CN116908302A - 风电轴承环件超声相控阵检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电轴承环件超声相控阵检测方法及装置，方法包括步骤：根据环件结构及厚度将待测风电轴承环件划分为端面检测区域和环面检测区域；设置相控阵探头的检测参数；并预设扫查路径，根据环件平面、凸面及凹面等几何特征设计相应的检测工艺，将具有相似几何特征的检测区域划归同一扫查路径，形成端面扫查路径和环面扫查路径；将待测风电轴承环件置于水箱中，相控阵探头根据预先设置的检测参数和扫查路径，先扫查待测风电轴承环件的多个平面检测区域，再扫查多个凹面圆弧滚道检测区域；将相控阵探头检测的信号实时传送至超声相控阵检测软件中进行成像并分析环件待测位置缺陷尺寸和位置。本发明可实现复杂环件全覆盖自动化检测，并有效提高检测效率、缩短检测时间。
Description
技术领域
本发明涉及超声波无损检测技术领域，尤其涉及一种可适用于各种尺寸与异型环件的全覆盖无损检测的风电轴承环件超声相控阵检测方法及系统。
背景技术
风电轴承环件是一类截面形状复杂的回转体结构，此类环件的截面由上下端面和内外圆周面组成，圆周面一般由多个凹面圆弧滚道和多个台阶面组成。在风力发电机组中承担着支撑、传递载荷、减少摩擦、定位滚动体和调节轴向间隙等关键作用，确保风力发电系统的正常运行和性能表现。由于风电轴承环件直径较大、环壁厚，截面常带有台阶、滚道等复杂形状，因此在锻造中表面和内部往往会产生各种缺陷，如裂纹、缩孔、疏松、白点、夹杂等，内部缺陷如不能及时得到发现和处理，会严重影响设备的安全性和使用性能。因此，对风电轴承环件进行全面检测是十分必要的。
现阶段风电轴承环件的检测主要以人工为主，即人手持常规超声仪器接触环件进行检测和缺陷判定，检测过程及结果的评价完全依赖人工，检测可靠性和重复性差，易造成缺陷的漏检和误判。因此，人工检测难以满足风电轴承齿圈全覆盖的精确检测要求。
现有超声检测系统多用于矩形等规则零部件进行检测，对于沟槽、台阶型及滚道凹面等异型环件，常规超声直发声束可达性差，超声在界面处存在严重反射散射现象，检测回波信号较弱且杂乱，且较难实现全覆盖、精确检测的要求；普通超声相控阵扇扫和聚焦声束无法完全贴合复杂表面，因此导致超声波入射能量弱、检测效果差。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种可以实现环件台阶面和滚道区域超声相控阵高分辨率成像检测方法，通过该方法可以实现不同尺寸多类型风电轴承环件超声相控阵全覆盖扫查。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种风电轴承环件超声相控阵检测方法，包括步骤：
S1、根据环件结构及厚度将待测风电轴承环件划分为端面检测区域和环面检测区域，其中端面检测区域包括多个平面检测区域，环面检测区域包括多个凹面圆弧滚道检测区域；
S2、根据平面检测区域的厚度情况、凹面圆弧滚道检测区域的凹面圆弧滚道位置及半径设置相控阵探头的检测参数；并预设扫查路径，可根据环件平面、凸面及凹面等几何特征设计相应的检测工艺，将具有相似几何特征的检测区域划归同一扫查路径，形成端面扫查路径和环面扫查路径；
其中，在进行平面检测区域检测时，选用至少一个相控阵探头，将相控阵探头的换能器阵元进行分组，每组孔径为一个声束发射序列，每组孔径以一个阵元为步长依次步进扫描，并使每组发射声束序列垂直于工件表面并且具有相同的聚焦深度和延迟法则；
在进行圆弧凹面滚道检测时，选用至少一个相控阵探头，将相控阵探头的换能器阵元进行分组，每组孔径为一个声束发射序列，并使聚焦线为凹面工件内部的一条同心圆弧线，每组孔径的发射声束垂直向下，焦点位于孔径中心线上，且聚焦点在凹面界面以下相同的深度位置和延迟法则；根据圆弧半径设置每组孔径阵元数，随圆弧半径的减小，增加子孔径阵元数；
S3、将待测风电轴承环件置于水箱中，相控阵探头根据预先设置的检测参数和扫查路径，先扫查待测风电轴承环件的多个平面检测区域，再扫查多个凹面圆弧滚道检测区域；
S4、将相控阵探头检测的信号实时传送至超声相控阵检测软件中进行成像并分析环件待测位置缺陷尺寸和位置。
接上述技术方案，在平面检测区域检测时，当检测声程在50mm以下时，聚焦深度设置在最大探测声程处；当声程检测范围在50mm以上时，聚焦深度选择检测声程范围的中间值或其他适当深度。
接上述技术方案，步骤S3中，相控阵探头以待测风电轴承环件上端面一个端点作为原点建立坐标系，探头沿x轴正方向进行步进式扫查。
接上述技术方案，在进行平面检测区域检测时，第j组声束发射延迟时间为τjb＝max(Tjb)-Tjb，其中Tjb为第j组的第b个超声波发射阵元的在液-固耦合双介质平面结构中传播的时间，max(Tjb)为最大传播时间。
本发明还提供一种风电轴承环件超声相控阵检测系统，包括：
检测区域分区模块，用于根据环件结构及厚度将待测风电轴承环件划分为端面检测区域和环面检测区域，其中端面检测区域包括多个平面检测区域，环面检测区域包括多个凹面圆弧滚道检测区域；
检测参数及扫查路径设置模块，用于根据平面检测区域的厚度情况、凹面圆弧滚道检测区域的凹面圆弧滚道位置及半径设置相控阵探头的检测参数；并预设扫查路径，可根据环件平面、凸面及凹面等几何特征设计相应的检测工艺，将具有相似几何特征的检测区域划归同一扫查路径，形成端面扫查路径和环面扫查路径；
其中，在进行平面检测区域检测时，选用至少一个相控阵探头，将相控阵探头的换能器阵元进行分组，每组孔径为一个声束发射序列，每组孔径以一个阵元为步长依次步进扫描，并使每组发射声束序列垂直于工件表面并且具有相同的聚焦深度和延迟法则；
在进行圆弧凹面滚道检测时，选用至少一个相控阵探头，将相控阵探头的换能器阵元进行分组，每组孔径为一个声束发射序列，并使聚焦线为凹面工件内部的一条同心圆弧线，每组孔径的发射声束垂直向下，焦点位于孔径中心线上，且聚焦点在凹面界面以下相同的深度位置和延迟法则；根据圆弧半径设置每组孔径阵元数，随圆弧半径的减小，增加子孔径阵元数；
检测模块，用于根据预先设置的检测参数和扫查路径，通过相控阵探头检测置于水箱中的待测风电轴承环件，先扫查待测风电轴承环件的多个平面检测区域，再扫查多个凹面圆弧滚道检测区域；
成像及分析模块，用于将相控阵探头检测的信号实时传送至超声相控阵检测软件中进行成像并分析环件待测位置缺陷尺寸和位置。
接上述技术方案，不同检测区域的探头距工件水层高度τjb＝max(Tjb)-Tjb，其中c1为超声波在水中的传播速度，c2为超声波在工件中的传播速度，r为检测深度范围；
接上述技术方案，在平面检测区域检测时，当检测声程在50mm以下时，聚焦深度设置在最大探测声程处；当声程检测范围在50mm以上时，聚焦深度选择检测声程范围的中间值或其他适当深度。
接上述技术方案，相控阵探头以待测风电轴承环件上端面一个端点作为原点建立坐标系，探头沿x轴正方向进行步进式扫查。
接上述技术方案，在进行平面检测区域检测时，第j组声束发射延迟时间为τjb＝max(Tjb)-Tjb，其中Tjb为第j组的第b个超声波发射阵元的在液-固耦合双介质平面结构中传播的时间，max(Tjb)为最大传播时间。
本发明还提供一种风电轴承环件超声相控阵检测，包括：
该装置包含水箱，水箱底部设有用于辅助环锻件旋转的支承旋转台，旋转台上有用于固定待测风电轴承环件的卡盘；
超声相控阵检测仪和工业电脑，置于水箱上方的仪器支承台上，超声相控阵检测仪一端通过连接线连接工业电脑，另一端通过探头线连接超声相控阵探头，相控阵探头由机械手控制移动。
本发明还提供一种计算机存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述技术方案所述的风电轴承环件超声相控阵检测方法。
本发明产生的有益效果是：本发明所提出的风电轴承超声相控阵检测方法，可实现风电轴承环件复杂结构全覆盖检测。根据轴承环件截面形状，划分不同的检测区域，且根据各区域特点设计不同的传感器参数以及检测参数，并针对平面检测与凹面圆弧检测，分别设计了不同的聚集法则，相较常规探查而言，极大提升了检测效率与缺陷检出能力。
此外，风电轴承环件超声相控阵检测方法采用水浸耦合方式，耦合效果更好，针对环件截面形状设计专用检测参数和聚焦算法，该方法检测装置更易实现，工业应用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的水浸超声相控阵检测系统示意图；
图2是本发明的具体实施例中风电轴承内齿式环件截面尺寸图；
图3是本发明的具体实施例中风电轴承内齿式环件检测区域划分图；
图4是本发明的具体实施例中风电轴承内齿圈环件端面检测工艺图；
图5是本发明的具体实施例中风电轴承内齿圈环件圆周面检测工艺图；
图6是本发明的具体实施例中风电轴承内齿式环件建立坐标系图；
图7是本发明的具体实施例中探头扫查凹面圆弧原理图；
图8是本发明的具体实施例中探头扫查上端面x方向运动轨迹图；
图9是本发明的具体实施例中探头扫查上端面y方向运动轨迹图；
图10是本发明的具体实施例中探头扫查凹面圆弧起始与结束角度图；
图11是本发明的具体实施例中探头扫查圆周面x方向运动轨迹图；
图12是本发明的具体实施例中探头扫查圆周面y方向运动轨迹图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的风电轴承环件超声相控阵检测方法，包括以下步骤：
步骤(1)：根据风电轴承环件截面几何形状将待测环件划分为上端面检测与圆周面检测，在进行上端面与圆周面检测之前先根据环件结构特点及厚度情况将工件划分为不同的检测区域。
步骤(2)：根据步骤(1)检测区域的划分，可分为平面检测与凹面圆弧滚道检测，在进行平面检测前，根据平面厚度情况设计各区域对应的传感器参数与检测参数；
步骤(3)：根据凹面圆弧滚道位置及半径，设计对应的传感器参数与检测参数；
步骤(4)：根据上述传感器参数设计与检测参数设计在计算机中预设相控阵探头的检测参数(阵元总数N、探头频率f和晶片间隙d、子孔径阵元数L、聚焦深度H、探头距工件的高度h)，利用控制系统预设机械手的运动轨迹和相控阵探头在各位置的偏转角度以及水层高度h；
步骤(5)：所述相控阵检测方法采用水浸耦合方式，通过机械手夹持超声探头分别对风电轴承环件上表面和圆周面进行扫查，并将检测信号实时传送至超声相控阵检测软件中进行成像；
步骤(6)：根据步骤(5)所采集的风电轴承环件超声检测信号和图像，分析环件待测位置缺陷尺寸和位置。
上述超声相控阵探头是指探头阵列排布多个晶片，比如，工业相控阵探头，通过计算机软件可控制发射阵元数量和位置以及各阵元的延迟发射和接收时间，并将接收信号进行合成和成像，为现有技术，在这里不再详述。
在本发明中，平面区域与凹面区域检测参数设计方法如下：
在进行平面检测时，相控阵探头选择与和检测参数设计如下：
阵元总数N：检测之前需确定选用探头的阵元总数N，由阵元总数N、阵元宽度a、晶片间隙d可算得探头总宽度W0＝(a+d)(N-1)+a。在检测凹面圆弧滚道时，需保证探头宽度W0<圆弧半径R，在进行平面检测时，可适当增加阵元总数N以增加声束的聚焦指向性。
探头频率f和晶片间隙d：随着检测深度的增加，探头频率f应适当减小，晶片间距适当增加以取得更好的检测效果，例如在探测深度范围为50～100mm时，探头频率f的选择范围为7.5～2MHz,晶片间隙d选择范围为1.5～0.5mm；在探测深度范围为100～200mm时，探头频率f的选择范围为5～1MHz,晶片间隙d选择范围为2.0～0.8mm以取得更好的检测效果。
子孔径阵元数L:子孔径阵元数即相控阵每次激发的阵元个数，在平面检测时，在越深的位置，声波的衰减越大，所需的子孔径阵元数越大，因此需根据实际检测深度确定合适子孔径阵元数L，例如聚焦深度在50mm/100mm/150mm时，子孔径阵元数L可分别设置为L＝8/12/16。
聚焦法则：平面结构线性聚焦扫描模型是将换能器阵元进行分组，每组孔径为一个发射序列，每组孔径以一个阵元为步长依次步进扫描。因为平面线性聚焦扫描的聚焦线为一条直线，所以每组孔径的发射声束垂直于工件表面并且具有相同的聚焦深度和延迟法则。假设超声相控阵换能器阵元总数为N，阵元宽度为a，阵元间隙为d，阵元间距为p，则p＝a+d则探头总宽度为：W0＝p(N-1)+a，假设探头距离工件上表面的水层厚度为h，孔径声束在工件内部的聚焦深度为H。每组发射孔径的阵元数量为B，当电子扫描步进距离为1个阵元时，探头电子扫描步进数为N_J＝N-B+1，其中发射孔径的宽度为：DB＝p(B-1)+a。以超声换能器中心为坐标原点建立直角坐标系，假设第j组发射孔径中心坐标为J(xj,0)，则其横坐标计算公式为：以第j组发射孔径为例，计算各阵元的聚焦法则。第j组发射孔径的第b个阵元中心点的坐标为Mb＝(x1b,0)，假设阵元发射的超声波在水钢界面入射点的坐标为Qb(x2b,y2b)，对于线性聚焦模型y2b＝h，声束在钢介质中的焦点坐标为Fj(x3j,y3j)，焦点横坐标x3j＝xj，纵坐标y3j＝h+H，超声波在液-固耦合双介质平面结构中的传播距离分别为L1b以及L2b，由上可知超声波在液-固耦合双介质平面结构中传播的时间为：式中，c1和c2分别为两个介质的声速。上式存在唯一的未知量x2b，因此只需要计算声束在界面交点的坐标Qb(x2b,y2b)，便可以计算超声波传播时间。根据费马原理可知，超声波在多介质传播遵循最短时间的传播路径。因此存在唯一的解使得传播时间最小，传播时间求导并且导函数为零，求得声束在界面交点的横坐标x2b，进而可求得第b个阵元发射声波到达焦点的时间Tjb。因此，为了保证各阵元发射的声波能同时到达焦点，则第j组孔径的各阵元的发射延迟时间为：τjb＝max(Tjb)-Tjb。
聚焦深度H：在进行线性扫查时，聚焦深度设置一般应避免在近场区内。当检测声程在50mm以下时，聚焦深度可以设置在最大探测声程处；当声程检测范围在50mm以上时，聚焦深度可以选择检测声程范围的中间值或其他适当深度；
探头距工件水层高度h：探头距工件水层高度h越大，超声波在水中传播距离增加，超声波衰减越大，超声波入射工件内部能量越弱，故理论上水层高度越小越好。在实际检测中，为避免工件界面波的干扰，第二次界面回波需出现在一次底波之后，对于平面区域，检测深度范围为r，因此：(c1为超声波在水中的传播速度，c2为超声波在工件中的传播速度)；对于凹面圆弧区域，为避免探头与工件干涉，需保证水层高度h大于圆弧半径R。
在进行圆弧凹面滚道检测时，相控阵探头选择与和检测参数设计如下：
阵元总数N：在进行圆弧凹面滚道检测时，一般检测为近表缺陷，可适当设置较小阵元数量N以减小干涉现象，需保证探头宽度W0＜圆弧半径R；
探头频率f和晶片间隙d：同平面检测；
子孔径阵元数L:在进行圆弧面检测时，声波进入工件时会在圆弧面处发生折射，曲率变大会造成超声波散射增加。为保证聚焦点有足够的声能，圆弧半径r越小，子孔径阵元数L越多；由于子孔径扫查步进数S＝N-L+1，子孔径阵元数L太大会造成步进数减少，使成像分辨率下降。因此，圆弧半径r越小，可适当增加子孔径阵元数L，以此确定各凹面圆弧区域检测子孔径阵元数L；
凹面聚焦法则：液-固耦合双介质凹面结构超声相控阵线性扫描模型其聚焦线为凹面工件内部的一条同心圆弧线，每组孔径的发射声束垂直向下，焦点位于孔径中心线上。该凹面结构线性聚焦扫描模型使得阵列孔径各声束聚焦点在凹面界面以下相同的深度位置。假设凹面圆弧半径为R，定义探头阵列中心到工件表面的最小距离为水层高度h，凹面界面以下聚焦深度为H。在直角坐标系中，凹面圆弧界面方程为圆心坐标为OB(0,h-R)。为了准确计算阵列延迟时间，建立了凹面聚焦法则参数化模型。以第j组发射孔径为例，计算凹面线性聚焦模型各阵元的延迟时间。假设阵元发射声波在水钢凹面界面入射点的坐标为Qb(x2b,y2b)，在凹面介质内部的焦点Fj(x3j,y3j)的横坐标为发射孔径中心点横坐标，即x3j＝xj。根据几何关系可计算凹面内部焦点纵坐标为：/>则超声波在液-固耦合介质凹面模型中传播的时间为Tjb，根据费马原理计算声束在凹面界面交点的横坐标x2b，代入上式进而可求得各阵元发射声波到焦点的时间Tjb，进而可求得第j组孔径的各阵元延迟时间为τjb。
聚焦深度H：同平面检测；
水层高度h：同平面检测；
扫查路径规划：探头在扫查环件时，先扫查环件上端面，再扫查环件圆周面。如图6所示，以风电轴承内齿式环件为例建立坐标系，以D1为坐标原点，D1A1为x轴正方向，向下为y轴正方向，探头先沿D1A1方向进行步进式扫查。上端面扫查完成后，再依次扫查外侧圆周面两个凹面圆弧滚道，再依次步进扫查区域Ⅴ与Ⅶ。假设探头在扫查区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ时环件每旋转一圈探头的步进分别为m1、m2、m3、m4、m5，探头相对工件的水层高度分别为hⅠ、hⅡ、hⅢ、hⅤ、hⅤ；探头在扫查凹面圆弧滚道时环件每旋转一圈探头的步进角度为探头通过圆心与滚道的距离始终保持为hR，如图7所示。假定[x]表示不超过x的最大整数。
探头在扫查上端面时，忽略在检测不同区域时调整探头相对工件位置消耗的时间，则探头在x方向的运动轨迹与环件旋转圈数n的方程为：
探头在y方向的运动轨迹与与环件旋转圈数n的方程为：
分别以x、y为纵坐标，环件旋转圈数为横坐标，可以分别画出环件在扫查上端面时探头在x、y方向的运动轨迹图像，分别如图8图9所示。
环件在扫查外侧圆周面时，先扫查两个凹面圆弧滚道区域，再依次扫查其他区域。在扫查滚道区域时，探头起始位置与结束位置与y轴方向均存在一个夹角如图10所示。令ls＝l1+l2+l3，则探头在x方向的运动轨迹与环件旋转圈数n的方程为：
令则
探头在y方向的运动轨迹与与环件旋转圈数n的方程为：
分别以x、y为纵坐标，环件旋转圈数为横坐标，可以分别画出环件在扫查外侧端面时探头在x、y方向的运动轨迹图像，分别如图11图12所示。
作为本发明的优选方案，本发明实施例风电轴承环件超声相控阵水浸自动检测装置，如图1所示，该检测装置用于实现上述实施例的风电轴承环件超声水浸自动检测方法，该检测装置包括用于装满耦合剂的水箱1，水箱底部安装有辅助环件旋转的旋转台2，环件内侧安装有用于环锻件定位的卡盘8，所述水箱上方安装有一个超声探头扫查装置，装置Z轴末端通过电机转轴与探头连接，用于圆周面扫查。超声探头扫查装置通过连接线与工业电脑4相连接，负责发射和接收超声信号，通过计算机软件设置检测参数并进行检测结果分析，该系统可以实现风电轴承环件的全覆盖扫查和曲面结构超声相控阵成像检测。
本发明的该实施例可实现风电轴承环件复杂结构全覆盖检测。且根据轴承环件截面形状，划分不同的检测区域，根据各区域特点设计不同的传感器参数以及检测参数，并针对平面检测与凹面圆弧检测，分别设计了不同的聚集法则，相较常规探查而言，极大提升了检测效率与缺陷检出能力。所述风电轴承环件超声相控阵检测方法采用水浸耦合方式，耦合效果更好，针对环件截面形状设计专用检测参数和聚焦算法，该方法检测装置更易实现，工业应用性强。
进一步地，本发明采用水浸法，将待测工件风电轴承环件置于水箱1中进行超声检测，采用的是超声相控阵线性聚焦扫查。在检测之前，针对风电轴承环件的结构特点划分检测区域，分为上端面扫查与圆周面扫查。上端面扫查根据工件厚度划分不同的检测区域，根据不同检测区域厚度确定检测工艺。图4、图5分别是具体实施案例中风电轴承内齿式环件端面检测工艺图与风电轴承内齿式环件圆周面检测工艺图，在工件较薄区域探头可参照检测参数设置聚焦深度，在工件较厚区域需要分别聚焦在近场区域与远场区域，以实现全覆盖扫查。圆周面检测根据截面表面的几何形状可划分为凹面圆弧滚道检测与平面检测，根据各区域形状特点设计不同的检测工艺，先检测凹面圆弧滚道区域，再检测平面区域。
在检测开始之前，先要根据划分区域的厚度以及形状特点制定相控阵探头在各位置的检测参数(阵元总数N、探头频率f和晶片间隙d、子孔径阵元数L、聚焦深度H、水层高度h、步距m、扫查步进角度)。
在进行平面检测和圆弧凹面滚道检测时，相控阵探头选择与和检测参数设计采用上述方法实施例中的设计方法进行设计。
实施例1
以下实施例选用风电轴承内齿式环件对发明做进一步解释说明。检测开始之前，需先对环件划分检测区域并设置好各区域检测工艺的参数。如图2所示为本实施例的目标风电轴承内齿式环截面具体尺寸图，图片组中标注尺寸的单位均为mm，根据环件截面尺寸将环件划分为待测区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ，如图3所示。由于环件厚度较大，因此在进行上端面扫查时，选用两个7.5MHz相控阵探头，阵元数为N＝64，阵元宽度为a＝0.9mm，晶片间隙为d＝0.1mm，探头总宽度为W0＝(a+d)(N-1)+a＝63.9mm。在进行圆周面扫查时，选用一个10MHz相控阵探头，阵元数为N＝28，阵元宽度为a＝0.75mm，晶片间隙为d＝0.05mm，探头总宽度为W0＝(a+d)(N-1)+a＝22.35mm。
在扫查区域Ⅰ时，由于待测区域厚度较薄，因此参照检测参数设计可设置探头距工件的距离h为15mm，聚焦深度设置为50mm；在扫查区域Ⅱ时，由于待测区域较厚，因此探头需分别进行近场区与远场区扫查，否则易造成漏检，探头距工件的距离h设置为60mm，聚焦深度分别设为110mm和225mm；在扫查区域Ⅲ时，探头距工件的距离h设置为30mm，聚焦深度分别设为50mm和105mm。在扫查区域Ⅳ和Ⅵ时，机械手末端连接探头的位置通过圆心与圆弧的距离始终保持为2R,聚焦深度设为5mm；在扫查区域Ⅴ和Ⅶ时，探头距工件的距离h设置为15mm,聚焦深度设为25mm。
综上，本发明对风电轴承环件超声相控阵检测工艺设计方法进行阐述，通过划分检测区域并设置对应相控阵参数，将探头采集的数据实时传送至超声相控阵检测软件进行成像，可实现风电轴承环件全覆盖检测，检测方法简单，系统装置简易，容易实现工业全覆盖检测与评价。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器、App应用商城等等，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现相应功能。本实施例的计算机可读存储介质被处理器执行时实现方法实施例的风电轴承环件超声相控阵检测方法。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种风电轴承环件超声相控阵检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1、根据环件结构及厚度将待测风电轴承环件划分为端面检测区域和环面检测区域，其中端面检测区域包括多个平面检测区域，环面检测区域包括多个凹面圆弧滚道检测区域；
S2、根据平面检测区域的厚度情况、凹面圆弧滚道检测区域的凹面圆弧滚道位置及半径设置相控阵探头的检测参数；并预设扫查路径，将具有相似几何特征的检测区域划归同一扫查路径，形成端面扫查路径和环面扫查路径；
其中，在进行平面检测区域检测时，选用至少一个相控阵探头，将相控阵探头的换能器阵元进行分组，每组孔径为一个声束发射序列，每组孔径以一个阵元为步长依次步进扫描，并使每组发射声束序列垂直于工件表面并且具有相同的聚焦深度和延迟法则；
在进行圆弧凹面滚道检测时，选用至少一个相控阵探头，将相控阵探头的换能器阵元进行分组，每组孔径为一个声束发射序列，并使聚焦线为凹面工件内部的一条同心圆弧线，每组孔径的发射声束垂直向下，焦点位于孔径中心线上，且聚焦点在凹面界面以下相同的深度位置和延迟法则；根据圆弧半径设置每组孔径阵元数，随圆弧半径的减小，增加子孔径阵元数；
S3、将待测风电轴承环件置于水箱中，相控阵探头根据预先设置的检测参数和扫查路径，先扫查待测风电轴承环件的多个平面检测区域，再扫查多个凹面圆弧滚道检测区域；
S4、将相控阵探头检测的信号实时传送至超声相控阵检测软件中进行成像并分析环件待测位置缺陷尺寸和位置。
2.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵检测方法，其特征在于，在平面检测区域检测时，当检测声程在50mm以下时，聚焦深度设置在最大探测声程处；当声程检测范围在50mm以上时，聚焦深度选择检测声程范围的中间值或其他适当深度。
3.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵检测方法，其特征在于，步骤S3中，相控阵探头以待测风电轴承环件上端面一个端点作为原点建立坐标系，探头沿x轴正方向进行步进式扫查。
4.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵检测方法，其特征在于，在进行平面检测区域检测时，第j组声束发射延迟时间为τjb＝max(Tjb)-Tjb，其中Tjb为第j组的第b个超声波发射阵元的在液-固耦合双介质平面结构中传播的时间，max(Tjb)为最大传播时间。
5.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵检测方法，其特征在于，不同检测区域的探头距工件水层高度τjb＝max(Tjb)-Tjb，其中c1为超声波在水中的传播速度，c2为超声波在工件中的传播速度，r为检测深度范围。
6.一种风电轴承环件超声相控阵检测系统，其特征在于，包括：
检测区域分区模块，用于根据环件结构及厚度将待测风电轴承环件划分为端面检测区域和环面检测区域，其中端面检测区域包括多个平面检测区域，环面检测区域包括多个凹面圆弧滚道检测区域；
检测参数及扫查路径设置模块，用于根据平面检测区域的厚度情况、凹面圆弧滚道检测区域的凹面圆弧滚道位置及半径设置相控阵探头的检测参数；并预设扫查路径，将具有相似几何特征的检测区域划归同一扫查路径，形成端面扫查路径和环面扫查路径；
其中，在进行平面检测区域检测时，选用至少一个相控阵探头，将相控阵探头的换能器阵元进行分组，每组孔径为一个声束发射序列，每组孔径以一个阵元为步长依次步进扫描，并使每组发射声束序列垂直于工件表面并且具有相同的聚焦深度和延迟法则；
在进行圆弧凹面滚道检测时，选用至少一个相控阵探头，将相控阵探头的换能器阵元进行分组，每组孔径为一个声束发射序列，并使聚焦线为凹面工件内部的一条同心圆弧线，每组孔径的发射声束垂直向下，焦点位于孔径中心线上，且聚焦点在凹面界面以下相同的深度位置和延迟法则；根据圆弧半径设置每组孔径阵元数，随圆弧半径的减小，增加子孔径阵元数；
检测模块，用于根据预先设置的检测参数和扫查路径，通过相控阵探头检测置于水箱中的待测风电轴承环件，先扫查待测风电轴承环件的多个平面检测区域，再扫查多个凹面圆弧滚道检测区域；
成像及分析模块，用于将相控阵探头检测的信号实时传送至超声相控阵检测软件中进行成像并分析环件待测位置缺陷尺寸和位置。
7.根据权利要求6所述的风电轴承环件超声相控阵检测系统，其特征在于，在平面检测区域检测时，当检测声程在50mm以下时，聚焦深度设置在最大探测声程处；当声程检测范围在50mm以上时，聚焦深度选择检测声程范围的中间值或其他适当深度。
8.根据权利要求5所述的风电轴承环件超声相控阵检测系统，其特征在于，在进行平面检测区域检测时，第j组声束发射延迟时间为τjb＝max(Tjb)-Tjb，其中Tjb为第j组的第b个超声波发射阵元的在液-固耦合双介质平面结构中传播的时间，max(Tjb)为最大传播时间。
9.一种风电轴承环件超声相控阵检测，其特征在于，包括：
该装置包含水箱，水箱底部设有用于辅助环锻件旋转的支承旋转台，旋转台上有用于固定待测风电轴承环件的卡盘；
超声相控阵检测仪和工业电脑，置于水箱上方的仪器支承台上，超声相控阵检测仪一端通过连接线连接工业电脑，另一端通过探头线连接超声相控阵探头，相控阵探头由机械手控制移动。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行权利要求1-5中任一项所述的风电轴承环件超声相控阵检测方法。
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| CN202311030084.9A CN116908302A (zh) | 2023-08-14 | 2023-08-14 | 风电轴承环件超声相控阵检测方法及系统 |
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