CN116642951B - 一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，包括步骤：一、构建液压支架立柱活柱缺陷超声检测系统；二、构建三维直角坐标系；三、构建活柱的稳态声场分布模型；四、确定水声距的最优值；五、设置扫描路径并对活柱进行超声扫描。本发明通过同步带连接第一带轮和第二带轮，提高步进电机高度，利用传动箱体隔离水位，水箱内的水面高度低于步进电机底部的安装高度且高于活柱顶部的高度，避免传动的皮带和齿轮直接浸泡在水中，活柱旋转的位置精度可靠性高，匹配了探头表面在界面不同点处入射角度的差异，提出了曲面条件下的活柱的稳态声场分布模型，获得水声距的最优值，实现活柱缺陷超声检测结果精准度高。
Description
技术领域
本发明属于液压支架立柱活柱缺陷检测技术领域，具体涉及一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法。
背景技术
煤矿机电装备是实现煤炭智能开采的重要保证，综采液压支架是现代采煤安全防护、作业空间扩大和采煤效率提高的关键。立柱是液压支架重要的支撑部件，其服役环境极为恶劣，长期在重载和交变载荷下运行，表面或内部极易产生各种疲劳损伤，随着疲劳损伤的不断扩展，疲劳强度逐渐劣化，严重时引起活柱断裂，影响到支护特性，带来安全隐患。为保障液压支架工作的可靠性，有必要对液压支架立柱上的活柱进行检测。现有的接触式超声C扫描检测中存在耦合不良、探头磨损、检测效率低和检测灵敏度不佳等问题，难以满足检测要求。而水浸超声检测以水作耦合剂，能够消除接触检测中难以控制的因素，使超声波的发射与接收比较稳定，对工件表面光洁度要求不高，耦合稳定，检测结构重复性好，易于实现自动化检测，提高检测效率。
活柱属于典型的棒料类零件，现有的棒料类超声检测装置通常通过旋转机构带动工件旋转，加上探头的直线运动这种组合的形式实现对工件的全面扫查，但现有的工件旋转机构存在很多不足，将传动的皮带或者齿轮直接浸泡在耦合水中，这样易引起关键传动零件如齿轮、带轮等锈蚀，影响到轴承的密封，引起皮带受潮失效，从而引起传动系统传动误差增大，影响到工件旋转的位置精度，最终影响到成像的质量，使得缺陷的定量和定位分析不准确。另外，探头参数和水声距决定了活柱内部的声场分布，加之活柱表面曲率的存在，由于活柱表面曲率引起超声波束的散射或聚焦，界面的反射、折射等现象使得声波的传播行为变得复杂，使声束进入活柱后的声场分布发生变化，确保超声波束准确地入射到待检测区域是检测工作的难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，通过同步带连接第一带轮和第二带轮，提高步进电机高度，利用传动箱体隔离水位，水箱内的水面高度低于步进电机底部的安装高度且高于活柱顶部的高度，避免传动的皮带和齿轮直接浸泡在水中，活柱旋转的位置精度可靠性高，匹配了探头表面在界面不同点处入射角度的差异，提出了曲面条件下的活柱的稳态声场分布模型，获得水声距的最优值，实现活柱缺陷超声检测结果精准度高，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、构建液压支架立柱活柱缺陷超声检测系统，液压支架立柱活柱缺陷超声检测系统包括安装架、水箱、三自由度直线滑台机构、回转机构和超声检测机构，超声检测机构通过三自由度直线滑台机构移动，安装架的顶部为矩形框结构，安装架的下部内部设置有用于放置水箱的置物台，回转机构放置在水箱内，回转机构包括底座以及均安装在底座上的传动箱体和尾座，尾座上安装有顶尖，传动箱体的上部外侧壁上安装有步进电机，步进电机的转轴伸入至传动箱体内且其上安装有第一带轮，传动箱体底部设置有用于安装传动轴的轴承座，传动轴的一端安装有第二带轮，第一带轮和第二带轮上套装有同步带，传动轴的另一端伸出传动箱体外且其上安装有三爪卡盘，活柱的一端安装在三爪卡盘上，活柱的另一端与顶尖的尖端抵接，传动轴与传动箱体的连接位置处设置有油封和法兰，水箱内的水面高度低于步进电机底部的安装高度且高于活柱顶部的高度，超声检测机构包括依次连接的水浸聚焦探头、数字超声探伤仪和工控机，水浸聚焦探头安装在三自由度直线滑台机构的底部且浸入水中；
步骤二、构建三维直角坐标系，以活柱的中心为坐标原点、活柱的长度中轴线为X轴、竖直垂线为Z轴、垂直于X轴和Z轴所在平面的直线为Y轴建立三维直角坐标系；
步骤三、构建活柱的稳态声场分布模型，过程如下：
步骤301、根据公式确定声波从液体向固体中传播的透射系数/>其中，/>为声束在界面处的入射角，/>为声束在界面处的折射横波的折射角，/>为水中纵波波速，/>为活柱中纵波波速，ρ1为水的密度，ρ2为活柱的密度,/>为声束在界面处的折射纵波的折射角；
步骤302、构建活柱的稳态声场分布模型其中，(x,y,z)为活柱内点的空间三维坐标，Al为第一25组复值膨胀系数，l为复值膨胀系数编号且l＝1,2,...,25，v0为水浸聚焦探头表面的初始速度，w(z)为第一中间变量且det为行列式运算，z0为待定的水声距，[M1(0)]l为声束在界面处水层中的传输矩阵且/>i为虚数单位，DR为瑞利距离，Bl为第二25组复值膨胀系数，[M1(z0)]l为声束在z0处水层中的传输矩阵且[M2(0)]l为声束在界面处活柱介质中的传输矩阵且/> 为折射角，h11＝1/r1，r1为活柱的曲面的主曲率，/>r2为活柱的曲面的次曲率，[M2(z)]l为声束在活柱介质内的传输矩阵且{}11表示取矩阵中第1行第1列的值，{}22表示取矩阵中第2行第2列的值；q(x,y,z)为第二中间变量且k1为水中的波数，k2为活柱中的波数；
步骤四、确定水声距的最优值：利用活柱的稳态声场分布模型H(x,y,z)模拟不同水声距的声压力场，确定水声距的最优值，最优水声距的声聚焦区域覆盖活柱的半圆范围；
步骤五、设置扫描路径并对活柱进行超声扫描：将水浸聚焦探头移动至活柱的正上方，并使水浸聚焦探头下降至最优水声距高度，根据活柱的长度在工控机上设置三自由度直线滑台机构在x轴上的运行长度范围，并设置水浸聚焦探头在x轴方向上往复运动，设置步进电机的步长和速度，启动回转机构和超声检测机构，实现活柱在步进自转运动下的自动超声全面扫查，获取活柱的超声B扫图像和C扫图像，进而实现活柱缺陷超声检测结果。
上述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述底座上设置有用于固定尾座位置的固定把手。
上述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述三自由度直线滑台机构包括设置在矩形框结构顶部的X向滑轨和Y向滑轨，Y向滑轨通过X向滑块与X向滑轨连接，Y向滑轨上设置有Y向滑块，Z向伸缩杆的底部伸入至水面之下，Z向伸缩杆的上部通过抱箍与Y向滑块连接。
上述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述X向滑轨和Y向滑轨均为直线滑台式滑轨，Z向伸缩杆为电动伸缩杆。
上述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述水浸聚焦探头安装在Z向伸缩杆的底部。
上述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述工控机的输出端连接有显示器。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明设计新颖合理，通过同步带连接第一带轮和第二带轮，提高步进电机高度，利用传动箱体隔离水位，水箱内的水面高度低于步进电机底部的安装高度且高于活柱顶部的高度，避免传动的皮带和齿轮直接浸泡在水中，活柱旋转的位置精度可靠性高。
2、本发明方法步骤简单，匹配了探头表面在界面不同点处入射角度的差异，提出了曲面条件下的活柱的稳态声场分布模型，获得水声距的最优值，实现活柱缺陷超声检测结果精准度高,还适用于轴类或者棒类零件的超声检测，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明液压支架立柱活柱缺陷超声检测系统的结构示意图。
图2为本发明回转机构的结构示意图。
图3为本发明的方法流程框图。
图4为本实施例活柱的稳态声场分布模型模拟不同水声距的声压力场剖面二维切片的灰度图。
图5为本实施例含有平底孔的活柱试块结构示意图。
图6为本实施例最优水声距下的活柱缺陷超声检测结果灰度图。
图7为本实施例非最优水声距下的活柱缺陷超声检测结果灰度图。
附图标记说明:
1—步进电机； 2—传动轴； 3—油封；
4—法兰； 5—三爪卡盘； 6—活柱；
7—顶尖； 8—尾座； 9—固定把手；
10—底座； 11—轴承座； 12—传动箱体；
13—同步带； 14—第一带轮； 15—回转机构；
16—安装架； 17—置物台； 18—X向滑轨；
19—X向滑块； 20—Y向滑轨； 21—Y向滑块；
22—抱箍； 23—Z向伸缩杆； 24—水浸聚焦探头；
25—水箱； 26—水面。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，包括以下步骤：
步骤一、构建液压支架立柱活柱缺陷超声检测系统，液压支架立柱活柱缺陷超声检测系统包括安装架16、水箱25、三自由度直线滑台机构、回转机构15和超声检测机构，超声检测机构通过三自由度直线滑台机构移动，安装架16的顶部为矩形框结构，安装架16的下部内部设置有用于放置水箱25的置物台17，回转机构15放置在水箱25内，回转机构15包括底座10以及均安装在底座10上的传动箱体12和尾座8，尾座8上安装有顶尖7，传动箱体12的上部外侧壁上安装有步进电机1，步进电机1的转轴伸入至传动箱体12内且其上安装有第一带轮14，传动箱体12底部设置有用于安装传动轴2的轴承座11，传动轴2的一端安装有第二带轮，第一带轮14和第二带轮上套装有同步带13，传动轴2的另一端伸出传动箱体12外且其上安装有三爪卡盘5，活柱6的一端安装在三爪卡盘5上，活柱6的另一端与顶尖7的尖端抵接，传动轴2与传动箱体12的连接位置处设置有油封3和法兰4，水箱25内的水面26高度低于步进电机1底部的安装高度且高于活柱6顶部的高度，超声检测机构包括依次连接的水浸聚焦探头24、数字超声探伤仪和工控机，水浸聚焦探头24安装在三自由度直线滑台机构的底部且浸入水中；
需要说明的是，回转机构的主要作用是带动活柱旋转，整个回转机构放置在水箱中，系统工作时，为保证超声波与活柱的良好耦合，活柱和卡盘会完全淹没在水中；在检测过程中，水箱提供良好的水耦合条件，三自由度直线滑台机构带动水浸聚焦探头24在空间运动，通过调节X、Y轴使得水浸聚焦探头24正好位于活柱的正上方，通过调节Z轴调整水浸聚焦探头24与活柱的距离，回转机构带动活柱旋转，两者相互配合完成对活柱的全覆盖扫查，通过同步带连接第一带轮和第二带轮，提高步进电机高度，利用传动箱体隔离水位，水箱内的水面高度低于步进电机底部的安装高度且高于活柱顶部的高度，避免传动的皮带和齿轮直接浸泡在水中，活柱旋转的位置精度可靠性高。
步骤二、构建三维直角坐标系，以活柱6的中心为坐标原点、活柱6的长度中轴线为X轴、竖直垂线为Z轴、垂直于X轴和Z轴所在平面的直线为Y轴建立三维直角坐标系；
步骤三、构建活柱的稳态声场分布模型，过程如下：
步骤301、根据公式确定声波从液体向固体中传播的透射系数/>其中，/>为声束在界面处的入射角，/>为声束在界面处的折射横波的折射角，/>为水中纵波波速，/>为活柱中纵波波速，ρ1为水的密度，ρ2为活柱的密度,/>为声束在界面处的折射纵波的折射角；
步骤302、构建活柱的稳态声场分布模型其中，(x,y,z)为活柱内点的空间三维坐标，Al为第一25组复值膨胀系数，l为复值膨胀系数编号且l＝1,2,...,25，v0为水浸聚焦探头表面的初始速度，w(z)为第一中间变量且det为行列式运算，z0为待定的水声距，[M1(0)]l为声束在界面处水层中的传输矩阵且/>i为虚数单位，DR为瑞利距离，Bl为第二25组复值膨胀系数，[M1(z0)]l为声束在z0处水层中的传输矩阵且[M2(0)]l为声束在界面处活柱介质中的传输矩阵且/> 为折射角，h11＝1/r1，r1为活柱6的曲面的主曲率，/>r2为活柱6的曲面的次曲率，[M2(z)]l为声束在活柱介质内的传输矩阵且{}11表示取矩阵中第1行第1列的值，{}22表示取矩阵中第2行第2列的值；q(x,y,z)为第二中间变量且k1为水中的波数，k2为活柱中的波数；
第一25组复值膨胀系数和第二25组复值膨胀系数表见表1。
表1
步骤四、确定水声距的最优值：利用活柱的稳态声场分布模型H(x,y,z)模拟不同水声距的声压力场，确定水声距的最优值，最优水声距的声聚焦区域覆盖活柱的半圆范围；
步骤五、设置扫描路径并对活柱进行超声扫描：将水浸聚焦探头24移动至活柱6的正上方，并使水浸聚焦探头24下降至最优水声距高度，根据活柱6的长度在工控机上设置三自由度直线滑台机构在x轴上的运行长度范围，并设置水浸聚焦探头24在x轴方向上往复运动，设置步进电机1的步长和速度，启动回转机构15和超声检测机构，实现活柱6在步进自转运动下的自动超声全面扫查，获取活柱6的超声B扫图像和C扫图像，进而实现活柱缺陷超声检测结果。
如图4所示，利用频率为1.5MHz的探头放置在活柱的正上方，获取不同水声距的声压力场剖面图，其中，图4的a至f图中水声距值依次为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm和55mm；可见，声聚焦区域长度随着水声距的增大，呈现出先增大后减小的趋势，当水声距为40mm时，声聚焦区域能很好地覆盖活柱的半圆范围，水声距值偏小时，活柱表面无法声聚焦；水声距值偏大时，活柱声聚焦区域长度无法达到圆心位置。
图6为水声距40mm的活柱缺陷超声检测结果，图7为水声距55mm的活柱缺陷超声检测结果，检测结果见表2。
表2
本实施例中，所述底座10上设置有用于固定尾座8位置的固定把手9。
本实施例中，所述三自由度直线滑台机构包括设置在矩形框结构顶部的X向滑轨18和Y向滑轨20，Y向滑轨20通过X向滑块19与X向滑轨18连接，Y向滑轨20上设置有Y向滑块21，Z向伸缩杆23的底部伸入至水面26之下，Z向伸缩杆23的上部通过抱箍22与Y向滑块21连接。
本实施例中，所述X向滑轨18和Y向滑轨20均为直线滑台式滑轨，Z向伸缩杆23为电动伸缩杆。
本实施例中，所述水浸聚焦探头24安装在Z向伸缩杆23的底部。
本实施例中，所述工控机的输出端连接有显示器。
本发明使用时，为防止回转运动机构在水中生锈影响使用性能，传动轴与三爪卡盘采用不锈钢制作，箱体采用轻质铝合金材料，箱体与传动轴处采用PTFE加强型油封，实现旋转轴处防水密封；把活柱安装在回转机构上被三爪卡盘5夹紧，根据活柱的长度调节尾座8在底座10上的位置，活柱另一端由顶尖7和尾座固定，当顶尖把工件固定好后，转动固定把手使得尾座固定，顶尖与三爪卡盘的轴线要重合；电机工作时带动带轮转动，带轮带动皮带运动，使得传动轴转动，传动轴一端与三爪卡盘配合，使得活柱旋转；底座上开有槽，可以根据活柱的长度调整尾座在槽上的位置；传动轴一端有螺纹，三爪卡盘通过螺纹安装在传动轴一端，为防止耦合水进入到传动箱体，在传动轴上安装有油封，并用法兰固定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、构建液压支架立柱活柱缺陷超声检测系统，液压支架立柱活柱缺陷超声检测系统包括安装架(16)、水箱(25)、三自由度直线滑台机构、回转机构(15)和超声检测机构，超声检测机构通过三自由度直线滑台机构移动，安装架(16)的顶部为矩形框结构，安装架(16)的下部内部设置有用于放置水箱(25)的置物台(17)，回转机构(15)放置在水箱(25)内，回转机构(15)包括底座(10)以及均安装在底座(10)上的传动箱体(12)和尾座(8)，尾座(8)上安装有顶尖(7)，传动箱体(12)的上部外侧壁上安装有步进电机(1)，步进电机(1)的转轴伸入至传动箱体(12)内且其上安装有第一带轮(14)，传动箱体(12)底部设置有用于安装传动轴(2)的轴承座(11)，传动轴(2)的一端安装有第二带轮，第一带轮(14)和第二带轮上套装有同步带(13)，传动轴(2)的另一端伸出传动箱体(12)外且其上安装有三爪卡盘(5)，活柱(6)的一端安装在三爪卡盘(5)上，活柱(6)的另一端与顶尖(7)的尖端抵接，传动轴(2)与传动箱体(12)的连接位置处设置有油封(3)和法兰(4)，水箱(25)内的水面(26)高度低于步进电机(1)底部的安装高度且高于活柱(6)顶部的高度，超声检测机构包括依次连接的水浸聚焦探头(24)、数字超声探伤仪和工控机，水浸聚焦探头(24)安装在三自由度直线滑台机构的底部且浸入水中；
步骤二、构建三维直角坐标系，以活柱(6)的中心为坐标原点、活柱(6)的长度中轴线为X轴、竖直垂线为Z轴、垂直于X轴和Z轴所在平面的直线为Y轴建立三维直角坐标系；
步骤三、构建活柱的稳态声场分布模型，过程如下：
步骤301、根据公式确定声波从液体向固体中传播的透射系数/>其中，/>为声束在界面处的入射角，/>为声束在界面处的折射横波的折射角，/>为水中纵波波速，/>为活柱中纵波波速，ρ1为水的密度，ρ2为活柱的密度,/>为声束在界面处的折射纵波的折射角；
步骤302、构建活柱的稳态声场分布模型其中，(x,y,z)为活柱内点的空间三维坐标，Al为第一25组复值膨胀系数，l为复值膨胀系数编号且l＝1,2,...,25，v0为水浸聚焦探头(24)表面的初始速度，w(z)为第一中间变量且det为行列式运算，z0为待定的水声距，[M1(0)]l为声束在界面处水层中的传输矩阵且/>i为虚数单位，DR为瑞利距离，Bl为第二25组复值膨胀系数，[M1(z0)]l为声束在z0处水层中的传输矩阵且[M2(0)]l为声束在界面处活柱介质中的传输矩阵且/> 为折射角，h11＝1/r1，r1为活柱(6)的曲面的主曲率，/>r2为活柱(6)的曲面的次曲率，[M2(z)]l为声束在活柱介质内的传输矩阵且/>{}11表示取矩阵中第1行第1列的值，{}22表示取矩阵中第2行第2列的值；q(x,y,z)为第二中间变量且/>k1为水中的波数，k2为活柱中的波数；
步骤四、确定水声距的最优值：利用活柱的稳态声场分布模型H(x,y,z)模拟不同水声距的声压力场，确定水声距的最优值，最优水声距的声聚焦区域覆盖活柱的半圆范围；
步骤五、设置扫描路径并对活柱进行超声扫描：将水浸聚焦探头(24)移动至活柱(6)的正上方，并使水浸聚焦探头(24)下降至最优水声距高度，根据活柱(6)的长度在工控机上设置三自由度直线滑台机构在x轴上的运行长度范围，并设置水浸聚焦探头(24)在x轴方向上往复运动，设置步进电机(1)的步长和速度，启动回转机构(15)和超声检测机构，实现活柱(6)在步进自转运动下的自动超声全面扫查，获取活柱(6)的超声B扫图像和C扫图像，进而实现活柱缺陷超声检测结果。
2.按照权利要求1所述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述底座(10)上设置有用于固定尾座(8)位置的固定把手(9)。
3.按照权利要求1所述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述三自由度直线滑台机构包括设置在矩形框结构顶部的X向滑轨(18)和Y向滑轨(20)，Y向滑轨(20)通过X向滑块(19)与X向滑轨(18)连接，Y向滑轨(20)上设置有Y向滑块(21)，Z向伸缩杆(23)的底部伸入至水面(26)之下，Z向伸缩杆(23)的上部通过抱箍(22)与Y向滑块(21)连接。
4.按照权利要求3所述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述X向滑轨(18)和Y向滑轨(20)均为直线滑台式滑轨，Z向伸缩杆(23)为电动伸缩杆。
5.按照权利要求3所述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述水浸聚焦探头(24)安装在Z向伸缩杆(23)的底部。
6.按照权利要求1所述的一种液压支架立柱活柱缺陷超声自动检测方法，其特征在于：所述工控机的输出端连接有显示器。
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| JP2004279144A (ja) * | 2003-03-14 | 2004-10-07 | Hitachi Ltd | 超音波検査方法及び装置 |
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