CN201575985U - 大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，包括底座、一对从动支撑滚轮和一对主动支撑滚轮、驱动电机及减速机、控制器、超声检测仪以及探头自适应装置，从动支撑滚轮和主动支撑滚轮通过钢结构固定在底座上，主动支撑滚轮与减速机之间有齿轮传动结构，减速机与驱动电机之间通过传动轴完成扭矩的传递，驱动电机与控制器之间通过数据线实现通讯，探头自适应装置固定在行走机构的机架连接杆上，探头与超声检测仪之间通过数据线实现通讯。本实用新型检测效率高，检测过程的准确性、有效性较高，提高了检测过程的自动化水平，本实用新型的装置简单，成本低，对操作人员的技术水平要求低。

Description

大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置

技术领域

本实用新型属于超声检测自动跟踪和自适应控制技术，特别是一种大型轴类锻件超声C扫自适应探头与检测运动装置。特别适用于各种金属材料的大型轴类锻件变直径弧形部的无损超声自动检测，也适合无机非金属材料以及有一定强度的高分子材料的圆形、椭圆形和偏不规则圆形等轴类和管状类轴类锻件。特别适用于水浸超声检测、油浸超声检测等轴类零件弧形部的非接触式超声检测技术。

背景技术

大型轴类产品通常采用超声A扫检测，国外已经开始研究水浸聚焦探头的超声检测技术，一般采用交流伺服电机和精密旋转运动装置组成机械扫查系统，自动超声C扫检测装置，检测系统装置复杂、价格昂贵，且大型轴类锻件变直径弧形部检测系统未见报道。自动超声C扫检测大型轴类锻件变直径弧形部时，，在超声自动检测过程中，探头平面与轴类锻件弧形部表面之间距离不断变化，超声检测C扫参数无法保证在合理的范围内，超声C扫图像失真，影响裂纹、孔隙等缺陷大小、位置检测的准确性和真实性。

传统的解决方法一般是通过人工手段不断更正检测参数来对探头位置进行修正或者通过手动调节探头的位置来改变探头的位置，这个方法成本比较低，但是存在明显的不足就是准确性得不到提高，检测结果仍然存在很多的不确定性，检测效率较低。另外也有一种先进的解决方法，即根据锻件弧形部的曲线形式，将方程输入超声C扫系统的计算机，通过相关数据模拟和分析软件进行处理，再利用复杂的控制系统控制探头沿锻件的弧形部表面作曲线运动，这种方法的优点非常明显，不仅能够保证探头与锻件弧形部表面的距离不会发生变化，而且有利于提高检测准确性和检测效率，但是这种方法的不足在于成本较高，不仅加大了整个装置的复杂度，也对操作人员的技术水平提出较高的要求。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，该装置包括底座、一对从动支撑滚轮和一对主动支撑滚轮、驱动电机及减速机、控制器、超声检测仪以及探头自适应装置，所述装置的从动支撑滚轮和主动支撑滚轮通过钢结构固定在底座上，主动支撑滚轮与减速机之间有齿轮传动结构，减速机与驱动电机之间通过传动轴完成扭矩的传递，驱动电机与控制器之间通过数据线实现通讯，探头自适应装置固定在行走机构的机架连接杆上，探头与超声检测仪之间通过数据线实现通讯。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点：

1、与传统的人工手段更正检测参数对探头位置进行修正的方法相比，本实用新型在不改变检测参数的条件下能够自适应地调节探头位置，检测效率高，检测过程的准确性、有效性较高。

2、与传统的手动调节探头的位置来保证探头与轴类锻件表面之间的距离的方法相比，本实用新型通过自适应装置自动完成探头位置的调节，提高了检测过程的自动化水平。

3、与计算机模拟轴类锻件表面并利用复杂的控制机构进行探头位置自适应调节的方法相比，本实用新型的装置简单，成本低，对操作人员的技术水平要求低。

附图说明

图1为本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置中的探头自适应装置的机械结构示意图。

图2为本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置示意图。

图3为本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置中的探头自适应装置在大型轴类锻件上的位置示意图。

图4为本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置中的探头自适应装置工作原理图。其中，(a)(b)(c)(d)为轴类锻件旋转的不同角度下探头与锻件表面的距离波动原理图，A为支撑滚轮承载锻件的情况下的理论中轴线，B为轴类锻件的实际中轴线，D为表示探头与轴类锻件表面之间的距离。

图5为无自适应装置条件下出现的探头与锻件表面之间的距离波动示意图。其中，D表示探头与轴类锻件表面之间的初始距离；a表示偏心距的值。

图6为本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置中的探头自适应装置工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

结合图2、图3，本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，包括底座12、一对从动支撑滚轮13和一对主动支撑滚轮14、驱动电机15及减速机16、控制器17、超声检测仪18以及探头自适应装置19，轴类锻件20放置在从动支撑滚轮13和14上，由控制器17发出信号，驱动电机15驱动减速机16、带动主动支撑滚轮14旋转，使轴类锻件20旋转运动。探头自适应装置19放置在轴类锻件20上方，调节探头自适应装置19，使探头5与锻件表面之间的距离符合具体检测规程的要求。自适应装置19安装在行走机构的机架连接杆1上作横向运动，随着轴类锻件20在减速机16的带动下旋转，可以实现探头5对轴类锻件20内部的缺陷进行全方位检测，探头发出超声检测信号的同时也接受工件反射的超声回波，通过数据线将信号信息传输给超声检测仪18进行处理，并给出检测结果。该系统利用探头自适应装置19实现对探头5与轴类锻件20表面之间的距离的实时、准确地自动调节功能，当轴类锻件20的装夹或者弧形部的形状改变导致探头5与轴类锻件20表面之间的距离发生明显的波动时，自适应装置19能够带动探头5实时跟踪轴类锻件20表面的形状变化，保证探头5与轴类锻件20表面的距离维持恒定。

本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，超声探头5和螺杆10通过装配板7组装于一体，并且始终保持相对固定的位置，探头5的高度位置可以通过调节螺母6来改变，以满足不同的超声检测规程对探头5与轴类锻件20表面之间的距离的要求。滚珠11与轴类锻件20表面保持紧密的滚动接触，降低运行过程的阻力。由图1不难看出，只要自适应螺杆10内的滚珠11与轴类锻件20之间保持压紧接触，就可以保证探头5与轴类锻件20表面之间的距离不会发生变化。因此，为了达到这个设计目的，采用了预压紧的弹簧来进行调节。弹簧被置于自适应螺杆10内部，并且通过预先调节给予一定的预压紧力，使自适应螺杆10在弹簧的张力下与轴类锻件20内的滚珠11紧密接触，当轴类锻件20形状发生变化或者出现如图4所示的偏心时，弹簧的伸缩能够保持滚珠11与轴类锻件20始终紧密接触，自适应的目的得以顺利实现。

利用联轴套筒4将定位杆2与自适应螺杆10组装在一起，在定位杆上设置了键槽，通过键槽和定位螺钉3又能够实现定位杆2与自适应螺杆10之间进行相对滑动。其中，定位螺钉3的功能有两个：(a)保证定位杆2与自适应螺杆10之间的周向位置相对静止，不会出现转动；(b)确定了定位杆2与自适应螺杆10之间的相对滑动距离，即等于键槽的长度。为了对探头5实现良好的屏蔽效果，降低电机等电气设备的电噪声干扰，在装配板7的选择上作出了适当的调整。由于钢板具有导磁性质，如果装配板7采用钢等金属材料加工而成，那么就会使得探头5与整个机身相接触，必然受到电噪声的影响。采用无导磁性质的无机非金属材料可以很好地解决对探头5的屏蔽问题，利用无机非金属材料装配板7可以有效地将探头5与整个探头自适应装置19隔离开，电噪声就不再通过探头自适应装置19传递到探头5上，从而可以屏蔽噪声对探头5的影响。

在传统的自动化超声检测过程中，探头被直接固定在行走机构的机架连接杆1上，当轴类锻件20的形状发生变化或者出现偏心现象时，探头与轴类锻件20表面之间的距离就会出现图5所示的周期性波动，严重影响检测结果的准确度和有效性。利用自适应装置来维持探头与轴类锻件20表面之间的距离保持恒定的效果非常理想，超声检测波形的始波能够始终保持在固定的位置，不会出现明显的左右移动的情况。因此，该探头自适应装置具备很好的自适应调节能力，能够实时准确地跟踪探头5与轴类锻件20之间距离的改变，维持探头5与轴类锻件20之间的距离的稳定。

本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，所述探头自适应装置19采用了两颗上下放置的滚珠11与轴类锻件20表面滚动接触，以减小运行阻力，两颗滚珠11的定置通过螺钉压紧实现；为了防止滚珠11掉出自适应螺杆10，将自适应螺杆10下端口的孔径留有加工余量，保证该下端口直径小于滚珠11的直径。

本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，自适应螺杆10与探头5的装配方式采用了双螺母结构，即两个螺母6分别从装配板7上下两端通过螺纹连接与自适应螺杆12装配为一体，再将这对螺母6加垫圈8拧紧后夹紧装配板7，即可实现自适应螺杆10与探头5的装配。

本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，将探头5垂直安装在轴类锻件20上方，在扫查过程中随着轴类锻件20表面的形状改变而调整探头5的高度位置，使探头5与轴类锻件20表面之间的距离始终保持不变。

本实用新型大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，装配板7采用具有隔磁性质的陶瓷材料加工制作，对探头5起到屏蔽保护作用，从而降低电噪声对探头5的干扰影响。

下面结合附图对本实用新型的具体实施过程进一步说明。

首先采用“铝合金电化学着色工艺”将定位杆2、定位螺钉3、联轴套筒4、压紧螺钉、螺母6、自适应螺杆10、紧固螺钉等零部件的表面进行黑化处理，形成黑化层，利用三氧化二铝陶瓷材料加工制作出装配板7。用装配板7将探头5与自适应螺杆10组装在一起，并且分别用一对加垫圈8的螺母6和螺钉9进行固定。然后将滚珠11装入自适应螺杆10，再旋紧内部的紧固螺钉压紧滚珠11，再将弹簧放入自适应螺杆10内，定位杆2插入自适应螺杆10压紧弹簧。通过联轴套筒4可以将定位杆2与自适应螺杆10装配在一起，再在键槽的对应位置上旋入定位螺钉3，防止定位杆2滑出自适应螺杆10。最后将安装了探头5的自适应装置通过螺纹连接方式安装到机架连接杆1上，保证整个装置运行过程中稳定可靠。

待检工件属于大型轴类锻件，主要目的是扫查轴类锻件20内部是否存在各种缺陷。利用吊车将轴类锻件20吊放在从动支撑滚轮13和主动支撑滚轮14上，调整探头5的位置对着轴类锻件20的焊缝部位在圆周方向上的最高点即正中位置。调整自适应装置19的自适应螺杆10与定位杆2的相对位置，使定位杆2压紧弹簧，保证探头自适应装置19与轴类锻件20表面保持压紧接触状态。在检测之前，轴类锻件20已经经过了车削加工进行预处理，轴类锻件20表面的氧化皮已经被去除掉并保持一定的光洁度，该条件下的轴类锻件20的中轴线B与从动支撑滚轮13和主动支撑滚轮14确定的理论中轴线A可能不在一条线上，即存在如图4所示的偏心现象，其中偏心距a表示中轴线A与中轴线B之间的距离。偏心的存在会使探头5与轴类锻件20表面的距离出现如图5所示的周期性波动变化，其中，图4(a)表示轴类锻件20旋转的初始位置0°，此时探头5与轴类锻件20表面的距离D为按照检测规程要求设定的，中轴线A与中轴线B处于同一高度位置，对应图5中0°位置的波形，偏心对轴类锻件无影响；轴类锻件20在减速机16的带动下旋转以后，中轴线A与中轴线B出现高度差，达到图4(b)所示的90°位置时，中轴线B在中轴线A的正下方，探头5与轴类锻件20表面之间的距离由初始值D增大至D+a，偏心对轴类锻件的影响达到正最大，对应图5中90°位置的波形；轴类锻件20旋转至图4(c)所示的180°位置时，中轴线A与中轴线B恢复到同一高度位置，探头5与轴类锻件20表面的距离恢复至D，偏心对轴类锻件的影响消失，对应图5中180°位置的波形；轴类锻件20旋转至图4(d)所示的270°位置时，中轴线B在中轴线A的正上方，探头5与轴类锻件20表面之间的距离由初始值D减小至D-a，偏心对轴类锻件的影响达到负最大，对应图5中270°位置的波形；轴类锻件20旋转至360°位置时，轴类锻件20的旋转角度回到了初始状态0°，即图4(a)所示的0°位置，中轴线A与中轴线B恢复到同一高度位置，探头5与轴类锻件20表面之间的距离恢复至初始值D，偏心对轴类锻件的影响消失，对应图5中360°位置的波形。由于这样的距离波动过程对超声C扫图像的形成构成很大影响，严重影响检测结果的准确性和有效性。所以需要采取措施消除距离波动，使距离维持在初始设定的值不变。本实用新型能够消除偏心或者装置以及轴类锻件20本身形状的不规则导致的探头5与轴类锻件20表面距离波动的影响，其工作过程如下：

当驱动电机15在控制器17的控制下运转以后，带动轴类锻件20转动，自适应装置的自适应螺杆10与轴类锻件20紧密接触，自适应螺杆10受到压缩弹簧的向下的压力F₁和轴类锻件20向上的支撑力F₂，由于自适应螺杆10与探头5已经被装配为一个整体，因此，在保持探头5与轴类锻件20表面的距离不变的条件下，自适应螺杆10与轴类锻件20表面在垂直方向上必然保持相对静止状态，因此在忽略其它的摩擦力等因素以后，F₁与F₂可以看作是一对处于平衡状态的作用力，即F₁＝F₂。结合图6可以看出，当偏心出现正影响即探头5与轴类锻件20表面之间的距离D有增大趋势的时候，轴类锻件20向下移动，F₂开始减小，使得F₁也相应减小，这就使得被压缩的弹簧得到伸展，“吸收”了偏心正影响增大的距离，从而维持D的值不会改变。同理，当偏心出现负影响即探头5与轴类锻件20表面之间的距离D有减小趋势的时候，轴类锻件20向上移动，F₂开始增大，F₁相应增大，弹簧被进一步压缩，“释放”出偏心负影响减小的距离，维持D的值不变。总的来说，整个自适应装置的工作过程就是探头5与轴类锻件20表面之间距离波动的双向负反馈调节过程。

Claims (6)

1.一种大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，其特征在于：包括底座(12)、一对从动支撑滚轮(13)和一对主动支撑滚轮(14)、驱动电机(15)及减速机(16)、控制器(17)、超声检测仪(18)以及探头自适应装置(19)，从动支撑滚轮(13)和主动支撑滚轮(14)通过钢结构固定在底座上，主动支撑滚轮(14)与减速机(16)之间有齿轮传动结构，减速机(16)与驱动电机(15)之间通过传动轴完成扭矩的传递，驱动电机(15)与控制器(17)之间通过数据线实现通讯，探头自适应装置(19)固定在行走机构的机架连接杆(1)上，探头(5)与超声检测仪(18)之间通过数据线实现通讯。

2.根据权利要求1所述的大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，其特征在于：探头自适应装置(19)包括定位杆(2)、定位螺钉(3)、联轴套筒(4)、螺母(6)、装配板(7)、垫圈(8)、螺钉(9)、自适应螺杆(10)和滚珠(11)；定位杆(2)与机架连接杆(1)相连接，定位杆(2)上设置键槽，通过定位螺钉(3)和联轴套筒(4)将定位杆(2)与自适应螺杆(10)装配在一起，定位杆(2)插入自适应螺杆(10)，压紧自适应螺杆(10)内部的弹簧；装配板(7)套在自适应螺杆(10)上，通过螺母(6)分别从装配板(7)的上下两部分夹紧固定；在螺母(6)与装配板(7)之间设置一对垫圈(10)，螺母(6)与自适应螺杆(10)联接为一个整体；在自适应螺杆(10)内设置螺纹孔，将两颗滚珠(11)置于该孔内，再用螺杆旋入螺纹孔压紧滚珠(11)；所述探头自适应装置(19)与探头(5)通过装配板(7)装配在一起，探头(5)与装配板(7)之间属于间隙配合，用螺钉(9)固定探头(5)位置；将装配板(7)上安装自适应螺杆(10)的圆孔加工为长条形。

3.根据权利要求2所述的大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，其特征在于：探头自适应装置(19)采用了两颗上下放置的滚珠(11)与轴类锻件(20)表面滚动接触，以减小运行阻力，两颗滚珠(11)的定置通过螺钉压紧实现；将自适应螺杆(10)下端口的孔径留有加工余量，保证该下端口直径小于滚珠(11)的直径。

4.根据权利要求2所述的大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，其特征在于：自适应螺杆(10)与探头(5)的装配方式采用了双螺母结构，即两个螺母(6)分别从装配板(7)上下两端通过螺纹连接与自适应螺杆(12)装配为一体，再将这对螺母(6)加垫圈(8)拧紧后夹紧装配板(7)，即可实现自适应螺杆(10)与探头(5)的装配。

5.根据权利要求2所述的大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，其特征在于：将探头(5)垂直安装在轴类锻件(20)上方，在扫查过程中随着轴类锻件(20)表面的形状改变而调整探头(5)的高度位置，使探头(5)与轴类锻件(20)表面之间的距离始终保持不变。

6.根据权利要求2所述的大型轴类锻件变直径弧形部超声自适应探测装置，其特征在于：装配板(7)采用具有隔磁性质的陶瓷材料加工制作。

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