用于球形本体的超声检验设备的制作方法

本发明描述了用于球形本体的检验设备，以及检验球形本体的方法。

背景技术：

超声测试（ut）是在各种材料上执行质量检查的广泛使用的无损测试技术，以便检测内部瑕疵或者执行质量控制。通常，ut探针是如下传感器，其将超声脉冲发射到被检验的物体中，并且检测反射的脉冲。在脉冲的路径中不存在缺陷时，脉冲将从物体的远边界反射，并且将具有特征幅度。脉冲的路径中的缺陷将导致被缺陷反射的脉冲。反射的脉冲回到探针，其在该处被检测到。

ut检验对于具有相对平坦表面的物体非常好用。不是所有的物体都适合于此类检验，例如当检验具有圆形表面的物体时要实现高的准确度水平更加困难。

然而，必须确保诸如钢轴承球的球形物体的质量。球轴承仅当滚道（race）的表面和每个轴承球的表面光滑并且没有缺陷时能够正常工作。小的轴承球能够相对容易地制造为高标准。更大的轴承球更加难以制造至所需的标准，因为其更大的尺寸增加了表面缺陷的可能性。因此，在检验这样的轴承球中花费很多的努力，并且必须有具有高的检测概率（pod）的检测过程以确保有瑕疵的轴承球不会通过质量控制。视觉检验是缓慢的，并且限于检验诸如外表面中的裂缝或凹陷的明显的缺陷。这样的轴承球应被丢弃。然而，视觉检验的缺点是潜在有问题的内部缺陷可逃开检验。定位成靠近轴承球的表面的内部缺陷可后来被打开。打开的缺陷可随后导致轴承的咬死（seizure）和机器的失效。在诸如重达数吨的风力涡轮发电机的大机器的情况下，球轴承的失效和随后的维修可以是成本非常高的。因此，这样的大球轴承的部件的检验可包含诸如涡流测试或ut检验的其它技术。然而，当已知的ut检验技术被应用至球形本体时，球形本体中的脉冲的行为使得难以解释（interpret）反射，从而不可能可靠地检验。另外，已知的技术不适合检测位于球体表面处或者靠近球体表面的缺陷或瑕疵。

技术实现要素：

因此，本发明的目标是提供检验这样的球形本体的改进的方式。

此目标通过如权利要求1所述的球形本体检验设备和检验球形本体的如权利要求13所述的方法来实现。

根据本发明，所述球形本体检验设备包括，支撑布置结构，实现为在检验过程期间支撑球形本体；探针布置结构，包括绕球形本体布置的多个ut探针，使得所述ut探针将球形本体的表面处的共同的测试点定为目标；以及位移装置，用于产生球形本体相对于探针布置结构的至少一个旋转位移。

在本发明的上下文中，ut探针是通常用于ut检验的类型的探针。ut探针通常具有如下工作表面，所述工作表面具有压电传感器，用于发射和检测超声波。超声波（通常是高频脉冲波）随着其行进通过被测试的物体而将会略微发散。因此，在本发明的上下文中，被ut探针作为目标的“测试点”将被理解为在物体边界处、被超声波覆盖的面积或区域。

根据本发明的检验设备的优势在于，在球形本体的表面处的测试点同时被至少两个ut探针作为目标。这显著增加了测试的敏感度，并且通过增加检测球形本体的表面处或附近的瑕疵、缺陷或异常的可能性而增加检验的准确度。另外，由于球形本体和探针布置结构的所述相对旋转位移，测试覆盖可以有利地高。

根据本发明，检验球形本体的方法包括以下步骤：相对于球形本体布置多个ut探针，以便将球形本体的表面处的共同的测试点作为目标；并且然后致动所述ut探针以便各自发射进入球形本体的超声脉冲，同时产生球形本体相对于探针布置结构的至少一个相对旋转。

根据本发明的方法的优势是，其可以快速地执行球形本体的彻底检验，具有球形本体的表面处的任何缺陷的高检测概率。因此，所述方法特别适合于必须被制造为高质量程度的球形本体的检验。

本发明的特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，如以下描述所揭示的。不同的权利要求类别的特征可以被酌情组合以给出未在本文描述的进一步的实施例。

在下文中，不以任何方式限制本发明，可以假设，被检验的球形本体是诸如用于大球轴承的钢球的实心本体，并且术语“球形本体”、“球体”、“轴承球”、和“球”可因此可交换地使用。如本发明中所使用的，术语“异常”、“瑕疵”、“缺陷”和“迹象”是同义的，并且指的是在球形本体的表面处或附近的缺陷，其如果未被检测到则可导致问题。

优选地，根据本发明的检验设备被实现成用于在浸没槽中使用。所述槽可以被填充有诸如水和一定量的抗腐蚀化学物质的任何合适的耦合剂。

在本发明的优选实施例中，所述位移装置包括两个不同的布置结构，用于产生球形本体和探针布置结构之间的相对旋转。优选地，绕球形本体的中心轴线执行相对旋转。在本发明的特别优选的实施例中，所述位移装置包括实现为绕球形本体的第一轴线旋转球形本体的旋转装置和/或实现为相对于球形本体移位探针布置结构的探针位移装置。在本发明的特别优选的实施例中，旋转装置和探针位移装置二者被使用并且同时操作，使得球形本体绕一个中心轴线旋转，而探针布置结构绕球形本体的另一中心轴线旋转。

球形本体绕第一轴线的相对旋转确保了所述连续的测试点在球形本体的表面上描述路径。在本发明的优选实施例中，所述探针位移装置被实现为同时绕球形本体的另一、不同的轴线旋转探针布置结构。此附加的位移确保了所述连续的测试点遵循的路径覆盖球形本体的更多的表面。球形本体的检验表面的更大的覆盖导致用于创造性技术的有利的高pod。

在本发明的特别优选的实施例中，第一轴线和第二轴线是通过轴承球的中心的正交的轴线，即，第一和第二轴线是其原点在轴承球的中心处的3d笛卡尔空间的轴线。因此，包括一系列测试点的路径描述球形本体上的恒向线（loxodrome）。恒向线是球形本体的表面上、从一个极到直径相对的极的球面螺线路径。

在本发明的优选实施例中，所述检验设备包括实现为控制旋转装置和探针位移装置的旋转速率的控制器。通过选择轴承球的合适的旋转速率和探针布置结构的合适的位移速率，目标测试点遵循的路径可以变得有利地“密”。例如，通过与轴承球的旋转相比相对缓慢地移动探针布置结构，球面螺线路径或恒向线的相邻部段将紧靠在一起，给出良好的检验覆盖。因此，旋转/位移速率优选地被控制器设置为实现目标测试点行进的恒向线路径的有利的长的极-到-极长度。在本发明的一个优选实施例中，对于球形本体绕第一轴线的每个完整的回转，探针布置结构移动通过0.5°。完整的恒向线可以通过绕第一轴线旋转轴承球并且绕第二正交轴线旋转探针布置结构通过包含轴承球的一个半球的空间而被目标测试点追踪。

球形本体的旋转速率和探针布置结构的位移速率被选择为通过由球形本体的表面上的测试点描述的路径来实现球形本体的表面的基本完整的覆盖。通过根据探针布置结构的瞬时位置来调整轴承球的旋转速率可以确保有利均匀的覆盖。例如，当探针布置结构将恒向线的一极附近的测试点作为目标时，轴承球可以以相对快的速率旋转；并且当探针布置结构将恒向线的“赤道”附近的测试点作为目标时，轴承球可以以相对低的速率旋转。通过以此方式调整旋转速率，测试点的行进速率可以保持基本恒定。这些和其它方面将借助附图详细解释。

优选地，根据本发明的检验设备的探针布置结构包括布置为实现特定脉冲行为的ut探针。优选地，探针布置结构包括布置为沿着球形本体的直径发射脉冲的第一ut探针，以及布置为沿着球形本体的弦发射脉冲的至少一个第二ut探针。优选地，第一ut探针被保持为有效地指向球体的中心，使得由该ut探针发射的脉冲在目标测试点处进入轴承球，作为纵向波继续行进到轴承球的远侧部，并且作为纵向波通过测试点反射回到第一ut探针。此第一ut探针将在下文中被称为“纵向ut探针”。

在本发明的特别优先的实施例中，一个或更多个第二ut探针相对于纵向ut探针布置，使得由第二ut探针发射的脉冲当进入球形本体中时被折射，以便作为横向波沿着弦行进至轴承球的远侧部上的目标测试点，并且作为横向波从测试点反射回到进入点，并且在其回到ut探针的工作表面的路径上再次经历到纵向波的转换。这样的第二ut探针将在下文中被称为“横向ut探针”。优选地，两个横向ut探针与纵向ut探针结合地使用。此优选实施例中的探针布置结构优选地包括对称布置结构，其中纵向ut探针在中心，横向ut探针位于其每个侧部上。全部三个探针以检验表面上的相同测试点作为目标。使用两个横向ut探针有利地提高了成角度的（即方向敏感的）目标的检测概率。此优选的探针布置结构可以看到缺陷或迹象的全部角度，使得在检验期间迹象将一直处于相对于探针中的至少一个的最大反射角度处。ut探针初始将超声波生成为纵向波（也称为压力波），即超声波作为纵向波离开工作表面并且通过耦合剂。当ut探针沿被检验物体的表面的法线布置时，脉冲将继续作为纵向波通过物体。本发明利用当纵向超声波与法线成角度进入本体时发生的折射。通过将纵向ut探针布置为发射沿球形本体的直径通过测试点的纵向波，并且对准另外的横向ut探针使得其（沿弦）行进的路径与由纵向ut探针发射的脉冲的行进路径在测试点处相交，更多的详细数据可以被收集用于目标测试点。

根据本发明，目标测试点是来自横向ut探针的脉冲的反射点，也是来自纵向ut探针的脉冲的进入/离开点。通过以此方式布置纵向ut探针和一个或更多个横向ut探针，检验敏感度可被显著增加，因为数个ut探针同时收集来自单个目标测试点的信息。

优选地，根据本发明的检验设备包括采集单元，用于记录由ut探针检测的反射的超声信号。采集的数据可以实时分析和/或可以被存储用于晚些时候分析。优选地，根据本发明的检验设备包括分析单元，用于分析记录的超声信号以确定球形本体中的异常的存在。替代地或附加地，记录的超声信号可以被图形用户界面的合适的模块渲染，以允许信息的目视解释。

有多种方式限定探针位置，使得其纵向波当进入时被转换为横向波（也称为剪切波）。在本发明的优选实施例中，探针布置结构可以被实现为保持横向ut探针，使得ut探针的长轴线平行于轴承球的中心轴线或直径，并且从该中心轴线偏移预定距离。例如，14mm的偏移已被发现导致通过60mm钢轴承球的45°剪切波。

然而，在本发明的特别优选的实施例中，探针布置结构可被实现为保持横向ut探针，使得该ut探针的长轴线相对于球形本体的中心轴线成预定角度。根据斯涅尔定律（snell'slaw），此预定角度是与期望的折射角度相关联的入射角度，并且可应用至任何直径的钢球。例如，中心轴线和横向ut探针之间所成的18.8°的角度已被发现导致通过钢轴承球的有利的45°剪切波。

偏移或夹角优选地基于横向波的期望的折射角度来确定。其它参数可以确定偏移或夹角，例如轴承球的密度。

在根据本发明的检验设备的特别优选的实施例中，ut探针包括具有如下焦距的聚焦的ut探针，并且探针布置结构被实现为将该ut探针保持为距球形本体基本对应于焦距的距离。例如，可使用10mhz50mm聚焦的ut探针。纵向ut探针和（多个）横向ut探针可以是相同类型，例如，每一个可以是10mhz50mm聚焦的探针。替代地，纵向ut探针和（多个）横向ut探针可以是不同的类型。例如，横向ut探针可以具有与纵向ut探针不同的频率和/或不同的焦距。当使用两个或更多个横向ut探针时，其频率和/或焦距可以是相同的，或者可以是不同的。然而，在本发明的特别优选的实施例中，探针布置结构包括一组相同或配合的ut探针。这最大化检验敏感度并且导致有利的高pod。探针的频率确定可被该探针检测的缺陷的尺寸。例如，具有某频率的探针当在本发明的上下文中用作纵向探针时可检测1mm缺陷。当用作横向探针时，由于超声波在折射后的改变的速度，该频率允许检测0.5mm的目标。优选地，ut探针的频率基于待检测的最小缺陷来选择。

ut探针可以被探针布置结构以允许如以上所描述的纵向ut探针的进入/离开点和（多个）横向ut探针的（多个）内部反射点的结合的任何合适的配置保持。在本发明的优选实施例中，ut探针以对称布置结构保持，例如其中纵向ut探针在由3d笛卡尔空间的第一和第三轴线限定的平面中，并且其中每个横向ut探针相对于纵向ut探针成一个角度保持，且相对于包含纵向ut探针的平面成另一角度保持。

用于检验设置（setup）的各种参数的效果可以使用合适的建模软件来建模，以确定合适的探针布置结构。

本发明的其它目标和特征将从结合附图考虑的以下详细描述变得显而易见。然而，将理解，附图仅被设计用于例示的目的，且不作为本发明的限制的限定。

附图说明

图1示出了根据本发明的检验设备的实施例；

图2示出了图1的检验设备的另外的视图；

图3是通过球形本体的横向超声波的示意图；

图4示出了在根据本发明的检验方法期间，在球形本体上描述的目标测试点的第一路径；

图5示出了在根据本发明的检验方法期间，在球形本体上描述的目标测试点的第二路径；

图6示出了根据本发明的检验设备的实施例的部分；

图7示出了在根据本发明的检验方法期间的第一瞬间；

图8示出了在根据本发明的检验方法期间的第二瞬间；

图9示出了钢轴承球中的可通过根据本发明的检验设备检测的示例性异常；

图10示出了现有技术的轴承球检验设置。

在附图中，贯穿所有附图相似的附图标记指代相似的物体。附图中的物体不必要按比例绘制。

具体实施方式

图1和2示出了根据本发明的检验设备1的实施例的两个视图。钢轴承球2被支撑在支撑布置结构10中。探针布置结构的三个ut探针11a、11b、11c被保持在如下配置中，以便指向轴承球2，使得其把球2的表面上的共同的测试点作为目标。一个探针11c是“纵向”ut探针11c，即其被保持以便发射将作为纵向脉冲行进通过球2的超声脉冲。其它两个探针11a、11b是“横向”ut探针11a、11b，即这些探针被保持以便发射如下超声脉冲，所述超声脉冲将在进入球2中时被折射以导致横向波。探针保持布置结构包括翼部11，多个夹具112被安装至所述翼部11。每个夹具112将其探针11a、11b、11c保持为相对于球体2的预定姿态，以便贯穿检验过程维持探针布置结构的期望的配置，例如通过确保超声脉冲的特定入射角度以实现产生的剪切波或横向波的期望的折射角度。

检验设备1包括球旋转部100、101，其导致球2绕通过球2的中心的第一轴线x旋转。探针位移装置110导致翼部11绕第二轴线y旋转，所述第二轴线y正交于第一轴线x并且也通过球2的中心。

检验设备的这些元件可以被放置在浸没槽15中，如图2中所示，其可以被水填充以在检验过程期间用作耦合剂。检验设备1的另外的元件是用于控制轴承球2的旋转速率和翼部11的旋转速率的控制器12。可以选择旋转速率的合适的组合，以实现球表面的期望的覆盖水平。控制器12可以将合适的命令120、121分别发送至球旋转装置100和探针位移装置110。本领域技术人员将熟悉这样的设置。检验设备1的另外的元件是数据采集单元13，其用于收集和记录在ut探针11a、11b、11c的工作表面处检测到的反射超声波。为此，探针11a、11b、11c可以将探针数据130、131、132传递至数据采集单元，例如在网络或无线连接上传递，如本领域技术人员将已知的。

图3是示出了在根据本发明的检验方法期间通过球形本体2的横向超声波wt的路径的示意图。示意图示出了在包含图1和2的探针布置结构11a、11b、11c的两个横向探针中的一个的平面中通过球体2的部段。该图还指示了在探针的工作表面和球2的表面之间的有利的距离f。距离f与聚焦的探针的焦距相同。全部三个ut探针11a、11b、11c优选地是保持为距球2处于此距离f的聚焦的探针。

在此示例性布置结构中，横向探针11a被保持为使得初始的纵向超声波wl与球2的表面的法线n成入射角度θ1。这导致由于在耦合剂和轴承球2之间的边界处的密度差造成的超声波的折射角度θ2。45°的折射角度θ2已在测试期间被观察到导致在远边界处（即在目标测试点p处）的最优的剪切波幅度。剪切波wt在测试点p处被反射并行进回到进入点，在该处其再次经历折射并且转换为纵向波，并且随后在横向探针11a的工作表面处被检测到。在目标测试点p附近的任何瑕疵或异常将在检测到的信号中显示为偏离预期的脉冲到达时间和幅度。在检验过程期间，球2绕上方的轴线旋转，同时探针布置结构绕旋转球2移动。图中的箭头指示此探针11a相对于轴承球2的旋转位移。

所述图还示出了用于在检验过程期间被测试点追踪的球面螺线或恒向线（sphericalspiralorloxodrome）的初始和最终极点p1、p2处的目标测试点的横向探针11a的初始位置和最终位置（点划线）。横向探针11a的入射角度θ1贯穿检验过程保持相同。为了简洁，所述图未示出纵向探针11c和另一横向探针11b，因为这些探针不位于页面的平面中，并且可以假设，由这些其它探针11b、11c发射的脉冲在目标测试点p处相遇。另一横向探针11b还被保持为如以上所述的期望的入射角度θ1。

开始于初始极点p1、已被目标测试点p追踪（在球和探针布置结构的旋转下）的恒向线l的部分被指示为在图的下部部分中的投影。恒向线l的密度通过球的旋转速度和/或探针布置结构的位移速度来确定。

在替代方法中，期望的折射角度可以通过将横向探针11a保持为使得其长轴线平行于轴承球2的中心轴线k、但是从该轴线k偏移如图中所指示的预定距离k偏移来实现。随着偏移增加，折射角度将增加。对于0mm的偏移，不发生折射。对于具有60mm的直径d的钢轴承球2，已发现14mm的偏移导致45°的有利的折射角度θ2。

图4示出了恒向线l，所述恒向线l可以通过在根据本发明的检验方法期间的连续的目标测试点在轴承球上描述。这里，恒向线l相对空旷（open），如可通过探针布置结构的相对快速的运动来实现。图5示出了更紧或者更密的恒向线l，其指示探针布置结构的更慢的位移的效果。实验已经示出，对于轴承球2的每个完整的旋转的0.5°的探针位移可以实现具有在50-80mm范围内的直径的轴承球的基本完整的覆盖。

图6示意性地指示根据本发明的检验设备1的部分。此图指示了支撑布置结构和旋转装置的可能的实现方式。这里，球2倚靠在两个销101上，所述两个销101通过一些合适的驱动装置而被同步地转动（图2示出了驱动带布置结构）。所述销的旋转导致轴承球2沿绕其x轴线的相反方向旋转。此图还示出了其原点位于球体2的中心的3d笛卡尔空间的全部三个轴线x、y、z。在检验过程期间，当轴承球2绕x轴线旋转时，探针布置结构（未示出）可以沿着如由箭头r11所指示的弯曲路径移位，使得瞬时作为目标的测试点位于沿球2的上部半球中的竖直半圆（虚线）。由于球2如由箭头r2所指示地绕x轴线相对快速地旋转，所以之前的目标测试点描述了如图中所示的球面螺线l。探针布置结构可以沿着如图中所指示的半圆形路径从0°移动至180°。为了确保球表面的甚至更好的覆盖，探针布置结构可以被移动通过200°，在图中所示的180°弧的各端部处有附加的10°。

图7示出了在根据本发明的检验方法期间的第一瞬间。所述图示出了纵向探针11c，两个横向探针11a、11b以对称布置结构位于其侧面。这里，每个横向探针11a、11b的位置根据预定姿态固定，使得横向波wt到达由纵向ut探针11c发射的纵向波wl的进入/离开点限定的目标点p。所述图示出了探针布置结构处于如下位置以便将测试点确定目标在恒向线或球面螺线的第一极p1附近。已经确定目标的连续的测试点已经追踪虚拟恒向线的部分，如图中所指示的。球2和探针布置结构11a、11b、11c的旋转速率已经被设置为实现相当密的恒向线，给出球表面的良好的覆盖。

图8示出了在检验过程期间的随后的瞬间。这里，探针布置结构11a、11b、11c已经被逐渐沿方向r11移位，同时轴承球2已如箭头r2所指示地绕其x轴线旋转多次。所述图示出了球面螺线l，其被目标测试点p追踪并且完成至更大的程度。

图9示出了通过钢轴承球2的横截面，其示出了示例性的异常或缺陷20、21、22。一种类型的瑕疵20是表面处的裂缝或撕裂。另一种类型的瑕疵是表面处的凹陷21。这些缺陷20、21可以是太小的而不能通过视觉检验过程可靠地检测，但是可以足够大以便对其中使用这样的瑕疵球2的轴承的性能具有有害作用。第三类型的瑕疵22隐蔽在表面下方，并且不能被视觉检测到。如果具有此类瑕疵22的球被用在大机器的轴承中，则瑕疵22可在机器的操作期间随后破坏打开，导致不好的性能或者甚至轴承的咬死。根据本发明的检验设备和方法可以可靠地检测这些和其它类似种类的缺陷，使得可以确保通过检验过程的任何轴承的高的质量水平。

图10示出了用于执行轴承球的ut检验的现有技术的检验设置5的透视图。单个纵向ut探针50被安装为指向通过轴承球2的中心。支撑布置结构将轴承球2保持在探针50下方。轴承球2下方的多个滚轴51被转动以产生轴承球2的随机旋转，同时ut探针50发射连续的超声脉冲并且检测其反射。控制器52将控制信号发布至滚轴51以协调其致动。数据采集单元收集来自ut探针50的数据。在此现有技术布置结构中，由于随机旋转的原因而难以实现轴承球表面的完全覆盖。另外，单个纵向探针50本身的敏感度如此低以致于仅能可靠地检测到相对大的瑕疵，并且图9中描述的类型的更小但是重要的瑕疵可以逃开检测。因为仅使用纵向ut探针50，此现有技术ut扫描仪布置结构不能检测垂直于（即正交于）检验表面的线性缺陷。小的表面破坏裂缝是落入此类别的缺陷，并且可保持不被检测到，使得现有技术仅可实现不如人意的低pod。此类检验布置结构因此与不令人满意的pod水平相关联，并且不适合检验用于旨在支撑重型机器（诸如风力涡轮发电机）的球轴承的球。

尽管本发明已经以优选实施例和其变体的形式公开，但是将理解，可以对其作出许多附加的修改和变化而不偏离本发明的范围。

为了简洁的目的，将理解，贯穿本申请“一”或“一个”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或元件。提到“单元”或“模块”不排除使用多于一个单元或模块。