CN1305107A - 一种对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的方法和装置,其方法是用涡流检测技术和误差分离原理分离出工件的圆度误差和主轴回转误差,进而求得工件表面的缺陷。其装置是由传感器及其探头支架、工件旋转装置、分度装置、模/数转换器和计算机组装连接而成。本发明具有操作简单、检测结果精确可靠、不损坏被测工件、成本低廉等特点。本发明可广泛应用于轴、孔类工件表面缺陷的无损检测如铁路系统车辆轴表面缺陷的检测等。

Description

一种对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的方法及装置

本发明涉及一种对工件表面缺陷进行无损检测的方法及装置。

目前，对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测普遍采用的方法是磁粉探伤法和超声波探伤法。磁粉探伤存在好多问题，如：探伤工序多，工艺复杂，探伤人员的工作量大，劳动强度高；同时由于探伤周期长，工作效率很低；另外，磁粉探伤法的能源消耗也很大。磁粉探伤不仅要求高灵敏度的探伤器及良好的显示媒质，而且在很大程度上还取决于操作方法和操作者的经验和责任心。由于各种主观因素的影响，探伤的可靠性难以保证。探伤人员的工作条件和探伤室的工作环境也很恶劣。超声波探伤对容器一类内部空间较大的产品是可以采取适当措施进行的，但对液压支柱一类内径小而深的产品则是行不通的。

本发明的目的在于提供一种对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的新方法及其装置。而且该新方法及其装置工艺简单、能减低工人劳动强度，并能精确、快速地实现轴、孔表面缺陷的检测。

本发明是利用涡流检测技术对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测。涡流检测技术是利用涡流传感器对被测表面进行检测，使涡流传感器与被测工件表面保持一定间隙，当间隙发生变化时利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应，阻抗发生变化，而变化程度与间隙大小、金属板的电阻率、磁导率有关，当滚子表面有缺陷时，如损伤、划痕和可见裂纹等会造成上述因素的变化，就可以通过涡流传感器拾取信号，检测分析出来。另外，当导磁金属的组织均匀性、碳化物分布状况出现问题时，就会造成电导率和磁导率的变化，这样也可以通过涡流传感器信号检测出来。

本发明利用误差分离理论，在消除了工件圆度误差和主轴回转误差的基础上，实现了用涡流检测轴、孔类工件表面的缺陷。其方法包括如下步骤：

(1)按照二点法误差分离的方法在被测工件表面安装二个用以检测工件形状误差和回转误差的涡流传感器A和C，先安装传感器A，并在与A中心轴线呈逆时针方向185.625度上安装传感器C；再在与A中心轴线呈逆时针方向90度上安装另一个用以检测综合缺陷信号的涡流传感器S，其检测信号中除了包含工件的圆度误差和主轴回转误差外，还包含了包括工件表面粗糙度在内的裂纹、淬火(硬度、结晶结构)不均匀等各种表面缺陷的信息；

(2)将工件回转一圈，三个传感器对2的整数次幂个等分相位点N(本发明为64)分别进行采样，获取该截面的数据；

(3)三个传感器所检测到的信号通过中间变换器的转换、再经过模/数转换器转换为数字信号，由计算机进行信号的分析与处理，从传感器A和C的采样数据中分离出工件的形状误差和主轴回转误差，再从涡流传感器S的检测信号中分离掉上述两种误差信号，即得到工件表面缺陷信息。测量时可根据被测工件的长度和精度的要求，取测量的截面数可以不同。一般来说，测量截面数取得越多，测量精度越高。

本发明提供一种对轴类工件表面缺陷进行无损检测的装置，特征在于它由底座支撑非磁金属筒状传感器探头支架，三个涡流传感器中的A、C按照二点法误差分离原理安装在传感器探头支架上，并使其二传感器探头与被测工件之间各通过一导磁金属块的传递同被测工件相接触，由探头支架将磁场干扰信号屏蔽掉，同时在与A中心轴线呈逆时针方向90度上的传感器探头支架上安装S传感器；A、C、S三个传感器通过模/数转换器(A/D板)与计算机相连接；旋转主轴与分度盘同轴安装在由导向支架支撑的与被测工件在同一轴线上的水平导杆上，通过连接支架与在同一水平线上的定位轴相连，在旋转主轴和定位轴的共同作用下，将被测工件夹紧并旋转；并可在水平导杆的作用下，沿水平方向前后移动。

所述的分度盘是一金属圆盘，其边缘一周用分度头按2的整数次幂个等分相位点等间隔精密分度后，在钻床上钻孔而成。其相位点越高，检测结果越精密。当它和工件一起同轴转动时，光电传感器发射端发出的红外线被间隔地导通和阻断，使接收端相应地处于导通和截止状态，从而形成一串方波脉冲。该方波脉冲可以被微机监测到，并用以控制传感器完成对被测工件原始数据的采样工作。

在旋转主轴与被测工件之间可以装一磨擦垫，以增大旋转主轴与被测工件之间的摩擦力，防止工件在转动时滑脱。

本发明提供一种对孔类工件表面缺陷进行无损检测的装置，其特征是在对轴类工件表面缺陷进行无损检测的装置中，三个传感器的探头面向内孔表面安装。

与现有技术相比本发明具有如下特点，1、操作简单、检测周期短、效率高。如在现有磁粉探伤技术中，对被测工件的检测大致需经过除锈、充磁和褪磁过程，并需反复多次，才能作出，而本发明直接可对被测工件进行检测，并只需一分钟左右，即可得出结果；2、结果精确可靠。在磁粉探伤技术中，是采用人工目测的方法去观察磁粉的聚集情况，来判断缺陷的存在，所以精确度相对较低，而本发明是利用涡流检测技术来获取缺陷信息，并运用计算机对数据进行处理，结果精确可靠。3、不损坏试件、成本低廉。由于本发明不需经过除锈、充磁和褪磁等过程，所以不易损坏试件、成本低廉。

以下结合附图对本发明做进一步说明。

附图1是本发明系统结构示意图。

附图2是本发明对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的方法示意图。

附图3是本发明的一种对轴类工件表面缺陷进行无损检测装置的结构示意图。

附图4是附图3的A-A剖面示意图。

对方法的详细说明如下：

如图1、图2所示，设：置于同一水平面的三个非接触式涡流传感器A、S、C的中心线交于理想的旋转中心O点，被测工件最小二乘圆的圆心为O＇点。令γ₀为最小二乘圆半径。γ(θ)是以O＇为极坐标，圆心角θ所对应的工件半径。R_A、R_S、R_C分别是传感器A、S、C距O点的距离。XOY是通过传感器A的中心线和点O的直角坐标系。Rx(θ)和Ry(θ)分别是θ角之处轴径向回转误差(O-O’矢量)在X轴和Y轴方向的投影，S(θ)为θ角处工件的形状误差(γ(θ)与γ₀之差)。α和β分别是A与S、S与C之间的夹角。这样就可以得到下述方程：

Sa(θ)=S(θ)+Rx(θ)    ①

Ss(θ)=S(θ+α)+Rx(θ)cosα+Ry(θ)sinα+F(θ)        ②

Sc(θ)=S(θ+α+β)＋Rx(θ)cos(α+β)+Ry(θ)sin(α+β)③

其中Sa(θ)、Ss(θ)、Sc(θ)分别为三个传感器的输入信号(已除去直流分量，即平均分量)，F(θ)为工件表面缺陷。这样就可以解得被测工件的形状误差、检测装置的回转误差和被测工件的表面缺陷。

具体检测过程如下：

(1)工件回转一圈，三个传感器对2的整数次幂个等分相位点N(本研究为64)分别进行采样，并求得其各传感器的直流分量，然后对采样值去除直流分量，即得三传感器的输入信号Sa(θ)、Ss(θ)和Sc(θ)。

(2)从传感器A和C的采样数据中分离出工件的形状误差和主轴回转误差。两点法误差分离的原始方程为：

Sa(θ)=S(θ)+Rx(θ)                                     ①

Sc(θ)=S(θ+α+β)+Rx(θ)cos(α+β)+Ry(θ)sin(α+β)    ②

设组合信号为：C(θ)=C₁Sa(θ)+C₂Sc(θ)

其中C₁,C₂是由安装角度所确定的定度系数。

将①②代入上式并简化，可得

C(θ)=C₁S(θ)+C₂S(θ+α+β)+Rx(θ)(C₁+C₂cos(α+β))+Ry(θ)C₂sin(α+β))③

消除③式中主轴回转误差分量使C(θ)只与工件形状误差S(θ)有关，便可求得一特解：C₁=1,C₂=sinα/sinβ

将C₁,C₂代入③式，可得到只包含工件形状误差的方程：

C(θ)=S(θ)+C₂S(θ+α+β)    ④以下我们记C(θ)、S(θ)在一周N等分下某等分点θ_I=2πi/N(i=0,1,2,...,N-1)处的采样值为C(i)、S(i)并以脚标t表示时域，以脚标f表示频域，那么对④式的采样值进行离散快速傅立叶变换并由其时延-相移特性可得：

S_f(k)[1+c₂e^j(α+β)k]=C_f(k)(k=0,1,2,...,N-1)其中S_f(k)、C_f(k)分别为时域上工件形状误差和组合信号的采样值S(i)、C(i)经快速傅立叶变换后在频域上的第K阶谐波的幅值，而权函数

     ω(k)=1+c₂e^j(α+β)k    (k=0,1,2,...,N-1)若ω(k)≠0，则S_f(k)=C_f(k)/ω(k)(k=0,1,2,...,N-1)再作离散快速傅立叶逆变换即可求得时域上工件形状误差S_t(i),(i=0,1,2,...,N-1)。若存在整数m=N(α+β)/2π，则利用式②或③即可得到主轴回转误差在X轴和Y轴上的分量：

R_x(i)=Sa(i)-S(i)

R_y(i)=[Sc(i)-S(i+m)-Rx(i)cos(α+β)]/sin(α+β)

(3)从综合传感S的输出信号Ss(θ)中分离掉工件形状误差和主轴回转误差即可得到被测工件的表面缺陷信息F(θ)：

F(θ)=Ss(θ)-S(θ+α)-Rx(θ)cosα-Ry(θ)sinα。

F(θ)信号可以定量地确定表面缺陷的大小，对表面缺陷信息的时域信号F(θ)的频域分析，可以进一步分析出表面缺陷信号的频谱和生成原因。

对装置的详细说明如下：

如图1、图3、图4所示，三个传感器A、S、C按要求安装在传感器探头支架4上，其中传感器A、C的传感器头各通过一导磁金属块3的传递同被测工件2相接触；4是由底座1支撑的传感器探头支架，它由非磁金属制成，它能屏蔽掉磁场干扰信号，使传感器A、C的检测信号中只包含工件的形状误差和主轴回转误差；5是旋转主轴，旋转主轴5与分度盘6同轴安装在由导向支架8支撑的与被测工件2在同一轴线上的水平导杆7上，通过连接支架9与在同一水平线上的定位轴10相连，在旋转主轴5和定位轴10的共同作用下，可将被测工件2夹紧并旋转，并可在水平导杆7的作用下，沿水平方向前后移动；6是分度盘，它是由一片金属圆盘边缘一周经分度头等间隔2的整数次幂等分精密分度后，在钻床上钻孔而成，采样时和工件2一起同轴转动；11是一磨擦片，以增大旋转主轴5与工件2之间的磨擦力，防止工件2在转动时滑脱；12是轴承，以利于旋转主轴5和定位轴10的转动。

当进行原始数据采集时，转动分度盘6，使光电传感器13发射端发出的红外线被间隔地导通和阻断，接收端则相应地处于导通和截止状态，从而发出一串脉冲信号，用于采样控制，控制三个电涡流传感器在规定相位上对被测工件原始数据的采样的分度。传感器所检测到的信号通过中间变换器14、15、16的转换，再经过模/数(A/D)转换器17转换为数字信号，由计算机18进行信号的分析与处理，从传感器A和C的采样数据中分离出工件的形状误差和主轴回转误差，再从涡流传感器S的检测信号中分离掉上述两种误差信号，即得到工件表面缺陷信息。

Claims (4)

1、一种对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、按照二点法误差分离原理在被测工件表面安装二个用以检测形状误差和回转误差的涡流传感器A和C，先安装传感器A，并在与传感器A中心轴线呈逆时针方向185.625度上安装传感器C，再在与A中心轴线呈逆时针方向90度上安装另一个用以检测综合缺陷信号的涡流传感器S；

(2)、将工件回转一圈，三个传感器对2的整数次幂个等分相位点分别进行采样；

(3)、三个传感器所检测到的信号通过中间变换器(14、15、16)的转换、再经过模/数转换器(17)转换为数字信号，由计算机(18)进行信号的分析与处理，从传感器A和C的采样数据中分离出工件的形状误差和主轴回转误差，再从涡流传感器S检测到的信号中分离掉上述两种误差信号，即得到工件表面缺陷信息。

2、按照权利要求1所述的一种对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的方法的装置，特征在于：

①、对轴类工件表面缺陷进行检测的装置，它由底座(1)支撑一个非导磁材料的探头支架(4)，三个涡流传感器中的A、C按照二点法误差分离原理安装在传感器探头支架(4)上，并使A、C传感器与被测工件之间各通过一导磁金属块(3)的传递与被测工件相接触，由探头支架(4)将磁场干扰信号屏蔽掉，在与传感器A中心轴线呈逆时针方向90度上非接触式地安装传感器S；旋转主轴(5)与分度盘(6)同轴安装在由导向支架(8)支撑的与被测工件(2)在同一轴线上的水平导杆(7)上，通过连接支架(9)与在同一水平线上的定位轴(10)相连，在旋转主轴(5)和定位轴(10)的共同作用下，将被测工件(2)夹紧并旋转，并可沿水平方向前后移动；

②、对孔类工件表面缺陷进行检测的装置，它是在对轴类工件表面缺陷进行检测的装置中，其三个传感器的探头面向孔表面安装。

3、按照权利要求2所述的一种对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的装置，其特征在于所述的分度盘(6)的圆周上等相位地加工出2的整数次幂个小孔用以相位分度。

4、按照权利要求2所述的一种对轴、孔类工件表面缺陷进行无损检测的装置，其特征在于旋转主轴(5)和被测工件(2)之间可设一磨擦片(11)。

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