到达零点信号；交互操作单元8与控制单元7之间通过无线或有线的方式连接，交互操作单元8用于接收操作者的输入指令并向操作者输出装置的实时状态信息。

所述的车轴转动支撑单元2还包括第一气动顶尖21、第一顶尖支撑22、第一辅助支撑23、第二气动顶尖24、第二顶尖支撑25、第二辅助支撑26、主轴电机27、主轴减速箱28和导轨29；其中，导轨29固定在床身1上，第一顶尖支撑22固定在床身1上，第一气动顶尖21安装在第一顶尖支撑22内，主轴电机27、主轴减速箱28及第一气动顶尖21依次固定连接，第二气动顶尖24安装于第二顶尖支撑25内，第二顶尖支撑25固定在导轨29上，第一辅助支撑23和第二辅助支撑25均固定在导轨29上；第一气动顶尖（21）及第二气动顶尖（24）通过电磁阀开关与高压气管路连接，电磁阀开关与控制单元（7）连接；所述的主轴电机27采用伺服电机、交流电机或无刷电机中的一种或几种的组合。本实施例中，主轴电机27采用交流电机，第二顶尖支撑25可根据车轴11的总长度在导轨29上水平调整位置，使得第一气动顶尖21和第二气动顶尖24分别从第一顶尖支撑22和第二顶尖支撑23中伸出时能够将车轴从第一辅助支撑23和第二辅助支撑26上悬空顶起，主轴电机27转动时，通过主轴减速箱28减速，带动第一气动顶尖21转动，从而带动车轴11转动，所述的第一辅助支撑23和第二辅助支撑26均可调节车轴11的初始高度。

所述的溜板电机411采用伺服电机、步进电机、无刷电机、直流电机或交流电机中的一种；所述的溜板平移机构412为丝杠机构或齿轮齿条机构中的一种；所述的横梁第一动作机构38和横梁第二动作机构39为蜗轮蜗杆、齿轮齿条、丝杆或气缸驱动的直线导向滑轨中的一种或几种的组合运动机构；探头臂电机425采用伺服电机、步进电机、无刷电机、直流电机或交流电机中的一种。本实施例中，溜板电机411采用步进电机，溜板平移机构412采用丝杠机构，横梁第一动作机构38和横梁第二动作机构39均采用气缸驱动的直线导向滑轨，探头臂电机425采用步进电机。

所述的电机驱动器单元6采用步进电机驱动器、变频器、直流电机驱动器或无刷电机驱动器中的一种或多种的组合。本实施例中，电机驱动器单元6采用2个步进电机驱动器和1个变频器驱动器，2个步进电机驱动器的输出端分别接溜板电机411和探头臂电机425，变频器驱动器接主轴电机27。

所述的超声发生接收器5与控制单元7之间通过A/D、D/A、数字I/O、串口、并口、蓝牙、有线英特网或无线局域网中的一种或多种的组合形式传送信号。本实施例中，超声发生接收器5与控制单元7之间通过A/D、D/A和数字I/O信号线的方式传送信号，控制单元7铜鼓A/D采集超声发生接收器5输出的超声回波信号、通过D/A向超声发生接收器5发送增益放大设置信号并通过数字I/O的输出端向超声发生接收器5重复发送超声触发信号，使超声发生接收器5向超声波探头422重复发送超声激励信号。

所述的控制单元7采用具有永久存储功能的计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中的一种或几种的组合。本实施例中，控制单元7采用具有永久存储功能的计算机。

所述的溜板正限位传感器414、溜板负限位传感器415、溜板零限位传感器416、探头臂正限位传感器426、探头臂负限位传感器427和探头臂零限位传感器428采用电磁接近开关、电容接近开关、红外开关、接触开关、激光传感器中的一种或几种的组合。本实施例中，溜板正限位传感器414、溜板负限位传感器415、溜板零限位传感器416、探头臂正限位传感器426、探头臂负限位传感器427和探头臂零限位传感器428均采用电磁接近开关。

所述的交互操作单元8包括远程监控模块71、警报器72、手动控制模块73、显示器74和打印机75；其中远程监控模块71采用台式计算机、笔记本电脑、工控机、平板电脑或智能手机中的一种或多种的组合，警报器72采用具有蜂鸣器的报警器装置，手动控制模块73采用移动式控制盒和至少一个按钮及指示灯的固定式控制操作面板；远程监控模块71、警报器72、手动控制模块73与控制单元7采用GPRS、短信、3G网络、4G网络、无线局域网、有线英特网、蓝牙、电话线、232串行通信线、485串行通信线、CAN总线或USB中的一种或多种的组合连接；显示器74及打印机75与控制单元7通过信号线连接。本实施例中，远程监控模块71采用笔记本电脑，警报器72采用具有蜂鸣器和闪烁灯功能的警报器，远程监控模块71及警报器72与控制单元7之间通过无线局域网连接，手动控制模块73与控制单元7之间通过485串行通信线连接；远程监控模块71可以实时查看自动工作运行状态，可以查看控制单元7的所有存储数据，警报器72可在系统完成自动探伤工作时发声并闪烁提示操作者。

如图5、图6和图7所示的实施例，包括2个探伤单元4，每个探伤单元4包括两个探伤臂单元42；所述的2个探伤单元4同时进行探伤作业。图9为本实施例的自动探伤过程流程图，其过程包括如下步骤：

1）控制单元7向电机驱动器单元6发送信号，驱动四个探头臂电机425，使探头臂移动机构424带动探头臂423移动到探头臂零限位传感器426，令该位置为探头臂机械零点位置R；

2）控制单元7向电机驱动器单元6发送信号，驱动溜板电机411，使溜板平移机构412带动溜板413移动到溜板零限位传感器416，令该位置为溜板机械零点位置S；

3）控制单元7向电机驱动器单元6发送信号，驱动车轴转动支撑单元2带动车轴匀速旋转；

4）令横梁31初始停止位置为T0，横梁31在该位置处时，探伤单元4不影响操作者放置或卸除车轴11，在控制单元7向横梁驱动装置30发送信号，驱动横梁31移动到横梁第一限位挡板34和横梁第二限位挡板37的限制位置，令该位置为T1，横梁31位于T1位置处时，所有超声波探头422均与车轴11的中心线对齐；

5）令与第一气动顶尖21接触的车轴11的端面为基准零点P，令第一气动顶尖21指向第二气动顶尖24的方向为探伤正方向；令自动探伤装置的探伤单元4的数量为M，并按照探伤正方向依次编号为1至M；令第i个探伤单元4的探伤臂单元42的数量为N_i，并按照探伤正方向依次编号为1至N_i；从基准零点P开始，按照探伤正方向依次设置所需探伤的每一个轴段的探伤信息，令使用第i个探伤单元4的所有探伤信息为集合A_i，并按照轴段起始位置从小到大排序，令第i个探伤单元4的探伤计数器为C_i，初始状态时令C_i=1。本实施例中，M为2，N₁为2，N₂为2。

6）控制单元7同时启动运行M个子程序，其中第i个子程序对第i个探伤单元4采用如下相同的自动探伤控制步骤；

a）控制单元7读取集合A_i中的编号为C_i的探伤信息，令该探伤信息为U_i，计算第i个探伤单元4的移动距离；

b）控制单元7检查所有探伤单元4的位置，若编号为i的探伤单元4按照步骤a）计算的移动距离进行移动的过程中将会出现碰撞情况，则重复步骤b），否则，进入步骤c）；

c）控制单元7向电机驱动器单元6发送信号，驱动第i个探伤单元4的溜板电机411，使溜板平移机构412带动溜板413移动，使超声波探头422移动到U_i中所设置的轴段起始位置，控制单元7向电机驱动器单元6发送信号，驱动U_i所设置的探伤臂单元42的探头臂电机425，带动探头臂机构424向车轴11表面移动，使超声波探头422与车轴11表面耦合接触；

d）控制单元7向超声波发生接收器5发送U_i所设置的超声探伤参数信号及重复触发信号，使超声波发生接收器5向超声波探头422重复发射超声波激励信号、接收超声波回波信号并采用滤波放大电路对超声波信号进行滤波、放大，控制单元7接收超声波发生接收器5输出的超声信号，检测回波信号是否超过U_i所设置的探伤判据，将超过该探伤判据的缺陷波形信号以及探伤位置信息保存到控制单元7的永久存储器中；

e）控制单元7向电机驱动器单元6发送信号，驱动第i个探伤单元4的溜板电机411，使溜板平移机构412带动溜板413移动，重复步骤c）直至探伤单元4移动到U_i所设置的轴段结束位置；

f）令第i个探伤单元4的探伤计数器C_i加1，若C_i大于集合A_i的总数，则进入步骤g），否则进入步骤a）；

g）若已完成探伤工作的第i个探伤单元4将影响其他还未完成探伤作业的探伤单元4，则控制单元7向电机驱动器单元6发送信号，将第i个探伤单元4移动到不影响其他探伤单元4的位置；

h）第i个探伤单元4的自动探伤控制步骤结束；

7）控制单元7检查1～M个探伤单元4是否均完成探伤，或是否出现运行错误，或是否人工停机，“是”则进入步骤8），否则重复步骤7）；

8）控制单元7停止向超声波发生接收器5发送信号，停止采集发送和采集超声信号；

9）控制单元7向电机驱动器单元6发送信号，驱动探头臂423回到探头臂机械零点位置R，驱动溜板413回到溜板机械零点位置S，驱动龙门架单元3回到横梁机械零点位置T0；

10）自动探伤过程结束，保存所有探伤过程信息。

本实施例的控制方法中，所述的探伤信息包括：轴段起始位置、轴段结束位置、轴段直径、使用的探伤单元4的编号、使用的探伤臂单元42的编号、超声波发生接收器5的超声探伤参数以及探伤判据。

本发明利用车轴旋转支撑单元、龙门架单元、探伤单元、电机驱动器单元和控制单元，综合实现了适应不同轴型、程序控制的车轴径向超声波自动探伤装置。该装置通过多组探伤单元同时作业，提高工作效率；通过控制单元对缺陷的自动识别，记录检测到的缺陷。该装置与传统手工探伤相比，探伤效率更高，探伤结果具有可重复性，降低探伤工人的劳动强度，实现高自动化、高适应性、低控制难度和高可靠性的车轴超声波自动探伤。该装置适用于实心轴类零件内部缺陷的检测。

Claims (10)

1.一种车轴径向超声波自动探伤装置，其特征在于：包括床身（1）、车轴转动支撑单元（2）、龙门架单元（3）、至少一个探伤单元（4）、超声波发生接收器（5）、电机驱动器单元（6）、控制单元（7）和交互操作单元（8）；所述的床身（1）上设有耦合液收集口（12），床身（1）内固定有耦合液储存箱（13）和循环泵（14），循环泵（14）与耦合液储存箱（13）之间通过软管连接；所述的车轴转动支撑单元（2）固定在床身（1）上，所述的车轴转动支撑单元（2）含有第一气动顶尖（21）和第二气动顶尖（24）；所述的龙门架单元（3）包括横梁（31）、龙门架第一底座（32）、横梁第一导向滑轨（33）、横梁第一限位挡板（34）、横梁第一动作机构（38）、龙门架第二底座（35）、横梁第二导向滑轨（36）、横梁第二限位挡板（37）和横梁第二动作机构（39），其中龙门架第一底座（32）和龙门架第二底座（35）对称固定在床身（1）上，横梁（31）与龙门架第一底座（32）通过横梁第一导向滑轨（33）连接，且与龙门架第二底座（35）通过横梁第二导向滑轨（36）连接，横梁第一限位挡板（34）固定在龙门架第一底座（32）上，横梁第二限位挡板（37）固定在龙门架第二底座（35）上，横梁第一动作机构（38）固定在龙门架第一底座（32）上并与横梁（31）固定连接，横梁第二动作机构（39）固定在龙门架第二底座（35）上并与横梁（31）固定连接，横梁第一动作机构（38）及横梁第二动作机构（39）通过横梁驱动装置（30）与控制单元（7）连接；所述的探伤单元（4）包括探伤平移单元（41）和至少一个探伤臂单元（42），其中，探伤平移单元（41）包括溜板电机（411）、溜板平移机构（412）和溜板（413），其中溜板电机（411）和溜板平移机构（412）固定在横梁（31）上，溜板（413）与横梁（31）之间通过滑动导轨或轮式导轨中的一种形式相连；所述的探伤臂单元（42）包括探头支架（421）、超声波探头（422）、探头臂（423）、探头臂移动机构（424）和探头臂电机（425），其中超声波探头（422）固定在探头支架（421）上，探头支架（421）固定在探头臂（423）上，探头支架（421）与循环泵（14）通过软管连接，探头臂（423）通过探头臂移动机构（424）与探头臂电机（425）连接；所述的超声波发生接收器（5）分别与超声波探头（422）和控制单元（7）连接；所述的电机驱动器单元（6）的输入端与控制单元（7）的输出端连接，电机驱动器单元（6）的输出端与溜板电机（411）的输入端、探头臂电机（425）的输入端以及车轴转动支撑单元（2）中的驱动电机的输入端连接；所述的探伤平移单元（41）还包括固定在横梁（31）上的溜板正限位传感器（414）、溜板负限位传感器（415）和溜板零限位传感器（416），这三个限位传感器与控制单元（7）连接，并分别位于溜板（413）的正方向移动极限位置、负方向移动极限位置以及零点位置；所述的探伤臂单元（42）还包括固定在溜板（413）上的探头臂正限位传感器（426）、探头臂负限位传感器（427）和探头臂零限位传感器（428），这三个限位传感器与控制单元（7）连接，并分别位于探头臂（423）的正方向移动极限位置、负方向移动极限位置以及零点位置；交互操作单元（8）与控制单元（7）之间通过无线或有线的方式连接。

2.如权利要求1所述的车轴径向超声波自动探伤装置，其特征在于：所述的车轴转动支撑单元（2）还包括第一顶尖支撑（22）、第一辅助支撑（23）、第二顶尖支撑（25）、第二辅助支撑（26）、主轴电机（27）、主轴减速箱（28）和导轨（29）；其中，导轨（29）固定在床身（1）上，第一顶尖支撑（22）固定在床身（1）上，第一气动顶尖（21）安装在第一顶尖支撑（22）内，主轴电机（27）、主轴减速箱（28）及第一气动顶尖（21）依次固定连接，第二气动顶尖（24）安装于第二顶尖支撑（25）内，第二顶尖支撑（25）固定在导轨（29）上，第一辅助支撑（23）和第二辅助支撑（26）均固定在导轨（29）上；第一气动顶尖（21）及第二气动顶尖（24）通过电磁阀开关与高压气管路连接，电磁阀开关与控制单元（7）连接；所述的主轴电机（27）采用伺服电机、交流电机或无刷电机中的一种或几种的组合。

3.如权利要求1所述的车轴径向超声波自动探伤装置，其特征在于：所述的溜板电机（411）采用伺服电机、步进电机、无刷电机、直流电机或交流电机中的一种；所述的溜板平移机构（412）为丝杠机构或齿轮齿条机构中的一种；所述的横梁第一动作机构（38）和横梁第二动作机构（39）为蜗轮蜗杆、齿轮齿条、丝杆或气缸驱动的直线导向滑轨中的一种或几种的组合运动机构；探头臂电机（425）采用伺服电机、步进电机、无刷电机、直流电机或交流电机中的一种。

4.如权利要求1所述的车轴径向超声波自动探伤装置，其特征在于：所述的电机驱动器单元（6）采用步进电机驱动器、变频器、直流电机驱动器或无刷电机驱动器中的一种或多种的组合。

5.如权利要求1所述的车轴径向超声波自动探伤装置，其特征在于：所述的超声发生接收器（5）与控制单元（7）之间通过A/D、D/A、数字I/O、串口、并口、蓝牙、有线英特网或无线局域网中的一种或多种的组合形式传送信号。

6.如权利要求1所述的车轴径向超声波自动探伤装置，其特征在于：所述的控制单元（7）采用具有永久存储功能的计算机、PLD、CPLD、PLC、单片机、DSP和FPGA中的一种或几种的组合。

7.如权利要求1所述的车轴径向超声波自动探伤装置，其特征在于：所述的溜板正限位传感器（414）、溜板负限位传感器（415）、溜板零限位传感器（416）、探头臂正限位传感器（426）、探头臂负限位传感器（427）和探头臂零限位传感器（428）采用电磁接近开关、电容接近开关、红外开关、接触开关、激光传感器中的一种或几种的组合。

8.如权利要求1所述的车轴径向超声波自动探伤装置，其特征在于：所述的交互操作单元（8）包括远程监控模块（71）、警报器（72）、手动控制模块（73）、显示器（74）和打印机（75）；其中远程监控模块（71）采用台式计算机、笔记本电脑、工控机、平板电脑或智能手机中的一种或多种的组合，警报器（72）采用具有蜂鸣器的报警器装置，手动控制模块（73）采用移动式控制盒和至少一个按钮及指示灯的固定式控制操作面板；远程监控模块（71）、警报器（72）、手动控制模块（73）与控制单元（7）采用GPRS、短信、3G网络、4G网络、无线局域网、有线英特网、蓝牙、电话线、232串行通信线、485串行通信线、CAN总线或USB中的一种或多种的组合连接；显示器（74）、打印机（75）与控制单元（7）通过信号线连接。

9.一种采用如权利要求1或2所述装置的车轴径向超声波自动探伤控制方法，其特征在于：该控制方法包括如下步骤：

1）控制单元（7）向电机驱动器单元（6）发送信号，驱动探头臂电机（425），使探头臂移动机构（424）带动探头臂（423）移动到探头臂零限位传感器（426），令该位置为探头臂机械零点位置R；

2）控制单元（7）向电机驱动器单元（6）发送信号，驱动溜板电机（411），使溜板平移机构（412）带动溜板（413）移动到溜板零限位传感器（416），令该位置为溜板机械零点位置S；

3）控制单元（7）向电机驱动器单元（6）发送信号，驱动车轴转动支撑单元（2）带动车轴匀速旋转；

4）令横梁（31）初始停止位置为T0，横梁（31）在该位置处时，探伤单元（4）不影响操作者放置或卸除车轴（11），在控制单元（7）向横梁驱动装置（30）发送信号，驱动横梁（31）移动到横梁第一限位挡板（34）和横梁第二限位挡板（37）的限制位置，令该位置为T1，横梁（31）位于T1位置处时，所有超声波探头（422）均与车轴（11）的中心线对齐；

5）令与第一气动顶尖（21）接触的车轴（11）的端面为基准零点P，令第一气动顶尖（21）指向第二气动顶尖（24）的方向为探伤正方向；令自动探伤装置的探伤单元（4）的数量为M个，并按照探伤正方向依次编号为1至M；令第i个探伤单元（4）的探伤臂单元（42）的数量为N_i，并按照探伤正方向依次编号为1至N_i；从基准零点P开始，按照探伤正方向依次设置所需探伤的每一个轴段的探伤信息，令使用第i个探伤单元（4）的所有探伤信息为集合A_i，并按照轴段起始位置从小到大排序，令第i个探伤单元（4）的探伤计数器为C_i，初始状态时令C_i=1；M是大于等于1的正整数，i是大于等于1小于等于M的正整数，N_i是大于等于1的正整数；

6）控制单元（7）同时启动并运行M个子程序，第i个子程序对探伤单元（4）采用如下相同的自动探伤控制步骤；

a）控制单元（7）读取集合A_i中的编号为C_i的探伤信息，令该探伤信息为U_i，计算第i个探伤单元（4）的移动距离；

b）控制单元（7）检查所有探伤单元（4）的位置，若编号为i的探伤单元（4）按照步骤a）计算的移动距离进行移动的过程中将会出现碰撞情况，则重复步骤b），否则，进入步骤c）；

c）控制单元（7）向电机驱动器单元（6）发送信号，驱动第i个探伤单元（4）的溜板电机（411），使溜板平移机构（412）带动溜板（413）移动，使超声波探头（422）移动到U_i中所设置的轴段起始位置，控制单元（7）向电机驱动器单元（6）发送信号，驱动U_i所设置的探伤臂单元（42）的探头臂电机（425），带动探头臂移动机构（424）向车轴（11）表面移动，使超声波探头（422）与车轴（11）表面耦合接触；

d）控制单元（7）向超声波发生接收器（5）发送U_i所设置的超声探伤参数信号及重复触发信号，使超声波发生接收器（5）向超声波探头（422）重复发射超声波激励信号、接收超声波回波信号并采用滤波放大电路对超声波信号进行滤波、放大，控制单元（7）接收超声波发生接收器（5）输出的超声信号，检测回波信号是否超过U_i所设置的探伤判据，将超过该探伤判据的缺陷波形信号以及探伤位置信息保存到控制单元（7）的永久存储器中；

e）控制单元（7）向电机驱动器单元（6）发送信号，驱动第i个探伤单元（4）的溜板电机（411），使溜板平移机构（412）带动溜板（413）移动，重复步骤c）直至第i个探伤单元（4）移动到U_i所设置的轴段结束位置；

f）令第i个探伤单元（4）的探伤计数器C_i加1，若C_i大于集合A_i的总数，则进入步骤g），否则进入步骤a）；

g）若已完成探伤工作的第i个探伤单元（4）将影响其他还未完成探伤作业的探伤单元（4），则控制单元（7）向电机驱动器单元（6）发送信号，将第i个探伤单元（4）移动到不影响其他探伤单元（4）的位置；

h）第i个探伤单元（4）的自动探伤控制步骤结束；

7）控制单元（7）检查1～M个探伤单元（4）是否均完成探伤，或是否出现运行错误，或是否人工停机，“是”则进入步骤8），否则重复步骤7）；

8）控制单元（7）停止向超声波发生接收器（5）发送信号，停止采集发送和采集超声信号；

9）控制单元（7）向电机驱动器单元（6）发送信号，驱动探头臂（423）回到探头臂机械零点位置R，驱动溜板（413）回到溜板机械零点位置S，驱动龙门架单元（3）回到横梁机械零点位置T0；

10）自动探伤过程结束，保存所有探伤过程信息。

10.如权利要求9所述车轴径向超声波自动探伤控制方法，其特征在于：所述的探伤信息包括：轴段起始位置、轴段结束位置、轴段直径、使用的探伤单元（4）的编号、使用的探伤臂单元（42）的编号、超声波发生接收器（5）的超声探伤参数以及探伤判据。

Images