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无损检测仪器 |
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球销类零件自动化无损检测系统 |
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作者：浙江大学 车录锋 徐志农 周晓军 诸成 |
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摘要：研制出一种球销自动化检测系统，利用表面波对球销表面质量进行无损检测，并按其质量好坏进行分类。初步实验表明该系统对球销表面垂直于轴线的裂纹和倾斜的裂纹都能收到比较好的检测效果。
关键词：球销；无损检测；自动化检测系统
球销，在汽车及其他重要设备的联接、固定和定位中得到了广泛的应用，它的可靠性对整个设备的工作可靠性和安全性有重大影响。由于制造上的原因，球销表面容易产生微小裂纹，对球销工作性能将产生很大影响，降低了球销抗疲劳断裂的能力，缩短了工作寿命。因此严格控制球销的质量十分重要。通常对球销检测是进行表面较大缺陷的肉眼识别和体内缺陷的破坏性检查，但由于球销的批量很大，这种检测方法不但工作效率低，而且识别率也不高，严重影响了球销的生产和检测。为此，开发了球销类零件的自动化无损检测系统。
1检测系统总体方案设计
系统对汽车球销表面进行表面波检测，完成自动上料、检测、判废和分选等工作。当同类产品的外形尺寸发生变化时，系统能够及时地做出相应的调整，以适应新的检测任务。 球销自动检测系统由外部信号发生源、计算机控制系统、气路控制系统、机械执行部分和系统软件五大部分组成。如图1所示。
图1检测系统总体框图
表面波检测球销表面裂纹原理：表面波是超声波的一种，仅在物体表面浅层进行传播，其能量主要集中在深度小于两倍声波波长的表面浅层。当表面波沿球销表面传播到裂纹处时形成散射，一方面以表面波形式反射返回探头，另一方面沿裂纹表面继续传播到裂纹底部；然后在底部又发生散射，除了以表面波形式反射和向前继续传播外，还将产生变形横波和纵波，在球销体内经过球销表面的多次反射最终返回探头。因此，在检测中只要记录反射回来的声波，从中抽取缺陷回波，即可对缺陷进行判别。
图2球销形状图
机构动作产生的各种开关信号被传输到计算机系统，由MCS-51单片机进行处理，以直接控制机构的顺序动作，或通过对电磁阀的控制，用气缸来驱动机械机构。由采样卡对输入探伤仪的表面波探头接收到的反射回波进行采样，采样信号被输入到计算机系统的上位机，对采样数据进行分析，通过检查是否有缺陷回波来判别球销合格与否，再由MCS-51单片机依据该结果来控制机械机构的筛选器，对不合格产品进行剔除。
2系统机械执行部分
检测系统的机械执行部分由供料机构、探头摆动机构、球销转动机构和探头移动机构组成。它们的运动分别由步进电机驱动，由计算机系统来控制它们运动时间配合，实现机构间的同时和分时工作功能，提高机械系统的可靠性。
在超声波探伤中，探头是关键部件。除它自身性能外，它与球销表面的接触状况对探测信号的稳定性影响较大。所以设计的探头机构检测时必须保证探头与球销间的良好接触 。我们采取了如下措施：探头机构在沿轴向移动时可以绕自己的轴线转动以适应具有不同锥角的各种球销，另外当探头沿平行于球销轴线方向在球销表面移动时，设置的缓冲弹簧可以使机构随球销径向尺寸的变化而自动地推进和后撤。
探头的左右摆动，主要是为了检测纵向裂纹缺陷的需要，因为当缺陷走向与超声波传播方向一致时，缺陷就很难产生反射回波。
设计的V型块装置主要有两个功能:第一是定位球销位置，以便球销转动前被准确夹紧；第二是球销质量判断完毕V型块张开满足落料的需要。其中V型块的张开与闭合采用双气缸控制，气缸处于浮动状态分别连接到V型块的两端，气缸的活塞杆端用螺母连接到右V型块的贴板上，另一端用销子连接到左V型块的贴板上。这种设计可以保证V型块在气缸通气时自由的张开与闭合，同时我们在气路管道设计上要保证两个气缸动作的同时性，否则V型块容易卡死。
3系统硬件设计
硬件控制系统是整个自动化检测系统的中枢部分，它根据工作要求，分析处理各种信号，控制机械机构正确地、符合要求地、协调地进行工作。它包括：（1）上位机；（2）CTS-22型超声波探伤仪；（3）高速A/D采样卡；（4）MCS-51单片机控制系统。
其控制系统的各计算机之间的控制关系，如图3所示。
图3各机之间的控制关系
中央控制系统是检测系统的控制中心，它由5个MCS-51单片机组成，分别是协调机（机0），轴转电机控制机（机1），轴向移动电机控制机（机2），探头摆动控制机（机3），传送带电机控制机（机4）。系统控制用了5只MCS-51单片机（下位机）来完成4个电机的运转和4个气缸的动作，协调机负责协调各分机及上位机之间的工作，4台分机在工作中通过相互通讯来协同。另外，用一台PC计算机作为上位机，对采样卡采集进来的数据进行处理，判别球销的合格与否。上下位机之间的通讯通过RS232C串行通讯进行，各下位机之间的信息和命令传递通过串行口多机异步通讯方式进行。主从机之间的相互通讯是通过数据发送方向数据接收方申请中断来进行的。各分机各自连到通讯线上，通讯的主从机是唯一的，用中断的方法来确认通讯机。
主CPU与键盘、显示器之间的信息传递是通过8279芯片来实现的，在系统中用发光二极管代替LED直观的表示系统的运行状态。系统的运行状态有暂停状态、连续检测或单个检测状态、检测开始和检测结束状态。系统中需要的功能键主要有检测控制键和检测参数设置键。
4系统软件设计
4.1控制软件设计
控制软件主要使每个单片机完成检测中的控制任务，使系统的执行机构按检测要求进行工作；同时还规划系统各个部分之间的工作，使各部分工作相互配合，协同完成检测任务。
4.1.1协调机控制程序
该机的控制程序主要完成向上位机和4台分机发布命令，使它们在不同的检测阶段完成各项检测工作。其初始化包括：CPU初始化、8259初始化、8279初始化等。系统经初始化后，其检测状态处于连续检测模式、显示器显示停止检测状态。参数设置、连续单个检测模式选择只有在停机时才能设置。暂停键只能在检测过程中才起作用。
4.1.2分机控制程序
上电后，机1、机2、机3、机4进行初始化，初始化的内容包括CPU初始化、8259初始化、状态标志初始化、I/O口初始化。初始化完毕，各机就在等待机0发出的命令和参数，对自身工作模式和参数进行设置。
机1接收到检测开始命令，并检测到球销到位，启动球销压紧气缸和V型块进退气缸，压紧球销，撤离V型块，然后启动电机，程序通过定时器T0定时向P1.1口不断发送脉冲给步进电机的驱动电源，驱动电机，此间接收到其它的命令，机1通过中断方式及时处理。
机2接收到机0启动电机的命令，则执行电机驱动程序，通过定时器T0定时，不断置位和清零P1.1口，向驱动电源发送脉冲，以驱动电机带动探头沿球销轴向移动。当到达检测始点时，机3控制探头进给气缸，进给探头，当探头到位时，启动探头摆动电机，并发出采样开始命令。当到达检测终点时，向机0回送结束命令，并停止采样。
机4接收到检测开始命令后，送入球销，球销到位则马上停止，检测完毕后，控制筛选器，筛选球销。
4.2数据处理软件设计
数据处理软件主要是由计算机对采样数据进行分析，判别工件是否合格。数据处理程序主要有系统参数设置模块、检测模块、边缘波位置定位模块、声速测试模块、报表生成模块、报表输出模块和系统帮助模块。
在设计系统软件时应该考虑到以下问题：
（1）探伤仪和采样卡所采集到的回波信号包括始波、缺陷波和边缘波的多次回波在内的超声波信号，这些回波在它们一次回波之外。查找缺陷波只需要在一次回波内进行即可，因此需要排除这些对检测没用的波。所以就需要确定采样数据区间的始点和终点，来排除表面波的始波、缺陷波和边缘波的多次回波等信号。
（2）编制软件时应该设定检测阈值除去杂波和进行边缘波标定。由于轴销表面不平度和附着微粒、污垢等，表面波也可能被反射，而形成杂波，因此必须设定检测阈值除去杂波。由于轴销表面几何形状的突变而产生的边缘波，其回波的位置相对固定，可以预先进行标定，在检测中加以消除。
4.3程控连续检测过程
检测开始，输送球销；球销到位后，球销压紧气缸推进，送料电机停转；压紧后，V型块进退气缸退开；脱开后，球销转动，探头沿球销表面移动；到检测始点，探头进给；进给后，探头开始摆动，上位机开始采样；到检测终点，上位机停止采样，球销停转，探头停止摆动，探头进给气缸退回，探头机构返回；上位机判断球销质量，决定是否启动筛选器，球销压紧气缸退回；筛选完毕，V型块气缸使V型块合拢 ；筛选器复位，进行下一个球销的检测。
5结论
该球销自动化无损检测系统对球销表面裂纹选用表面波探伤，可以使球销表层缺陷的反射波具有较高的能量，便于缺陷的识别。初步实验表明：系统对球销表面垂直于轴线的裂纹和倾斜的裂纹都能收到比较好的检测效果。
作者简介：
车录锋，男，1971年5月生。1996年毕业于中国科学院长春光学精密机械研究所机电控制与自动化专业，获硕士学位，现为浙江大学机械制造与自动化专业博士研究生。主要从事的研究方向有微电子机械系统，自动化无损检测，多传感器信息融合等。
参考文献
1诸成.球销类零部件在线无损检测技术研究及系统开发：[硕士学位论文].杭州：浙江大学，1998.2.
2胡建恺，张谦琳.超声检测原理和方法.合肥：中国科学技术大学出版社，1993.(end)
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(1/7/2007) |
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