用于铁路货车摇枕或侧架的水浸超声波自动探伤系统的制作方法
【专利摘要】用于铁路货车摇枕或侧架的水浸超声波自动探伤系统把传统的超声波探伤技术同先进的工业控制计算机、嵌入式系统、高速数据处理技术、电气自动控制理论、PLC等技术相结合，自动探伤按“手动+自动”模式设计，保证了控制信号、回波信号的稳定提取以及连续自动化探伤检测的准确性和高效率，具有自动化程度高、运行节拍快的特点，以及良好的检测稳定性、客观性、可靠性。同时具有兼容性、通用性，能满足摇枕或侧架不同的生产检测的要求、一机二用。
【专利说明】用于铁路货车摇枕或侧架的水浸超声波自动探伤系统
【技术领域】
[0001]本发明属于工业用于铁路货车摇枕或侧架的水浸超声波自动探伤系统领域，具体涉及一种铸造工业铁路货车摇枕或侧架的水浸超声波自动探伤系统。
【背景技术】
[0002]在铁路货车摇枕或侧架的生产铸造行业，超声波探伤是生产过程中所使用的关键工序之一，它的作用是使用超声波探伤仪对铁路货车摇枕或侧架的铸件产品内部及表面的危害性缺陷进行检测，这一工序的成败直接影响铸件产品质量，对铁路货车运输的安全性是至关重要的环节之一。但目前在用的探伤方法是传统的超声波手工探伤方法进行的，操作人员凭借个人经验对手动探伤仪上显示屏幕所显示的回波波形予以判断，由于人工操作、以及操作人员个人技术水平参差不齐，其探伤准确性相差比较大，人为因素影响很大，并且检测结果带有人为的主观性和局限性的因素影响。虽然这些个人经验是可贵的，但是生产效率低，容易发生漏检和误检，严重影响铁路货车摇枕或侧架生产线的生产效率，给铁路货车运输的安全性带来了极大的隐患。
【发明内容】
[0003]发明的目的:为解决上述问题，本发明针对现有技术的不足，提供了一种铸造工业铁路货车摇枕或侧架的水浸超声波自动探伤系统。
[0004]技术方案:为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种铸造工业铁路货车摇枕或侧架的水浸超声波自动探伤系统，所述的自动探伤系统，其特征在于:本发明包括监控显示器、操作台、机械PC工作站、PLC控制柜、变频器、报警系统、位移传感器、气动系统、横向位移传感器、纵向位移传感器、CCD监视控制、电机、液压水箱推正机构、探伤小车行走控制、水浸聚焦探头阵列升降控制、缺陷自动标识记录装置、输送辊道、探伤小车行走限位控制、水浸聚焦探头、水箱、网络通讯单元、嵌入式子系统单元、高速信号处理单元、键盘、前置超声波发射/接收电路单元、探伤监控显示器、存储设备单元、工件(摇枕或侧架)所组成。
[0005]所述的监控显示器，是CXD监视控制的闭路监控系统组成部分，是系统的显示部分，是CCD监视控制的标准输出。
[0006]所述的操作台，由各种开关按钮组成，配以控制按钮来适应多变的过程控制，实现整个控制系统的主令控制、信号指示。
[0007]所述的机械PC工作站，采用的是一台工业控制计算机作为上位机是整个自动探伤系统的控制核心，管理、控制整个自动探伤检测系统的运行情况，与PLC控制柜下位机之间通过以太网线实时通讯。
[0008]所述的PLC控制柜，由一台西门子S7-300系列的PLC (CPU315-2DP)为主作为整个自动探伤系统的下位机，监控整个探伤系统的运行情况。
[0009]所述的变频器，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。
[0010]所述的报警系统，是由水浸聚焦探头接收超声波脉冲信号，经由超声波自动探伤仪对反射回来超声波脉冲信号数据处理后送至机械PC工作站，通过PLC控制柜接收机械PC工作站发出的缺陷报警信号后，由报警系统发出的缺陷自动报警声、光信号。
[0011]所述的位移传感器，是把各种被检测的物理量转换为电量。在超声波自动探伤过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种，位移传感器采用数字式位移传感器，用来检测水箱及工件(摇枕或侧架)到达探伤工位。
[0012]所述的气动系统，是为了驱动用于各种不同目的的机械装置，如:水浸聚焦探头阵列升降控制、缺陷自动标识记录装置。典型的气动系统是由方向控制阀、气动执行元件、各种气动辅助元件及气源净化元件所组成。
[0013]所述的横向位移传感器，是用来检测探伤小车行走控制、探伤小车行走限位控制到达探伤工位，调节探伤小车行走运行。
[0014]所述的纵向位移传感器，是用来控制自动探伤时水浸聚焦探头阵列升降控制的升降，以及输送辊道的转动，通过输送辊道的转动，保证输送辊道上水箱及被检测工件(摇枕或侧架)在纵向方向上移动。
[0015]所述的CXD监视控制，是与CXD监视控制摄像头相连接，实时监视水箱及工件(摇枕或侧架)到位和工件(摇枕或侧架)探伤全过程的监控。
[0016]所述的电机，主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。如:探伤小车行走控制、输送辊道的动力源。
[0017]所述的液压水箱推正机构，是水箱及工件(摇枕或侧架)到达探伤工位后，PLC发出指令同步驱动调节控制是实现两个推正液压缸在横向方向上的同步驱动工作，保证水箱及工件(摇枕或侧架)探伤时准确进行。
[0018]所述的探伤小车行走控制，是通过伺服控制器与探伤小车行走的电机相连接，实现探伤小车行走快慢的控制。
[0019]所述的水浸聚焦探头阵列升降控制，通过电磁阀、升降气缸等装置由PLC控制水浸聚焦探头阵列升降控制的上升、下降动作，从而进行探伤工作。
[0020]所述的缺陷自动标识记录装置，与喷涂缺陷标识记录的自动喷枪相连接，在探伤过程中，一旦发现缺陷时在水箱外侧缺陷标识记录板上，及时、自动喷涂缺陷标识，以备手动探伤复检。
[0021]所述的输送辊道，是通过光电位检开关用于水箱及工件(摇枕或侧架)纵向输送传动，由输送辊、轴承座、辊道架等组成。根据输送辊道正反方向转动，实现工件(摇枕或侧架)纵向前进、后退的探伤工作过程。
[0022]所述的探伤小车行走限位控制，是通过各种限位开关控制，以便实现探伤小车行走限位控制。
[0023]所述的水浸聚焦探头，由主要由压电晶片和声透镜组成，压电晶片既可以发射超声波，也可以接收超声波，并通过声透镜在工件(摇枕或侧架)内部实现聚焦，以便在探伤过程中实现自动探伤检测操作。
[0024]所述的网络通讯单元，是采用传统的客户端/服务器模式，采用TCP/IP协议，运用Socket编程实现。通过串口(RS232)、以太网口、USB 口实现与机械PC工作站的实时通讯，将探伤检测数据用物理链路将各个孤立的检测单元或机械PC工作站相连在一起，组成数据链路，从而实现探伤检测的目的。
[0025]所述的嵌入式子系统单元，是负责各种外围硬件设备的控制与管理，其核心采用ARM的64位嵌入式微处理器芯片S3C6410平台上构建嵌入式Linux系统的过程，Linux系统以其代码开发、功能强大又易于移植等特点的快速高效的操作系统。
[0026]所述的高速信号处理单元，是负责高速信号处理以及各种逻辑控制，包括一片组合逻辑信号并实现多种控制的CPLD芯片，一个高速ADC转换器和一片存储器。在CPLD芯片的控制之下，前置超声波发射电路通过水浸聚焦探头向被检测工件(摇枕或侧架)发射超声波，得到的超声回波信号由前置超声波接收电路接收、调整、放大。然后经由高速ADC转换器转换成数字信号、并由存储器存储起来，当存储器的数据存满时、由ARM微处理器芯片通过扩展总线读取采样数据，并进行压缩和处理，最后绘制成波形显示。
[0027]所述的键盘，是触摸屏式键盘包括测试键、增益键、声程键、声速键、闸门键、+号键、-号键等等，共16个键。每个键的意义与其键名一致，用于实现超声波探伤检测的功能操作和参数设置。
[0028]所述的前置超声波发射/接收电路单元是前置超声波发射电路通过水浸聚焦探头向被检测工件(摇枕或侧架)多路发射电路发出激发水浸聚焦探头的高压电脉冲，水浸聚焦探头通过电声能量转换发射超声波，经过水层进入到被检测工件(摇枕或侧架)内部，遇到缺陷后超声波返回到水浸聚焦探头，接收到水浸聚焦探头返回的电信号即回波信号，经过接收电路内部的多路接收电路后，通过一个由时序方波控制切换的模拟开关后转换成一路分时输出的回波信号，由前置超声波接收电路接收、调整、放大后送入高速信号处理单元进行数据处理。
[0029]所述的探伤监控显示器，是系统采用IXD显示器显示超声波检测的波形、系统参数和菜单，是回波波形的显示部分，是超声波自动探伤系统的标准输出。
[0030]所述的存储设备单元，是采用存储硬盘、SD卡及U盘等数据存储设备，操作简便，并能保存大量检测数据，有利于日后回放分析。
[0031]所述的水箱，是用于存放探伤工件(摇枕或侧架)的，将水箱放满作为耦合剂的水后、再放入被检测的工件(摇枕或侧架)，因工件(摇枕或侧架)的形状不同，探伤部位不同，水箱分为摇枕水箱和侧架水箱，并且在水箱的底部分别焊接安装有用于摇枕或侧架的定位块，便于摇枕或侧架的定位准确，具有良好探伤准确性、可靠性。
[0032]所述的本发明的整套自动探伤系统，与现场各位移传感器、机械PC工作站和被检测的工件(摇枕或侧架)形成闭环网络，一旦出现异常，立即显示故障部位，并有急停保护功倉泛。
[0033]作为优化:本发明所述的自动探伤检测系统把传统的超声波无损检测技术同先进的工业控制计算机、电气自动控制理论、PLC、高速信号处理技术等技术相结合，PLC按“手动+自动”模式设计，保证了控制信号、回波信号的稳定提取以及连续自动化探伤检测的准确性和高效率，具有自动化程度高、运行节拍快的特点，以及良好的检测稳定性、客观性、可靠性。同时具有兼容性、通用性，能满足摇枕或侧架不同的生产检测的要求、一机二用。
[0034]有益效果:本发明通过将现有的人工手动超声波探伤检测实现为超声波自动探伤检测，对摇枕或侧架产品有缺陷的部位实现了缺陷的自动识别，自动报警，自动存储，自动、实时地喷涂标识记录，保证了控制信号、回波信号的稳定提取以及连续自动化探伤检测的准确性和高效率，具有自动化程度高、运行节拍快的特点以及良好的兼容性、通用性，并且能满足超声波自动探伤检测的生产要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是本发明的系统组成框图；
图2是本发明的系统探伤控制流程图；
图3是本发明的系统手动探伤工作流程图；
图4是本发明的系统自动探伤工作流程图；
图5是本发明的系统超声波从探头表面发出水层再到进入工件中的轨迹示意图；
图6是本发明的系统探伤监控显示器屏幕显示的波形示意图；
图7是本发明的系统高速信号处理单元组成框图；
图8是本发明的系统前置超声波发射/接收电路单元流程图。
【具体实施方式】
[0036]如附图1所示的，其特征是本发明包括监控显示器1、操作台2、机械PC工作站3、PLC控制柜4、变频器5、报警系统6、位移传感器7、气动系统8、横向位移传感器9、纵向位移传感器10、CXD监视控制11、电机12、液压水箱推正机构13、探伤小车行走控制14、水浸聚焦探头阵列升降控制15、缺陷自动标识记录装置16、输送辊道17、探伤小车行走限位控制18、水浸聚焦探头19、网络通讯单元20、嵌入式子系统单元21、高速信号处理单元22、键盘23、前置超声波发射/接收电路单元24、探伤监控显示器25、存储设备单元26、水箱27、工件(摇枕或侧架)28所组成。
[0037]所述的监控显示器I与机械PC工作站3相连接，是CXD监视控制11的闭路监控系统组成部分，是系统的显示部分，是CCD监视控制11的标准输出，有了监控显示器I的显示才能观看CCD监视控制11前端送过来的图像，作为自动探伤系统不可缺的终端设备，充当着探伤人员的“眼睛”，同时也为事后凋查起到关键性作用。
[0038]所述的操作台2与机械PC工作站3相连接，由各种开关按钮组成，配以控制按钮来适应多变的过程控制，实现整个控制系统的主令控制、信号指示。
[0039]所述的机械PC工作站3采用一台工业控制计算机作为上位机是整个自动探伤系统的控制核心，管理、控制整个控制系统的运行情况，与PLC控制柜4下位机之间通过以太网线实时通讯，向PLC发出控制信号并监控PLC执行等。
[0040]所述的PLC控制柜4与机械PC工作站3，由一台西门子S7-300系列的PLC(CPU315-2DP)为主作为整个自动探伤系统的下位机，监控整个控制系统的运行情况，构成下位机硬件设备来执行分布式控制和操作任务，与机械PC工作站3之间通过以太网线实时通讯。整个控制系统的自动化动作均由PLC来控制，通过PLC完成所有传动及执行元件的输入、输出信号、检测信号等逻辑控制部分的手动及自动工艺控制、与作为上位机的机械PC工作站3进行实时的数据交换。
[0041]所述的变频器5通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，实现电机正转、反转、点动等；另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
[0042]所述的报警系统6是水浸聚焦探头19发射超声波脉冲信号，遇到缺陷后反射回来，水浸聚焦探头19接收超声波脉冲信号，经由超声波自动探伤仪17对反射回来超声波脉冲信号数据处理后送至机械PC工作站3，通过PLC控制柜4接收机械PC工作站3发出的缺陷报警信号后，由报警系统6发出的缺陷自动报警声、光信号，以及实现系统紧急停机，各种情况报警。
[0043]所述的位移传感器7是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在超声波自动探伤过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器采用数字式位移传感器，用来检测水箱27及工件(摇枕或侧架)28到达探伤工位，优点是便于将信号直接送入计算机系统进行各项控制工作。
[0044]所述的气动系统8的基本构成是为了驱动用于各种不同目的的机械装置，以及实现自动标伤等，如:水浸聚焦探头阵列升降控制15、缺陷自动标识记录装置16。典型的气动系统是由方向控制阀、气动执行元件、各种气动辅助元件及气源净化元件所组成。气动系统流程:空压机一干燥机(冷干机)一气动元件一电磁阀(方向控制)一执行元件。
[0045]所述的横向位移传感器9是用来检测探伤小车行走控制14、探伤小车行走限位控制18到达探伤工位，调节探伤小车行走运行。
[0046]所述的纵向位移传感器10是用来控制自动探伤时水浸聚焦探头阵列升降控制15的升降，以及输送辊道17的转动，通过输送辊道17的转动，保证输送辊道17上水箱27及工件(摇枕或侧架)28在纵向方向上移动，进行探伤。
[0047]所述的CXD监视控制11与机械PC工作站3相连接，CXD监视控制11与CXD监视控制摄像头相连接，实时监视水箱27及工件(摇枕或侧架)28到位和工件(摇枕或侧架)28探伤全过程的监控。
[0048]所述的电机12是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。如:探伤小车行走控制14、输送辊道17的动力源。
[0049]所述的液压水箱推正机构13是水箱27及工件(摇枕或侧架)28到达探伤工位 后，PLC发出指令同步驱动调节控制是实现两个推正液压缸在横向方向上的同步驱动
工作，保证水箱27及工件(摇枕或侧架)28探伤时准确进行。
[0050]所述的探伤小车行走控制14与PLC控制柜4相连接，探伤小车行走控制14通过伺服控制器与探伤小车行走的电机相连接，实现探伤小车行走快慢的控制。
[0051]所述的水浸聚焦探头阵列升降控制15通过电磁阀、与气动系统8的升降气缸、纵向位移传感器10、水浸聚焦探头19相连接，通过电磁阀、升降气缸等装置由PLC控制水浸聚焦探头阵列升降控制15的上升、下降，从而进行探伤工作。探伤完毕之后自动依次升起。探头动作还设有手动操作模式，用人工操作探头的升降，探头动作由电磁阀控制升降气缸完成控制动作。[0052]所述的缺陷自动标识记录装置16与气动系统8相连接,缺陷自动标识记录装置16与喷涂缺陷标识记录的自动喷枪相连接，在探伤过程中，一旦发现缺陷时在水箱27外侧缺陷标识记录板上，及时、自动喷涂缺陷标识，以备手动探伤复检。
[0053]所述的输送辊道17通过光电位检开关用于水箱27及工件(摇枕或侧架)28纵向输送传动，与作为动力源的电机12相连接，由输送辊、轴承座、辊道架等组成。根据输送辊道17正反方向转动，实现工件(摇枕或侧架)28纵向前进、后退的探伤工作过程。
[0054]所述的探伤小车行走限位控制18与探伤小车行走控制14相连接，通过各种限位开关控制，以便实现探伤小车行走限位控制。
[0055]所述的水浸聚焦探头19与前置超声波发射/接收电路单元24、水浸聚焦探头阵列升降控制15相连接，水浸聚焦探头19由主要由压电晶片和声透镜组成，压电晶片既可以发射超声波，也可以接收超声波，并通过声透镜在工件(摇枕或侧架)28内部实现聚焦，以便在探伤过程中实现自动探伤检测操作。
[0056]所述的网络通讯单元20，是采用传统的客户端/服务器模式，采用TCP/IP协议，运用Socket编程实现。通过串口(RS232)、以太网口、USB 口实现与机械PC工作站的实时通讯，将探伤检测数据用物理链路将各个孤立的检测单元或机械PC工作站相连在一起，组成数据链路，从而实现探伤检测的目的。
[0057]所述的嵌入式子系统单元21，是负责各种外围硬件设备的控制与管理，其核心采用ARM的64位嵌入式微处理器芯片S3C6410平台上构建嵌入式Linux系统的过程，特别适用于互联网络和数据通信。Linux系统以其代码开发、功能强大且又易于移植等特点为主的快速高效的操作系统，包括交叉开发环境的建立，引导加载程序U-Boot、Linux操作系统内核针对特定目标平台的移植，以及根文件系统的建立等，可以根据用户的不同要求提供通信控制器、数据缓存，各种级别的网络协议支持。
[0058]所述的高速信号处理单元22，是负责高速信号处理以及各种逻辑控制，包括一片组合逻辑信号并实现多种控制的CPLD芯片，一个高速ADC转换器和一片存储器。在CPLD芯片的控制之下，前置超声波发射/接收电路单元24的发射电路通过水浸聚焦探头19向被检测工件(摇枕或侧架)28发射超声波，得到的超声回波信号由前置超声波发射/接收电路单元24的接收电路接收、调整、放大。然后经由高速信号处理单元22的高速ADC转换器转换成数字信号、并由存储器存储起来，当存储器的数据存满时、由ARM微处理器芯片通过扩展总线读取采样数据，并进行压缩和处理，最后绘制成波形显示。
[0059]所述的键盘23，是包括测试键、增益键、声程键、声速键、闸门键、+号键、-号键等等，共16个键的触摸屏键盘。每个键的意义与其键名一致，用于实现超声波探伤检测的功能操作和参数设置。
[0060]所述的前置超声波发射/接收电路单元24，是前置超声波发射电路通过水浸聚焦探头19向被检测工件(摇枕或侧架)28多路发射电路发出激发水浸聚焦探头19的高压电脉冲，水浸聚焦探头19通过电声能量转换发射超声波，经过水层进入到被检测工件(摇枕或侧架28内部，遇到缺陷后超声波返回到水浸聚焦探头19，接收到水浸聚焦探头19返回的电信号即回波信号，经过接收电路内部的多路接收电路后，通过一个由时序方波控制切换的模拟开关后转换成一路分时输出的回波信号，由前置超声波接收电路接收、调整、放大后送入高速信号处理单元22进行数据处理。[0061]所述的探伤监控显示器25，是系统采用IXD显示器显示超声波检测的波形、系统参数和菜单，是回波波形的显示部分，是超声波自动探伤系统的标准输出。是整个超声波自动探伤系统的回波波形的显示部分，有了探伤监控显示器25的显示才能观看前端水浸聚焦探头送过来的缺陷波形图像，作为自动探伤系统不可缺的终端设备，充当着探伤人员的“眼睛”，同时也为事后凋查起到关键性作用。
[0062]所述的存储设备单元26，是采用包括大容量存储硬盘、SD卡及U盘等数据存储设备，操作简便，并能保存大量检测数据，有利于日后回放分析。
[0063]所述的水箱27，是用于存放探伤工件(摇枕或侧架)28的，将水箱27放满作为耦合剂的水后、在放入被检测的工件(摇枕或侧架)28，因工件(摇枕或侧架)的形状不同，探伤部位不同，水箱27分为摇枕水箱和侧架水箱，并且在水箱27的底部分别焊接安装有用于摇枕或侧架的定位块，便于摇枕或侧架的定位准确，具有良好探伤准确性、可靠性。
[0064]如附图2所示的，其特征是是本发明的系统探伤控制流程图:其上料是首先启动桥式起重机将水箱27吊起安放在输送辊道17上，然后将被检测工件(摇枕或侧架)28吊入水箱27，探伤机开机准备开始探伤，操作台2上各操作按钮应在初始位置，合上电源总开关，合上其它开关，输送棍道17按钮手动,输送棍道17转动,位移传感器7检测到水箱27到探伤工位，输送辊道17停止转动，水箱27到探伤工位自动停止，液压水箱推正机构13启动，将水箱27在横向推正，探伤机进入二种探伤工作方式:工件(摇枕或侧架)28手动探伤工作方式和自动探伤工作方式。
[0065]如图2所示，所述的探伤机开机、准备开始探伤的操作台2在初始位置时各开关按钮状态为:钥匙按钮、断开；急停按钮、非锁定位置；水浸聚焦探头19中的四个探头组码位选择按钮在非选定位置；探伤小车方向选择按钮在中间；其它按钮在零位；探伤小车和输送辊道给定电位器在零位。开机准备后可进入操作流程分为手动、自动两种工作方式。
[0066]如图3所示，是本发明的系统手动探伤工作流程图，所述的手动工作方式是横向位移传感器9检测到水箱27到达探伤工位后，手动控制探伤小车行走控制14的横向直线行走向前、向后，探伤小车速度由给定电位器决定，而横向行走向前快速、向后快速行走由PLC设定的固定速度决定，由此探伤小车按给定方向和给定速度运行。
[0067]如图3所示，所述的手动工作方式是纵向位移传感器10检测到水箱27到达探伤工位后，水浸聚焦探头阵列升降控制15开始下降、使得水浸聚焦探头19下降到水箱27探伤位置，手动输送辊道17正转或反转按钮，输送辊道17正转或反转运动，输送辊道17正转或反转按给定的电位器转动，使得水浸聚焦探头19在水箱27纵向前进或倒退进行探伤，由此输送辊道17正转或反转运动按给定方向和给定速度运行。同时切换水浸聚焦探头19将数字式的超声波脉冲信号传送给机械PC工作站3，再通过高速信号处理单元22A/D转换，由机械PC工作站3对超声波波形信号进行分析、判断，不停地循环切换探头、采样、分析、判断，直至探伤检测结束，或发现工件(摇枕或侧架)28的缺陷，最后打印存储波形并输出。
[0068]所述的在操作台2上选择手动工作方式时，执行机构的动作应将通过PLC内置的控制程序来进行，每一步动作都是相互连锁的，每执行一步均受前面执行结果条件的约束。在手动方式下，每一步动作均由操作台2上相应的按钮控制，如不按照工艺过程要求任意启动按钮，执行机构将拒绝动作，即手动工作方式的过程是步进式进行的。
[0069]如图4所示，是本发明的系统自动探伤工作流程图，所述的自动工作方式是横向位移传感器9检测到水箱27到达探伤工位后，探伤小车行走控制14的横向直线行走向前或向后行走是在探伤小车行走限位控制18通过各种限位开关控制，自动限位已锁定，探伤小车速度由给定电位器决定，由此探伤小车按给定方向和给定速度自动运行。
[0070]如图4所示，所述的自动工作方式是纵向位移传感器10检测到水箱27到达探伤工位后，在水浸聚焦探头阵列升降控制15自动升降时间已锁定，输送辊道17正转运动，输送辊道17正转按给定的电位器转动，使得水浸聚焦探头19在水箱27纵向前进进行探伤，由此输送辊道17正转运动按给定方向和给定速度运行。同时切换水浸聚焦探头19将数字式的超声波脉冲信号传送给机械PC工作站3，再通过高速信号处理单元22A/D转换，由机械PC工作站3对超声波波形信号进行分析、判断，不停地循环切换探头、采样、分析、判断，直至探伤检测结束，或发现工件(摇枕或侧架)28的缺陷，最后打印存储波形并输出。
[0071]所述的在操作台2上选择自动工作方式时，执行机构的动作需通过PLC内置的控制程序来进行，该程序采用梯形图方式编制，属于顺序控制逻辑，按下启动按钮，各工位的所有探伤动作在程序的控制下全部自动完成，其中每一步动作都是相互连锁的，只有当上一步动作检测完成后才会自动执行下一步动作，为正常运行的主要工作方式。
[0072]如图5、图6所示，所述的水浸法超声波探伤检测铸钢工件(摇枕或侧架)时采用纵波垂直入射，超声波从一种介质入射倒另一种介质将会产生反射和透射现象，反射能量和透射能量的分配、将根据两种不同介质的声阻抗进行，例如:水/钢界面的声强透射率仅
0.125，而反射率则达0.875，即绝大部分的能量被反射；而钢/水界面则正好相反，据此可分析出水浸法超声波探伤检测铸钢工件(摇枕或侧架)28时，探伤监控显示器25屏幕上显示的各个回波波形所代表的含义。
[0073]如图5所示的，是本发明的系统超声波从探头表面发出水层再到进入工件中的轨迹示意图，图6是本发明的系统探伤监控显示器屏幕显示的波形示意图。从图5、图6中可以看出超声波Al从探头发出到水中，Al在水/钢界面的发生透射和反射，其反射波BI被反射回探头表面，透射波A2入射到工件(摇枕或侧架)28中、并在工件(摇枕或侧架)28底面发生反射和透射，由于透射率与反射率的关系，BI的能量远大于A2 ；F1为A2的反射波，A3为透射波，A3的能量要大于Fl，Fl在钢/水界面发生透射和反射，B2为透射波并探头表面所接受，B2在探头表面的反射波A5与Al类似，形成B3，B4等波。因此工件(摇枕或侧架)28在采用水浸超声波自动探伤时，如果检测时工件(摇枕或侧架)28内部存在缺陷，其缺陷回波应在工件(摇枕或侧架)28的上表面回波和底面回波之间，即BI和B2之间，检测时可将BI作为始波，在调节探伤监控显示器屏幕显示时将BI之前的波全部作为零点或始偏移除，再调节声速使B2的深度读数与工件(摇枕或侧架)检测部位的尺寸相一致，调节好后，检测时将能准确地读出在BI和B2之间出现的缺陷波的位置。
[0074]如图5所示的，H为水浸聚焦探头19至工件(摇枕或侧架)28在水中的距离，即探伤检测时的水层厚度，如图6所示，将B2画在B3之前，但实际上，由于水层厚度H及超声波在水中和工件(摇枕或侧架)28中传播速度不同的关系，导致B2及B3的前后位置不定，因此还需将两波区分开才能正确判断缺陷位置。
[0075]由此，设水层厚度为H水、(即H)，工件(摇枕或侧架)28厚度为H工件，超声波在水中的声速为V水，超声波在工件(摇枕或侧架)28中的声速为V工件，超声波在水中的传播用时为T水，超声波在工件(摇枕或侧架)28中的传播用时为T工件，系统仪器中预置声速为V，设水浸聚焦探头19本身的零点已经去除，则:
T水=H水/ V水、T工件=H工件/ V工件，
因系统仪器中能检测得到正确的T水和T工件，但在计算B3和B2波的位置(即HB3和HB2)时是通过系统仪器中预置声速V来计算的，则:
HB3= 2H 水=H 水 + T 水 V，HB2= H 水 + T 工件 V，
所以，当T水V>T工件V时，有H水/ V水> H工件/ V工件，即H水>H工件v水/V工件时，有HB3 > HB2，即B3波在B2波之后。
[0076]反之，当H水〈H工件V水/ V工件时，有HB3〈HB2，即B3波在B2波之前。
[0077]同理，当H水=H工件V水/ V工件时，有HB3 = HB2,即B3波和B2波重合。
[0078]由于缺陷波是在B2波之前，因此应设定要求B3波不能在B2波之前，否则可能会导致缺陷波湮没在B3波中，而不能准确发现缺陷，即在决定水层厚度时，也即保证水浸聚焦探头19至工件(摇枕或侧架)28在水中的距离时，应有:
H = H水 > H工件V水/ V工件
由此得出，这是水浸自动探伤检测时有效发现缺陷的必要条件之一。
[0079]如图7所示的，是本发明的系统高速信号处理单元22组成框图，所述的高速信号处理单元22，是负责高速信号处理以及各种逻辑控制，它包括一片组合逻辑信号并实现多种控制的CPLD芯片，一个高速ADC转换器和一片存储器，一个电源转换器，一个USB控制器所组成。其中高速ADC转换器自带有采样保持器，实现24路模拟数据的采样保持，以及对这些数据的模数转换后、模拟信号转换成数字信号、并由存储器存储起来，当存储器的数据存满时、由ARM微处理器芯片通过扩展总线读取采样数据，并进行压缩和处理，通过USB控制器接口传输入机械PC工作站3最后绘制成波形显示。
[0080]整个高速信号处理单元22实现的方法是:USB芯片接入嵌入式子系统单元21中将产生一个信号，USB芯片将这个信号传输给CPLD芯片，CPLD芯片接收到这个信号后则控制高速ADC转换器进行数据的数模转换，而后将数据传入CPLD芯片中，CPLD芯片再控制存储器进行数据的写入和读出，最终数据进入USB芯片中传入机械PC工作站3进行波形显示。
[0081]如图8所示的，是本发明的系统前置超声波发射/接收电路单元24流程图，所述的前置超声波发射/接收电路单元24，它包括发射脉冲转换电路、脉冲驱动、发射单元、接收单元、回波高阻转换输出电路、回波输出组成。发射脉冲转换电路是把CPLD芯片中输出的3.3V的脉冲信号连接至三个八选一模拟开关输入端。脉冲驱动是三个八选一模拟开关八个输出端5V的脉冲信号，经过专门的驱动芯片，转换成12V的触发脉冲。发射单元是超声波的信号源，由脉冲驱动产生的脉冲信号可触发高速高压开关管，高速高压开关管具有400-500伏电压输入，当它导通时，将贮存于高压电容上的电能经水浸聚焦探头19快速放电，从而激励最多达3X8个水浸聚焦探头19，产生超声波。高速高压开关管的导通受触发端控制，触发瞬间即为超声波发射起始点，为单通道时序的起始点。接收单元是指3X8个超声探头的回波信号，经阻抗匹配，通过两个二极管对输入信号限幅的电路。回波高阻转换输出电路用一个高阻具有放大和转换开关功能的芯片，放大倍数一般在2倍左右，通过时序控制不同探头的回波输出。
[0082]所述的本发明的整套控制系统，与现场各位移传感器、机械PC工作站和被检测的工件(摇枕或侧架)形成闭环网络，一旦出现异常，立即显示故障部位，并有急停保护功能。
[0083]所述的本发明的水浸聚焦探头是本领域的通用技术，在此不做详细描述。
【权利要求】
1.用于铁路货车摇枕或侧架的水浸超声波自动探伤系统，其特征在于:包括监控显示器(I)、操作台(2)、机械PC工作站(3)、PLC控制柜(4)、变频器(5)、报警系统(6)、位移传感器(7)、气动系统(8)、横向位移传感器(9)、纵向位移传感器(10)、CXD监视控制(11)、电机(12)、液压水箱推正机构(13)、探伤小车行走控制(14)、水浸聚焦探头阵列升降控制(15)、缺陷自动标识记录装置(16)、输送辊道(17)、探伤小车行走限位控制(18)、水浸聚焦探头(19)、网络通讯单元(20)、嵌入式子系统单元(21)、高速信号处理单元(22)、键盘(23)、前置超声波发射/接收电路单元(24)、探伤监控显示器(25)、存储设备单元(26)、水箱(27)、工件(摇枕或侧架)(28)所组成。
【文档编号】G01N29/04GK103884775SQ201410109125
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月23日 优先权日:2014年3月23日
【发明者】常少文, 崔正鑫 申请人:辽宁沈车铸业有限公司