CN107727284B - 注塑机拉杆健康状态的超声波检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注塑机拉杆健康状态的超声波检测方法和装置，包括：(1)针对在线的注塑系统，紧贴拉杆端部，沿拉杆轴向，向工作过程中的拉杆发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；(2)接收不同工作状态下的超声波反射回波，以拉杆放松状态下的反射回波为基准，确定其他工作状态下的反射回波的时间差△t；(3)将时间差△t代入预先得到的时间差△t与拉杆受力F间的计算公式，得到拉杆在不同工作状态下的受力F，通过F值判断注塑机拉杆的健康状态。本发明具有如下优点：对拉杆受力的工作状态的测量并非针对局部，而是针对整根拉杆；超声波的检测方法可以实现实时在线的检测，及时发现工作状态的变化并做出相应处理。

Description

注塑机拉杆健康状态的超声波检测方法和装置

技术领域

本发明涉及塑料成型设备检测技术，具体涉及一种实时无损检测注塑机拉杆健康状态的超声检测方法和装置。

背景技术

塑料在现代工业材料中的比重日益提升，在诸多塑料加工工艺中，注塑成型以其生产速度快、效率高，操作可实现自动化，产品形状复杂，尺寸精确等而成为其中应用最为广泛的塑料加工工艺。注塑机是注塑成型的核心设备，它是将热塑性塑料或热固性塑料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的成型设备。

在注塑机各部件中，拉杆是其中受力最复杂的核心部件之一。在注塑加工的各个工艺过程中，注塑机拉杆受到高频变化的拉、压应力作用，是注塑机最容易发生损坏的关键部位之一。实现对注塑机拉杆健康状态的实时在线检测，及时发现并排除工作状态中的异常情况，是减轻注塑机故障率，提升注塑机寿命和提升生产效率的关键技术之一。

注塑机拉杆健康状态主要包括拉杆整体受力的均匀性和单一受力的有限性两个方面。整体受力的均匀性指的是四根拉杆受力要相对均匀，彼此差值不超过5％；单一拉杆受力的有限性指的是每根拉杆的受力都不能超过设备额定值的80％，留出安全空间。只有同时满足以上两条件，注塑机拉杆才处于健康状态；只要不满足其中任何一项，则注塑里拉杆处于不健康状态。

注塑机拉杆的健康状态检测至关重要，但又困难重重。由于拉杆是细长件，且大部分区域被其他部件紧密覆盖，因此，很难实现对注塑机拉杆的全尺寸、实时在线的健康状态检测。目前注塑机拉杆的检测都是通过应变片来测量的。但这种方法有其不可避免的缺点：

(1)应变片的检测为局部性，只能实现拉杆首尾两段局部区域的检测。

(2)应变片对温度变化太过敏感，易将温升和受力混淆。

(3)应变片难以实现对整个注塑过程的实时在线测量。

面对目前检测手段的种种弊端，世界上多家科研机构的专家学者都在寻找一种经济有效的，可以实时在线表征注塑机拉杆健康状态的检测手段，以便实时在线监测其健康状态。

发明内容

本发明旨在提供一种成本低廉，使用方便，精度易控制，无损的用于注塑成型中对注塑机拉杆健康状态的超声实时在线检测的方法和装置。

注塑机拉杆是一根细长杆，在不同的工作状态下，注塑机拉杆受力不同，长度不同。在拉杆一端发射超声波，经拉杆另一端反射后，收到超声波回波；不同工作状态下拉杆受力不同，长度不同，收到超声波反射波的时间不同。比较拉杆放松状态下和受力状态下收到的两次超声波回波时间的时间差，根据时间差，便可计算出拉杆在工作状态下的受力和伸长量。根据受力的大小和均匀性，便可判断注塑机拉杆的健康状态。本发明即是建立在上述理论上。

一种实时无损检测注塑机拉杆健康状态的超声检测方法，包括如下步骤：

(1)针对在线的注塑系统，在注塑机尾部，垂直于拉杆横截面的方向上，沿轴向紧贴拉杆，向工作过程中的拉杆发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；

(2)接收不同工作状态下的超声波反射回波，以拉杆放松状态下的反射回波为基准，确定其他工作状态下的反射回波的时间差△t；

(3)将时间差△t代入预先得到的时间差△t与拉杆受力F间的计算公式，得到拉杆在不同工作状态下的受力F，通过F值判断注塑机拉杆的健康状态。

本发明中，所述的时间差△t与拉杆的伸长量对应。伸长量越大，则意味着两次超声波传播路径差越大，进而上述传播过程时间差也就越大，通过寻找两者之间的关系，可以最终实现对注塑机拉杆受力情况及健康状态的在线检测。

作为优选，步骤(1)中，超声波探头的具体安装要求如下：超声波探头的施加位置应避开拉杆上的加工定位孔，且探头和拉杆之间应施加耦合剂，保证两者紧密接触。

步骤(1)中沿拉杆轴向拉杆发射一系列超声波，使用大截面直径、低频探头，减少侧壁反射，提高信噪比。

作为优选，步骤(1)中，超声波探头的具体安装要求如下：借助于拉杆尾部的螺纹，超声波探头要固定安装。

作为优选，步骤(1)中，采集所述反射回波信息时应取对应超声波的第3组回波。这里所述的“组”是指连续的一个波段。针对拉杆的特殊结构，采集第3组回波，即从拉杆一端到达另一端，然后再返回至起始端的回波。

作为优选，步骤(2)中所述以拉杆放松状态下的反射回波为基准，放松状态的确认标准如下：以模具打开状态为拉杆放松状态。

作为优选，步骤(2)中时间差△t由下述方法得到：

(2-1)利用matlab程序对原始接收的回波信息进行处理，得到回波信息图谱；

(2-2)从回波信息图谱中找到拉杆放松状态和工作状态，借助于小波分析，使用小波分析的方法计算得到所述的时间差△t。

由于原始接收的回波信息量巨大，为了提高计算机计算效率，作为优选，步骤(2-1)中，间隔提取所述回波信息，对提取的回波信息进行处理，得到回波信息图谱。作为进一步优选，提取所述回波信息的间隔时间为(1～5)％×t₀，其中t₀为注塑机拉杆发生动作时的最小持续时间(也就是说，t₀为注塑机拉杆持续处于工作状态的最短时间)。实际确定间隔时间时，可通过预先的实验，预估出注塑机拉杆发生动作时的最小持续时间t₀。采用该技术方案，保证在注塑机拉杆发生动作形成过程中，提取出尽量多的超声波进行计算，进一步提高起始时间差的准确度，进而进一步保证拉杆尺寸变化的精确度，同时也保证了计算效率。

作为优选，步骤(3)中所述计算公式的具体求法如下：

(3-1)针对同一注塑机系统，在注塑机尾部，垂直于拉杆横截面的方向上，沿轴向紧贴拉杆，向工作过程中的拉杆发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；

(3-2)接收不同工作状态下的超声波反射回波，以拉杆放松状态下的反射回波为基准，确定其他工作状态下的反射回波的时间差△t′；

(3-3)针对同一注塑机系统，测得其拉杆直径d、有效长度l、弹性模量E和超声波在该种材质中的传播速度v；

(3-4)根据注塑系统的机械结构，得到超声波回波时间差△t′和拉杆受力F′之间的关系：F′＝σ×S

其中：S＝πd²/4；S为拉杆横截面积；

σ＝ε×E；σ为拉杆应力，ε＝Δt’×v÷2l为拉杆受力所产生应变，E为拉杆该种材质的弹性模量；

所以，F′＝×S＝Δt’×v÷l×E×πd²/8。

作为进一步优选：(3-3)中超声波在该种材质中的传播速度v由如下方法得到：

(3-3-1)取和拉杆同样材质且已知厚度h的试块，借助于耦合剂，将超声波探头紧贴试块，测得超声波往返试块的时间△t″。

(3-3-2)根据试块厚度h和超声波传播时间△t″，借助于公式：

v＝2h/Δt″

(3-3-3)重复(3-3-1)和(3-3-2)多次，得到多个超声波在该种材质中的传播速度值，取平均。

作为优选，步骤(3)中拉杆健康状态的判断方法如下：分别检测4根拉杆之间受力的差值是否小于每根拉杆受力的5％，以及检测每根拉杆受力是否在额定值的80％以内，同时满足以上两项则拉杆处于健康状态，不满足其一即不健康。

本发明还提供了一种注塑机拉杆健康状态的超声在线检测装置，包括：

在注塑机尾部，垂直于拉杆横截面的方向上，沿轴向紧贴拉杆的超声探头，以及探头固定装置；

控制超声探头发出脉冲超声波的超声卡，用于接收和采集回波信息，并将采集到的回波信息输出；

计算机，用于接收所述超声卡输出的回波信息，并对采集到的回波信息进行处理，计算接收到回波信号的时间差△t，得到拉杆受力F。

本发明中，所述回波信息是指收集信号时间区间内收集到的信息，包括基础信号信息、反射波信息，或者也可能包括干扰信息等。通过计算不同工作状态下的反射信号的时间差，可以得到所述的时间差△t，进而进一步确定拉杆受力F。通过对比各工作状态下的杆受力F，即可对拉杆受力状态进行判断，进而对拉杆的健康状态进行判断。

本发明中，所述超声卡可以是数字式超声卡，也可以是一体式的超声探伤仪。数字式超声卡用于控制超声探头发出脉冲超声波，还用于接收和采集穿过拉杆之后的拉杆底面的超声反射波。PC机对采集到的超声信号进行处理，计算拉杆伸长量和受力，判断健康状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：对拉杆受力的健康状态的测量并非针对局部，而是针对整根拉杆；超声波的检测方法可以实现实时在线的检测，及时发现健康状态的变化并做出相应处理。

附图说明

图1为本发明的注塑机拉杆状态的超声在线检测装置及超声波传播的示意图。

图1-A为图1中单根注塑机拉杆对应的超声探头的固定结构图；

图1-B为图1-A中A处的局部放大结构示意图；

图2(a)为单个的反射回波波形图。

图2(b)为多个超声波反射波形图叠加到一块生成的超声波图谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加明显，以下结合附图以及具体实例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

本发明以实验中的某一具体的注塑机拉杆健康状态测定实验为例进行说明。

如图1所示，本实施例中的注塑机主要由模具单元和注射单元组成，均为现有的结构。模具单元中包括四个拉杆1以及其他相关部件。

如图1、图1-A、图1-B所示，该图为实例中的注塑机拉杆工作状态超声波实时检测系统示意图。测量系统和和注塑系统包括：超声检测装置、受超声检测装置控制的一个超声探头及其固定装置、带有拉杆的注塑机。

在本实施例中，超声检测装置由超声卡和PC机组成，超声卡采用数字式超声卡。超声卡用于控制超声探头发出脉冲超声波，还用于接收和采集超声反射波，并将采集到的超声反射波发送给PC机(PC机一般采用计算机，比如可采用工业计算机等)。PC机对采集到的超声信号进行处理，确定拉杆在放松状况下的超声信号以及拉杆在工作状态下的超声信号信息，以拉杆在放松状况下的超声信号为基准，计算相邻工作状态下的超声信号的时间差△t。进而得到注塑机拉杆受力F，判断拉杆所处的健康状态。

在本实施例中，超声探头为纵波探头，沿拉杆轴向发射超声波。如图1-B所示，所述拉杆一端固定有用于安装所述超声探头的探头固定装置。固定装置包括定位螺帽2、设置在拉杆1端部的外螺纹，该外螺纹与螺帽2的内螺纹配合；以及设置在超声探头与螺帽2之间的复位弹簧3。复位弹簧3一般固定在螺帽2内壁。安装时，将超声探头置于设定位置，将螺帽2与拉杆1端部拧紧即可。借助于拉杆端部螺纹和弹簧，将超声探头固定安装在拉杆一段，详细示意见图1-B。发射超声波和接收回波信息的频率均为20KHz，预估拉杆受力均衡时，最短工作状态时间为3s，即t₀＝3s，按照(1～5)％×t₀确定提取回波信息的时间间隔，在这里，我们取为0.1s。在本例中，注塑机拉杆直径d为80mm，拉杆受力部分l长为1850mm，拉杆材料的弹性模量E为2.13*10⁵MPa。图2(a)为单个回波信息谱图，图2(b)为超声检测装置在各个时间检测得到的回波信号的图谱，其中，A段为模具打开，拉杆放松状况下得到的超声波回波图谱；B段为模具闭合，拉杆受力拉伸状况下(即拉杆处于工作状态)得到的超声波回波图谱。由于拉杆在拉力的作用下拉伸变长，所以超声波行程变长，获取超声波反射回波的时间滞后，如图2(b)A、B对比所示。由于超声波传播速度保持不变，因而△t越大，则拉杆伸长量越大，拉杆受力越大。另外，图2(b)中，纵坐标表示提取回波信息的时间点(间隔为0.1s)，横坐标为接收回波信息的时间跨度区间(150-400μs)。

如图1-A，图1-B所示，由于拉杆本身的特殊性，当一组超声波发射完毕后，会得到三组反射回波，即U₁、U₂和U₃，采集反射回波信息时应取对应超声波的第3组回波，即反应整个拉杆长度变化的回波U₃。

注塑机拉杆健康状态的超声在线检测方法具体实施步骤如下：

1)注塑机拉杆工作状态的超声在线检测系统如图1所示。在注塑工艺的整个过程中(拉杆交替的处于放松状态和工作状态)，都要进行超声波探测，得到若干条反射回波信息。

2)从上述反射回波信息中，间隔0.1s提取对应的反射回波信息，对得到反射回波信息进行处理，如图2(a)和图2(b)所示，得到包含注塑机拉杆处于放松状态和工作状态信息的超声反射图谱，利用小波分析的方法计算拉杆在相邻放松状态(图2(a))和工作状态(图2(b))下的超声波回波时间差，在本例中，时间差△t为850ns。

3)将起始时间差△t带入我们前述公式为：

F＝Δt×v÷l×E×πd²/8

得到拉杆受力为150.27kN。

重复以上步骤1)-3)，得到4根拉杆的受力情况，分别为150.27kN、148.39kN、152.41kN、151.65kN。经判断，四根拉杆中，任何两根之间的差值均小于任何一根拉杆受力的5％；且四根拉杆受力均在设备额定值的80％以内(500kN)。所以，注塑机拉杆处于健康状态。

以上步骤3)中超声波在该种材质中的传播速度的具体求法如下：

(1)取和拉杆同种材质的厚度已知的试块，测量其厚度h₁＝55.3mm。

(2)将超声探头垂直于试块表面安装，沿试块厚度方向发射超声波，用反射回波法，测得超声波往返试块的总时间t₁＝17960ns。

(3)根据公式：v＝2h₁/t₁,计算得到超声波传播速度v₁＝6167.87m/s。

(4)改变试块，重复步骤(1)-(3)，得到多组实验数据，h₂＝55.4mm、h₃＝55.9mm、h₄＝55.8mm和h₅＝54.7mm以及t₂＝17965ns、t₃＝17995ns、t₄＝17980ns、t₅＝17935ns和对应的传播速度6167.54m/s、6212.83m/s、6206.89m/s和6110.02m/s。

(5)为减小实验误差，根据多组实验数据，计算超声波在该种材质中的传播速度平均值6133.23m/s。

在本实施例中，为了确认超声波实时测量拉杆健康状态的受力数据的准确性，采用应变计辅助测量拉杆受力，并将两数据进行对比：超声波所测拉力：150.27kN、148.39kN、152.41kN、151.65kN；应变计所测拉力：151.31kN、149.16kN、152.65kN、152.18kN误差为0.69％、0.51％、0.16％、0.35％，均在1％以内，证明了超声波测量拉杆健康状态新方法的准确性。

Claims (3)

1.一种注塑机拉杆健康状态的超声波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)针对工作状态下的注塑系统，紧贴拉杆一端，沿拉杆轴向拉杆发射一系列超声波，采集该系列超声波的反射回波信息；

(2)以拉杆放松状态下的反射回波为基准，确定拉杆工作状态下的反射回波的时间差△t；

(3)将时间差△t代入预先得到的时间差△t与拉杆受力F间的计算公式，得到拉杆在不同工作状态下的受力F，通过F值判断注塑机拉杆的健康状态；

步骤(1)中，采集所述反射回波信息时应取对应超声波的第3组回波；

步骤(2)中时间差△t由下述方法得到：

(2-1)利用matlab程序对原始接收的反射回波信息进行处理，得到回波信息图谱；

(2-2)从回波信息图谱中找到拉杆放松状态和拉杆工作状态对应的图谱，使用小波分析的方法计算得到所述的时间差△t；

步骤(2-1)中，间隔提取所述回波信息，对提取的回波信息进行处理，得到回波信息图谱；

提取所述回波信息的间隔时间为(1～5)％×t₀，其中t₀为注塑机拉杆发生动作时的最小持续时间；

步骤(3)中所述计算公式为：

F＝Δt×v÷l×E×πd²/8；

其中：d为拉杆直径；l为拉杆的有效长度；E为弹性模量；v为超声波在拉杆所属材质中的传播速度；

步骤(3)中判断注塑机拉杆的健康状态的方法如下：分别检测4根拉杆之间受力的差值是否小于每根拉杆受力的5％，以及检测每根拉杆受力是否在额定值的80％以内，同时满足以上两项则拉杆处于健康状态，不满足其一即不健康；

所述传播速度v由如下方法得到：

(3-3-1)取和拉杆同样材质且已知厚度h的试块，借助于耦合剂，将超声波探头紧贴试块，沿试块厚度方向发射超声波，测得超声波往返试块的时间△t″；

(3-3-2)根据试块厚度h和超声波传播时间△t″，借助于如下公式求得该超声波对应的传播速度v’：

v’＝2h/Δt″

(3-3-3)重复(3-3-1)和(3-3-2)多次，得到多个超声波在该种材质中的传播速度v’，取多个v’的平均值，得到超声波在该种材质中的传播速度v。

2.根据权利要求1所述的注塑机拉杆健康状态的超声波检测方法，其特征在于，步骤(1)中发射一系列超声波的位置避开拉杆上的加工定位孔。

3.一种实现权利要求1～2任一项所述的注塑机拉杆健康状态的超声波检测方法的装置，其特征在于，包括：

设置在在线的注塑系统中，紧贴拉杆，可沿拉杆轴向发射超声波的超声探头；

控制超声探头发出脉冲超声波的超声卡，用于接收和采集反射回波信息，并将采集到的反射回波信息输出；

计算机，用于接收所述超声卡输出的反射回波信息，并对采集到的反射回波信息进行处理，以拉杆放松状态下的反射回波为基准，确定拉杆工作状态下的反射回波的时间差△t；通过公式计算，得到拉杆受力F。