用于具有不同直径的段的旋转对称加工件的无损检查的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于具有不同直径的段的旋转对称加工件的无损检查的方法和装置
[0001]本发明的主题是借助于诸如超声波、涡流或X射线之类的无损检查技术的用于具有不同直径的段的旋转对称加工件的无损检查的方法和装置。按照脉冲回波方法的超声检查特别优先地用作检查技术。在特别优选发展中，方法和装置具体适合于具有各向异性声速的加工件的检查。例如，例如在能够用于例如轨道车辆中的锻造实心轴中频繁地观察到各向异性声速。
[0002]借助于无损检查技术的具有不同直径的段的旋转对称加工件的无损检查常常遭受加工件的几何结构引起所使用检查技术的几何结构相关信号的问题。这些信号与本身为已知的加工件的几何结构相互关连，并且因此经常不包含任何其他信息。此外，在许多情况下，这些所谓的“几何结构回波”具有很高幅度。因此，存在强烈几何结构回波遮掩可能与例如加工件中的待检测缺陷相互关连的不太强烈基本信号的可能性。由于检查技术的上下文中使用的信号处理的有限动态，因此存在几何结构回波“掩蔽”相干信号、例如缺陷信号的危险。
[0003]这个问题例如在借助于超声波的轨道车辆的轮副的检查中特别相关。轨道车辆的轮副一般包括安装在刚性实心或空心轴上的一对车轮。这种情况下使用的轴常常具有逐段(例如用于接纳功能组件、例如车轮、减摩轴承或制动盘的所限定区域)改变的外径。显然，轨道车辆的轮副的轴构成安全相关组件，其对轨道车辆的长使用期限经受自然磨损。为此，其没有缺陷必须不仅仅在轨道车辆的轮副的生产期间借助于无损检查方法来确定。而且对轮副的整个使用期限也要求针对所有组件、在这种情况下具体是车轮以及所使用的轴的没有缺陷的定期检查。实际上，在轨道车辆的轮副的轴中观察到的最经常磨损现象是初裂、即裂纹状疲劳故障(其在相应轴的表面开始)的发生。因此，每一个轨道车辆操作员必须提供适当检查方法和装置，以便对轨道车辆的轮副定期检查其没有缺陷。
[0004]至今，借助于超声波的具有逐段改变的直径的旋转对称加工件、具体是轨道车辆的实心轴的检查构成特别棘手的检测任务。这具体基于如下事实:在具有逐段改变的直径的旋转对称加工件的超声检查中观察到能够叠加于待检测缺陷的信号之上的强烈几何结构回波。
[0005]此外，轨道车辆的轮副的检查常常需要轨道车辆的停工期，这与因轨道车辆停止服务引起的高停工期成本直接相关。为了使其为最小，期望能够检查完全组装轮副、即具有组装轴承和/或制动盘的轮副。如果它们被安装，则来自轴或者来自端面的声透射(例如借助于锥形探头)采用现有技术已知的基于超声的检查方法是不可能的。
[0006]最后，例如对旋转对称加工件所得到的超声检查的结果的易于解释的表示的生成构成就本申请人所知至今仅在不充分程度上得到解决的问题。
[0007]因此，本发明的目的是提出用于基于诸如超声波、涡流或X射线之类的无损检查技术对具有不同直径的段的旋转对称加工件的无损检查的方法和装置。在这种情况下，该方法应该适合于缓解来自具有逐段改变的直径的加工件的掩蔽几何结构回波的问题。
[0008]这个目的通过具有如权利要求1所述特征的方法以及具有如权利要求15所述特征的装置来实现。从属权利要求示出按照本发明的方法以及控制本发明的装置的有利发展，其中从属权利要求能够在技术可行的上下文之内按照任何方式相互自由组合。但是，这种组合不是绝对要求。。
[0009]按照本发明的方法用于具有不同直径的段的旋转对称加工件的无损检查。它基于诸如超声波、涡流或X射线之类的无损检查技术，其中借助于超声波的按照脉冲回波方法的检查是优选的。该方法包括下列过程步骤:
a.借助于检查技术来生成表征加工件的材料性质的测试数据集，其中测试数据集的元素分别指配给加工件中的所定义测试体积Vi，其在加工件中的位置通过方位角β 1、离加工件的对称轴S的径向距离Ri以及相对于加工件的对称轴S的X位置Xi来定义，测试数据集包括指配给具有公共X位置Xi和公共径向距离Ri但是具有不同方位角β 4勺多个测试体积Vi的若干元素的部分集合Τ，
b.形成方位角相关指示值集合Ai，其中这个步骤包括关于方位角β对部分集合T的微分，以及
c.生成所述加工件(I)的表示(50)，其中指示值集合Ai的元素在所述表示(50)中按照空间解析方式示出。
[0010]在这种情况下，测试数据集的元素能够是例如源自测试体积Vi的超声回波信号。具体来说，测试数据集的元素能够包括来自相应测试体积Vi的最大回波幅度。特别优选地，测试数据集的元素分别包括相应测试体积Vi的坐标(Xi，Ri, βχ)和关联最大回波幅度。当然，其他坐标系也能够用来代替这里所使用的圆柱坐标。
[0011]通过关于方位角β对部分集合T进行微分(或者查找其导数)，生成伴随方位角β (其能够例如借助于加工件绕其对称轴S旋转旋转角δ来得到)的变化期间的测试数据的变化的信号。与旋转对称几何结构相互关连并且因而指配给具有相同坐标Ri和Xi的测试体积Vi的部分集合T的测试数据在测量精度的极限之内是相同的。例如在借助于放置于加工件表面的角测试探头的超声检查的情况下，这类结构始终生成相同回波信号，而与旋转角S无关。在测量精度的极限以及一系列离散值的数值微分期间通常发生的伪影之内，关于方位角(或者相对等效的旋转角5)的微分结果因此为零值，而与方位角无关，除非存在取决于旋转角的局部不匀性。那里，与其关联的叠加的附加回波信号(“缺陷回波”)(其通常限制到几个离散旋转角度值)引起通过微分所形成的导数中的至少两个信号的发生。因此，信号上升沿生成具有正最大数的“尖峰”(尖局部幅度最大数)。相反，信号下降沿生成负尖峰。导数在缺陷回波的边沿之间具有零交叉点。通常，通过微分所形成的局部斜率值在尖峰之间接近零。
[0012]本发明现在基于执行根据微分结果的信号处理，以便生成检查方法的结果的图形
[0013]为此，在第一有利实施例中，在步骤b对局部斜率值(其在关于方位角β的部分集合T的微分期间产生)来执行阈值分析。识别那些测试体积Vi，其中通过微分所形成的局部斜率值超过预设(正或负)阈值。因此，识别尖峰所在的、超过正或负最小高度的这类测试体积。在指示值集合Al的形成期间，将在这些测试体积中检测的最大回波信号幅度指配给这些测试体积Vi。在最简单的情况下，指示值集合Ai的元素由相应测试体积Vi的坐标(Xi，Ri, P1)和所指配最大回波幅度来组成。如果测试体积Vi的通过微分所形成的值下降到低于预设阈值，则将零值指配给这个测试体积Vi。因此，与零不同的值仅指配给缺陷回波的边沿所在的那些测试体积Vi。在那种情况下，在指示值的图形表示中仅标记缺陷回波的边沿，即，边沿的尖锐化发生。
[0014]在备选的有利实施例中，指示值集合Ai的元素也由相应测试体积Vi的坐标(Xi，Ri, β ,)和所指配最大回波幅度来组成。但是，没有指配给测试体积Vi的所有回波幅度设置为零，
?其中测试体积Vi的通过微分所形成的值超过预测阈值，或者 ?其位于超过预测正阈值的测试体积Vj与超过预测负阈值的测试体积Vk之间。
[0015]后者测试体积Vi则能够指配给正好一个缺陷回波。
[0016]在按照本发明的方法的两种有利实施例中，指示值集合Ai是测试数据集的子集，具体来说，它还是部分集合T的子集。
[0017]参照如下事实:按照本发明的方法能够有利地应用于提供来自加工件、至少取决于空间坐标(在这种情况下:声透射角Θ、方位角β)的测试数据的那些情况。通过在空间中沿一个方向形成导数和上述阈值方法，能够在空间中沿这个方向(在这种情况下为方位角β)的扫描期间，在加工件的表示中极简单地抑制没有改变或者只是很缓慢改变的测试数据。因此，按照本发明的方法及其在按照本发明的装置中的实现并不局限于旋转对称加工件的检查。方法和装置而是能够有利地用于待测试加工件具有导致采用所使用测试方法的读取的广泛几何结构的那些情况。例如，这种结构能够是直阶梯或者平面表面。
[0018]在按照本发明的另一个有利发展中，通过在不同的耦合位置Ei以不同的所定义声透射角Θ i将超声测试脉冲声穿透进加工件，并且随后分别记录产生于来自加工件在耦合位置Ei以声透射角Θ的一个声穿透超声测试脉冲的超声回波信号，来得到测试数据。在这种情况下，耦合位置Ei具体能够位于旋转对称加工件的横向表面上。然后能够例如借助于包括用于生成超声测试脉冲的超声换能器的倾斜声透射测试探头来执行超声测试脉冲的生成和耦合。
[0019]在按照基于脉冲回波方法的本发明的方法的另一个有利发展中，根据加工件中的超声测试脉冲的声路W对各超声测试脉冲选择传播时间间隔I，所选传播时间间隔I对应于加工件的预先选择(例如近表面)区域ROI ( “感兴趣区域”)。稍后将更详细说明所述感兴趣意愿。随后，通过分析所选传播时间间隔I中的超声回波信号，来生成回波值G。如果这些方法步骤对加工件绕其对称轴S的多个旋转角重复进行，则所产生回波值G形成测试数据集。
[0020]一般来说，加工件中的超声测试脉冲的声路W与加工件几何结构、耦合位置E、声透射角Θ、声透射方向相关并且与加工件以及用于生成超声测试脉冲的超声测试探头的声学性质相关。例如，声透射方向能够经由声音传播方向相对对称轴S和耦合位置E所定义的平面的倾角Φ来定义。在按照本发明的方法的优选实施例中，倾角Φ为零，即，声路W和加工件的对称轴S跨越公共平面P。
[0021]按照本发明的方法提供一种检查方法，其准许按照检查员具体可理解的方式来显示具有逐段改变的直径的旋转对称加工件的无损检查的结果。在这种情况下，按照本发明所生成的加工件表面的表示是二维的、例如采取C图像的形式，或者它可以是空间的，其中空间、即三维表示是优选的。本领域的技术人员清楚地知道，本文所述的加工件的图形表示的生成包括代表例如在CAD模型的意义上的加工件的表示的数据集的生成以及在能够连接到例如按照本发明的随后描述装置的适当图示单元上、例如在适当显示器上的加工件的图形表示的实际图示。
[0022]在该方法的一优选实施例中，将加工件的表示的表面上的点w指配给加工件中的超声测试脉冲的声路W。在加工件的图形表示中，指配给这种点w的超声测试脉冲的指示值按照适当方式、例如通过局部颜色或亮度编码来呈现。下面通过示范实施例的上下文中的示例更详细描述这个方面。
[0023]在按照本发明的方法的另一个有利