CN111207868A - 一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置及方法，其技术方案为：包括从上至下依次设置的第一工作台、第二工作台和第三工作台，所述第一工作台能够沿第二工作台水平移动，第二工作台能够沿第三工作台水平移动；所述第一工作台上方设置有能够旋转设定角度的检测探头，所述检测探头连接升降装置；第一工作台上表面放置补偿探头，且补偿探头与第一工作台之间用于放置标定样件。本发明能够实现平面上不同点的测量，检测探头能够实现高度方向的升降，能够满足不同高度的测量。

Description

一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置及方法

技术领域

本发明涉及残余应力检测领域，尤其涉及一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置及方法。

背景技术

残余应力是影响构件寿命的重要因素之一，残余应力的检测是工业中安全预防的重要手段，因此，对在役工件或者机构进行残余应力检测对寿命评估具有重要意义。目前残余应力磁性无损检测有很多方式，常用的有磁记忆法、磁声发射法、磁巴克豪森噪声法、磁粉法、磁弹性法等；其中磁记忆法、磁声发射法、磁粉法和磁巴克豪森噪声法检测残余应力时只能测出应力集中区域，实现残余应力定性检测，为定性分析提供依据。而磁弹效应法可以根据磁各向异性材料电磁参数与残余应力的关系，建立起输出电量与残余应力的数学关系，根据数学方程式得到所测区域的残余应力数值。

针对现有的测量方法，磁弹性法在工程实际或实验分析中的定量检测残余应力方面具有一定的优势。但是还存在有一些的不足之处，该方法测定残余应力主要依赖于技术人员手动操作，且对于单向应力和平面应力检测过程略有不同，测量时对人工要求较高，需要测试人员具有一定的测试基础，过于依赖技术人员。

公开号为“CN106052922A”的中国专利，公开了一种钢带残余应力无损检测用的多磁极微磁传感器，该专利可简述为：通过磁极在检测平面分布成一定形状，其励磁线圈的通断对钢带磁化后拾取钢带产生的磁化信号确定出不同磁化方向的应力，该方法能够实现钢带应力的有效检测，但是所需探头数量较多，且仅适用于运动工件的有效检测，无法实现双探头、静止工件的自动化检测。

公开号为“CN105890826A”的中国专利，公开了一种基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测方法及装置，该专利可简述为：通过自动化机械手夹持探头沿叶片获取增量磁导率，以表征为残余应力；也可以机械手夹持叶片，沿固定于工作台底座的探头运动，以实现信号提取。该方法虽然能够实现自动化检测，但是自动化机械手价格昂贵，且运动控制复杂，对非叶片工件进行应力检测时，还需要根据待测工件形状设计专用夹具，且保证夹持的稳定可靠性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置及方法，能够实现平面上不同点的测量，检测探头能够实现高度方向的升降，能够满足不同高度的测量。

本发明采用下述技术方案：

一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，包括从上至下依次设置的第一工作台、第二工作台和第三工作台，所述第一工作台能够沿第二工作台水平移动，第二工作台能够沿第三工作台水平移动；

所述第一工作台上方设置有能够旋转设定角度的检测探头，所述检测探头连接升降装置；第一工作台上表面放置补偿探头，且补偿探头与第一工作台之间用于放置标定样件。

进一步的，所述升降装置包括伸出套、支撑套筒，所述检测探头安装于伸出套内部，所述伸出套与支撑套筒通过丝杠螺母机构相连。

进一步的，所述伸出套包括连接为一体的悬臂和内齿轮套，内齿轮套通过齿轮与探头电机相连。

进一步的，所述内齿轮套底部设有探头轴承，探头轴承的内圈与检测探头过盈连接，探头轴承的外圈与内齿轮套下端过盈连接。

进一步的，所述第一工作台连接第一驱动机构，第二工作台连接第二驱动机构，且第一驱动机构与第二驱动机构的安装方向相互垂直。

进一步的，所述第一驱动机构、第二驱动机构分别为电机驱动的丝杠螺母机构。

进一步的，所述第二工作台分别与第一工作台、第三工作台滑动连接。

进一步的，所述第二工作台的顶部设置滑槽，第二工作台的底部设有凸起块；第一工作台下方设有与二工作台的滑槽相配合的凸起块，第三工作台顶部设有与第二工作台的凸起块相配合的滑槽。

一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测方法，采用所述的检测装置，将检测探头置于升降装置中，待测工件置于第一工作台上，标定待测工件上所有测量点，并设定测量起始点；

检测探头在测量起始点位置上升至设定距离，探头电机旋转使检测探头复位至0°测量方向；

检测探头下降至待测工件平面，测量得到0°电流；之后旋转不同角度，以得到各角度方向的电流；

初始点测量完成后，检测探头上升至设定高度，在第一驱动机构、第二驱动机构作用下第一工作台、第二工作台移动，按照S形轨迹测量其他点电流。

进一步的，检测探头至检测得到N个点电流，其中N≥6，根据切应力差法计算残余应力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的整体结构易于实现，通过工作台能够在两个相互垂直方向移动，从而带动待测工件移动，实现平面上不同点的测量，且不需要专用夹具；

(2)本发明的检测探头能够实现高度方向的升降，能够满足不同高度样块的测量，且可用于实验检测不同提离高度的分析对比；

(3)本发明将传统的磁性法人工操作转换为机械结构的带动，在控制系统的作用下实现自动化运动，使精准性大大提高，降低了测量误差；

(4)本发明检测装置占用空间小，易于再次改造插入部分现有的装置结构中，节省成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一的电机探头连接示意图；

图3为本发明实施例一的工作台整体结构示意图；

图4为本发明实施例一的支撑套筒结构示意图；

图5为本发明实施例一的伸出套剖视图；

图6为本发明实施例一的伸出套侧视图；

图7为本发明实施例一的测量轨迹示意图；

图中：1、支撑套筒；2、第三丝杠；3、滚动轴承；4、螺钉；5、第三电机；6、支撑套；7、伸出套；8、检测探头；9、补偿探头；10、第一工作台；11、第一丝杠螺母，12、轴承支座，13、第二工作台；14、第三工作台；15、第二电机；16、电机支座；17、支撑座；18、齿轮；19、内齿轮套；20、探头轴承；21、第一电机；22、第一丝杠，23、第二丝杠，24、第二丝杠螺母。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

内齿轮套，具有内齿形的套筒结构。

探头轴承，用于与探头相连的轴承。

实施例一：

下面结合附图1-图7对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，包括检测探头8、补偿探头9、升降装置、工作台及其驱动机构，其中，检测探头8和补偿探头9为规格一致、内部结构相同的可检测磁性能变化的探头。升降装置与检测探头8相连，补偿探头9置于工作台上。

工作台设置有三个，即第一工作台10、第二工作台13、第三工作台14，且第一工作台10设于第二工作台13上方并与之滑动连接，第三工作台14设于第二工作台13下方并与之滑动连接。第一工作台10连接第一驱动机构，第二工作台13连接第二驱动机构，且第一驱动机构与第二驱动机构的安装方向相互垂直，使第一工作台10能够沿x轴方向移动，第二工作台13能够沿y轴方向移动。

所述第二工作台13的顶部设置滑槽，第二工作台13的底部设有凸起块；第一工作台10下方设有与二工作台13的滑槽相配合的凸起块，第三工作台14顶部设有与第二工作台13的凸起块相配合的滑槽。

在本实施例中，第一工作台10的底部设置T型凸起块，第二工作台13顶部开设T型槽，所述T型槽与T型凸起块配合，使第一工作台10能够沿第二工作台13移动。第二工作台13底部设置T型凸起块，第三工作台14顶部开设T型槽，T型槽与T型凸起块配合使第二工作台13能够沿第三工作台14移动。可以理解的，在其他实施例中，滑槽、凸起块可以为其他形状，只要能够实现工作台之间的相对运动即可。

如图3所示，第一驱动机构包括第一电机21、第一丝杠22，第一电机21通过电机支座安装于第三工作台14的上方；第一电机21通过联轴器与第一丝杠22的一端相连，第一丝杠22另一端安装轴承，并通过轴承支座12与第三工作台14相连。所述第一工作台10的两侧对称设置第一丝杠螺母11，第一丝杠螺母11与第一丝杠22螺纹连接，同时，第一工作台10内开设有螺纹孔，以使第一丝杠22驱动第一工作台10沿x轴方向移动。

第二驱动机构包括第二电机15、第二丝杠23，第二电机15通过电机支座16连接于第三工作台14侧面，第二工作台13两侧对称安装第二丝杠螺母24。所述第二丝杠23一端通过联轴器与第二电机15相连，第二丝杠23另一端安装轴承，且通过轴承支座与第三工作台14相连。第二丝杠23与第二丝杠螺母24螺纹连接，且第二工作台13内部开设螺纹孔，第二丝杠23在第二电机15作用下旋转，使第二工作台13沿y轴方向移动。

补偿探头9放置于第一工作台10上方，且补偿探头9和第一工作台10上表面之间放置标定样件，该标定样件和待测试样材料完全一样、工艺完全相同且处于无应力状态。检测探头8通过升降装置位于第一工作台10上方。

所述升降装置包括支撑套筒1、伸出套7、第三丝杠2等，支撑套筒1通过支承座17固定于第三工作台14的上方。在本实施例中，所述支承座17为门型结构。第三丝杠2沿竖直方向设于支撑套筒1内部，第三丝杠2一端连接电机，另一端通过滚动轴承3与支撑套筒1相连。伸出套7与第三丝杠2螺纹连接，在电机作用下使检测探头8上下移动。

进一步的，如图4所示，支撑套筒1为内部具有空腔的圆筒形结构，其一侧开设用于伸出套7移动的导向槽。如图5和图6所示，伸出套7包括连接为一体的悬臂和内齿轮套19，所述悬臂一端与第三丝杠2螺纹连接，悬臂另一端与内齿轮套19相连；检测探头8安装于内齿轮套19内部。

如图2所示，内齿轮套19顶部安装第三电机5(探头电机)，第三电机通过支撑套6与伸出套7固定。在本实施例中，支撑套6通过螺钉4与伸出套7连接。第三电机5连接齿轮18，所述齿轮18与内齿轮套19啮合。

内齿轮套19底部设有探头轴承20，探头轴承20的内圈与检测探头8下端凸台过盈连接，探头轴承20外圈与内齿轮套19下端过盈连接，从而实现检测探头8可以随升降装置上下移动而改变高度。探头轴承20的作用主要是为了使检测探头8旋转且不影响升降装置的伸出套7，伸出套7只升降、固定支撑套6同时对探头轴承20起到定位固定作用；同时伸出套7下端结构固定探头轴承20可以防止检测探头20沿轴向掉落。

检测探头8通过上端花键与内齿轮套19连接，内齿轮套19上端内齿配合接于齿轮18，实现第三电机5将旋转运动通过输出轴传递至内齿轮套19，从而带动检测探头8周向旋转。

在本实施例中，第一电机21、第二电机15、第三电机5均为步进电机，步进连接控制系统，通过设定信号控制步进电机的运动，实现工作台的定向、精准移动。

铁磁性材料在机械应力(应变)的作用下，材料磁性随着改变，从而改变探头中的电流变化。所述电流变化主要来源于探头检测过程中铁磁性材料的磁各向异性，检测探头8和补偿探头9构成检测系统电路中桥路的两臂，检测探头8旋转方向为0°、45°、90°、135°方向时电流不同。

进一步的，检测电流I_0°、I_45°、I_90°、I_135°与主应力差应力之间的关系为：

其中，K表示灵敏系数。

主应力方向角：

根据四个方向电流即可得主应力差，依据切应力差法可得一点具体应力值。

检测探头8至少需要检测得到N个(N≥6)点电流才可根据切应力差法计算残余应力。检测N点分布遵从主次原则，即主测量点位于一条直线，辅助测量点分别关于主测量点所在直线成对称分布。

检测过程为：

检测探头8置于升降装置中，待测工件放置于第一工作台10上，标定待测工件上所有测量点，并设定测量起始点；测量起始点为第一个主测量点的辅助点。所有主测量点均在一条直线方向上，每个主测量点有两个辅助测量点，且位于垂直主测量点所在直线的垂直方向，两个辅助测量点对称分布。

测量过程中分别沿S形轨迹进行，如图7所示，点一、二、三、四为主测量点，点1、2为辅助测量点，S形测量轨迹即测量顺序为第一测量点辅助点1、第一测量点、第一测量点辅助点2、第二测量点辅助点2、第二测量点、第二测量点辅助点1........

测量时，检测探头8在测量起始点位置上升到距离待测工件15mm时，升降装置暂停工作且同时第三电机5旋转，检测探头8复位至0°测量方向。之后，升降装置下降至待测工件平面，升降装置的电机停止工作，控制系统控制检测电路通电，开始测量。可测量得到0°电流，后旋转45°测量得到45°电流，再沿相同旋转方向旋转45°测得90°方向电流，再沿相同旋转方向旋转45°测得135°方向电流。

初始点测量完成后，控制第三电机5、测量电路停止工作且同时控制升降装置的电机带动检测探头8上升至距离待测工件表面15mm高度。控制系统控制工作台工作，开始测量其他点，测量遵循S形轨迹，测量过程与测量初始点方法相同，此处不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，其特征在于，包括从上至下依次设置的第一工作台、第二工作台和第三工作台，所述第一工作台能够沿第二工作台水平移动，第二工作台能够沿第三工作台水平移动；

所述第一工作台上方设置有能够旋转设定角度的检测探头，所述检测探头连接升降装置；第一工作台上表面放置补偿探头，且补偿探头与第一工作台之间用于放置标定样件。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，其特征在于，所述升降装置包括伸出套、支撑套筒，所述检测探头安装于伸出套内部，所述伸出套与支撑套筒通过丝杠螺母机构相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，其特征在于，所述伸出套包括连接为一体的悬臂和内齿轮套，内齿轮套通过齿轮与探头电机相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，其特征在于，所述内齿轮套底部设有探头轴承，探头轴承的内圈与检测探头过盈连接，探头轴承的外圈与内齿轮套下端过盈连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，其特征在于，所述第一工作台连接第一驱动机构，第二工作台连接第二驱动机构，且第一驱动机构与第二驱动机构的安装方向相互垂直。

6.根据权利要求5所述的一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，其特征在于，所述第一驱动机构、第二驱动机构分别为电机驱动的丝杠螺母机构。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，其特征在于，所述第二工作台分别与第一工作台、第三工作台滑动连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测装置，其特征在于，所述第二工作台的顶部设置滑槽，第二工作台的底部设有凸起块；第一工作台下方设有与二工作台的滑槽相配合的凸起块，第三工作台顶部设有与第二工作台的凸起块相配合的滑槽。

9.一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的检测装置，将检测探头置于升降装置中，待测工件置于第一工作台上，标定待测工件上所有测量点，并设定测量起始点；

检测探头在测量起始点位置上升至设定距离，探头电机旋转使检测探头复位至0°测量方向；

检测探头下降至待测工件平面，测量得到0°电流；之后旋转不同角度，以得到各角度方向的电流；

初始点测量完成后，检测探头上升至设定高度，在第一驱动机构、第二驱动机构作用下第一工作台、第二工作台移动，按照S形轨迹测量其他点电流。

10.根据权利要求1所述的一种基于磁弹效应的平面残余应力自动检测方法，其特征在于，检测探头至检测得到N个点电流，其中N≥6，根据切应力差法计算残余应力。

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