一种环件自动化多频阵列超声无损检测装置及方法与流程

本发明属于超声波无损检测技术领域，具体涉及一种环件自动化多频阵列超声无损检测装置及方法，它选用不同频率探头分别检测环件不同深度内的缺陷，适用于不同尺寸环件内部缺陷的定量检测。

背景技术：

环件产品在风力发电、电力传输、船舶设备、工程机械、轻工机械、冶金机械等行业得到广泛应用，服役中具有起制动频繁、重复、冲击载荷大、经受交变应力作用等工作特点，要求具有高强度、高韧性及良好的抗疲劳性能。环件轧制是目前生产高性能环形锻件的首选工艺技术，但是，在轧制过程中，环件内部会产生各种类型的缺陷，其中最常见的为孔洞缺陷。当孔洞缺陷的尺寸超标时，环件的使用性能就会受到较大的影响，留下巨大的安全隐患。

目前，超声波探伤是检测环件内部缺陷最常见的方法，根据得到的探伤结果来判定产品的合格与否。环件制造厂在检测环件内部缺陷时，一般采用人工检测方法，检测人员手持直探头、斜探头或双晶探头通过耦合剂与环件端面或外圆面直接接触。但存在的问题是，此方法的检测结果极易受检测人员的操作经验及疲劳程度的影响，而且检测效率低、漏检率高、检测盲区大、难以实现缺陷定量化检测，如何提高检测精度和检测效率，减小检测盲区，同时实现环件内部缺陷自动化定量检测是本发明研究的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种环件自动化多频阵列超声无损检测装置及方法，它利用多频阵列探头实现环件内部缺陷的自动检测，具有效率高、操作简单、检测盲区小、检测精度高、适应性强等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种环件自动化多频阵列超声无损检测装置，包括装有耦合剂的收集槽、设置在所述收集槽内的回转检测平台、驱动所述回转检测平台绕其自身轴线旋转的r轴伺服电机、轴向线性模组、驱动所述轴向线性模组沿回转检测平台轴向移动的轴向伺服电机、安装在所述轴向线性模组上的外圆面多频探头阵列、径向线性模组、驱动所述径向线性模组沿回转检测平台径向移动的径向伺服电机、安装在所述径向线性模组上的端面多频探头阵列、与所述外圆面多频探头阵列和端面多频探头阵列连接的多通道超声检测仪、与所述多通道超声检测仪连接的工控机以及与所述工控机连接的控制柜；所述控制柜分别与r轴伺服电机、轴向伺服电机和径向伺服电机连接，所述外圆面多频探头阵列包括多列频率不同的探头，用于检测环件径向不同深度的缺陷，所述端面多频探头阵列包括多列频率不同的探头，用于检测环件轴向不同深度的缺陷。

按上述技术方案，所述轴向线性模组上安装有外圆面探头夹具，用于调整外圆面多频探头阵列的角度使其晶片平面与环件外圆面平行，且沿环件轴向设置。

按上述技术方案，所述径向线性模组上安装有端面探头夹具，用于调整端面多频探头阵列的角度使其晶片平面与环件端面平行，且沿环件径向设置。

按上述技术方案，所述外圆面多频探头阵列中各不同频率探头的检测范围连续，且最大检测深度与环件的厚度一致；所述端面多频探头阵列中各不同频率探头的检测范围连续，且最大检测深度与环件的高度一致。

按上述技术方案，所述外圆面多频探头阵列和端面多频探头阵列均包括一列高频探头和一列低频探头，所述高频探头的频率为5mhz～10mhz，所述低频探头的频率为2mhz～3mhz。

按上述技术方案，该装置还包括噪声滤波器，所述噪声滤波器设置在控制柜与所有伺服电机之间。

按上述技术方案，该装置还包括该装置还包括x轴线性模组、y轴线性模组、z轴线性模组、x轴伺服电机和y轴伺服电机，所述轴向线性模组和径向线性模组均安装在z轴线性模组上，所述x轴伺服电机和y轴伺服电机分别与控制柜连接，所述x轴伺服电机用于驱动y轴线性模组在x轴线性模组上做横向移动，所述y轴伺服电机用于驱动z轴线性模组在y轴线性模组上做纵向移动，所述横向和纵向相互垂直且构成的平面与回转检测平台的轴线垂直。

相应的，本发明还提供一种基于上述装置的环件自动化多频阵列超声无损检测方法，包括以下步骤：

s1、将环件同轴向固定设置在回转检测平台上，外圆面多频探头阵列和端面多频探头阵列的初始位置均位于环件外圆面上方边缘，外圆面多频探头阵列的晶片平面与环件外圆面平行且沿环件轴向设置，其与环件外圆面之间设有一定提离距离，端面多频探头阵列的晶片平面与环件端面平行且沿环件径向设置，其与环件端面之间设有一定提离距离，向收集槽内注入耦合剂直至液面淹没所有探头；

s2、启动多通道超声检测仪，所有探头开始检测，r轴伺服电机驱动回转检测平台匀速转动，进而带动环件绕其自身轴线匀速旋转，环件转动一周回到初始点的同时所有探头完成对环件一圈的检测，在检测过程中，所有探头将检测到的超声波信号发送给多通道超声检测仪，多通道超声检测仪把接收到的超声波信号转换为超声扫波形图并传输给工控机进行处理；

s3、通过径向伺服电机驱动径向线性模组带动端面多频探头阵列沿回转检测平台径向移动距离δy，移动方向指向环件内孔，δy＝(1-s)·m·d，m为端面多频探头阵列每列中探头的数量，s为探头的重复覆盖率，d为探头的晶片直径，同时通过轴向伺服电机驱动轴向线性模组带动外圆面多频探头阵列沿回转检测平台轴向移动距离δz，移动方向指向环件底部，δz＝(1-s)·n·d，n为外圆面多频探头阵列每列中探头的数量，重复步骤s2，直到端面多频探头阵列移动到环件内孔边缘且外圆面多频探头阵列移动到环件底部为止，即完成环件的超声信号采集和记录。

按上述技术方案，步骤s1中，外圆面多频探头阵列与环件外圆面之间、端面多频探头阵列与环件端面之间的提离距离均为xd，xd≥3n，n为近场区长度。

按上述技术方案，步骤s2中，回转检测平台的旋转角速度为0.2～1rad/s。

本发明，具有以下有益效果：1、本发明采用多频阵列探头，可根据环件尺寸同时从端面和圆周面分层检测不同深度的缺陷，检测精度高，扫查速度快，检测盲区小；2、本发明通过控制电路实现全程自动化检测，操作简单，避免了人为误差对检测结果的影响；3、本发明采用完全液浸法，相较于直接接触法耦合效果更好，环件表面质量不会影响耦合效果，探头与被测环件表面的水层可以消除近场区对检测结果的影响；4、检测过程中，探头不需要与被测环件直接接触，延长了探头使用寿命。本发明能满足不同尺寸环件自动化检测的所有要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中环件自动化多频阵列超声无损检测装置的结构示意图；

图2是本发明中端面多频探头阵列的位移示意图；

图3是本发明中端面多频探头阵列的超声扫查原理示意图；

图4是本发明中外圆面多频探头阵列的位移示意图；

图5是本发明中外圆面多频探头阵列的超声扫查原理示意图。

图中：1-机架、2-y轴线性模组、3-z轴线性模组、4-x轴线性模组、5-x轴伺服电机、6-噪声滤波器、7-控制柜、8-工控机、9-多通道超声检测仪、10-端面多频探头阵列、11-外圆面多频探头阵列、12-环件、13-r轴伺服电机、14-回转检测平台、15-三爪卡盘、16-收集槽、17-径向线性模组、18-轴向线性模组、19-端面探头夹具、20-外圆面探头夹具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的较佳实施例中，如图1所示，一种环件自动化多频阵列超声无损检测装置，包括装有耦合剂(本实施例中耦合剂选用水)的收集槽16、设置在收集槽16内的回转检测平台14、驱动回转检测平台14绕其自身轴线旋转的r轴伺服电机13、轴向线性模组18、驱动轴向线性模组18沿回转检测平台14轴向移动的轴向伺服电机、安装在轴向线性模组18上的外圆面多频探头阵列11、径向线性模组17、驱动径向线性模组17沿回转检测平台14径向移动的径向伺服电机、安装在径向线性模组17上的端面多频探头阵列10、与外圆面多频探头阵列11和端面多频探头阵列10连接的多通道超声检测仪9、与多通道超声检测仪9连接的工控机8以及与工控机8连接的控制柜7；控制柜7分别与r轴伺服电机13、轴向伺服电机和径向伺服电机连接，外圆面多频探头阵列11包括多列频率不同的探头，用于检测环件12径向不同深度的缺陷，端面多频探头阵列10包括多列频率不同的探头，用于检测环件12轴向不同深度的缺陷,本实施例中，探头均采用超声直探头。

在本发明的优选实施例中，如图1、图4、图5所示，轴向线性模组18上安装有外圆面探头夹具20，用于调整外圆面多频探头阵列11的角度使其晶片平面与环件12外圆面平行，且沿环件12轴向设置。

在本发明的优选实施例中，如图1、图2、图3所示，径向线性模组17上安装有端面探头夹具19，用于调整端面多频探头阵列10的角度使其晶片平面与环件12端面平行，且沿环件12径向设置。

在本发明的优选实施例中，如图5所示，外圆面多频探头阵列中各不同频率探头的检测范围连续，且最大检测深度与环件的厚度一致；如图3所示，端面多频探头阵列中各不同频率探头的检测范围连续，且最大检测深度与环件的高度一致。

在本发明的优选实施例中，如图2、图4所示，外圆面多频探头阵列和端面多频探头阵列均包括一列高频探头和一列低频探头，高频探头的频率为5mhz～10mhz，低频探头的频率为2mhz～3mhz，每列包括多个同频率的探头，本实施例中每列包括四个探头。不同频率的探头用于检测环件不同深度的缺陷，每列中设置多个同一频率的探头，用于提高检测效率。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，该装置还包括噪声滤波器6，噪声滤波器6设置在控制柜7与所有伺服电机之间，用于消除伺服电机产生的噪声对超声波检测结果的影响。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，该装置还包括该装置还包括x轴线性模组4、y轴线性模组2、z轴线性模组3、x轴伺服电机5和y轴伺服电机，所述轴向线性模组18和径向线性模组17均安装在z轴线性模组3上，所述x轴伺服电机5和y轴伺服电机分别与控制柜7连接，所述x轴伺服电机5用于驱动y轴线性模组2在x轴线性模组4上做横向移动，所述y轴伺服电机用于驱动z轴线性模组3在y轴线性模组2上做纵向移动，所述横向和纵向相互垂直且构成的平面与回转检测平台14的轴线垂直。

相应的，本发明还提供一种基于上述装置的环件12自动化多频阵列超声无损检测方法，包括以下步骤：

s1、将环件12同轴向固定设置在回转检测平台14上，外圆面多频探头阵列11和端面多频探头阵列10的初始位置均位于环件12外圆面上方边缘，外圆面多频探头阵列11的晶片平面与环件12外圆面平行且沿环件12轴向设置，其与环件12外圆面之间设有一定提离距离，端面多频探头阵列10的晶片平面与环件12端面平行且沿环件12径向设置，其与环件12端面之间设有一定提离距离，向收集槽16内注入耦合剂直至液面淹没所有探头；

s2、启动多通道超声检测仪9，所有探头开始检测，r轴伺服电机13驱动回转检测平台14匀速转动，进而带动环件12绕其自身轴线匀速旋转，环件12转动一周回到初始点的同时所有探头完成对环件12一圈的检测，在检测过程中，所有探头将检测到的超声波信号发送给多通道超声检测仪9，多通道超声检测仪9把接收到的超声波信号转换为超声扫波形图并传输给工控机8进行处理，多通道超声检测仪与工控机之间通过工业以太网传输数据；

s3、通过径向伺服电机驱动径向线性模组带动端面多频探头阵列沿回转检测平台径向移动距离δy，移动方向指向环件内孔，δy＝(1-s)·m·d，m为端面多频探头阵列每列中探头的数量，s为探头的重复覆盖率，d为探头的晶片直径，同时通过轴向伺服电机驱动轴向线性模组带动外圆面多频探头阵列沿回转检测平台轴向移动距离δz，移动方向指向环件底部，δz＝(1-s)·n·d，n为外圆面多频探头阵列每列中探头的数量，重复步骤s2，直到端面多频探头阵列移动到环件内孔边缘且外圆面多频探头阵列移动到环件底部为止，即完成环件的超声信号采集和记录。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，步骤s1中，外圆面多频探头阵列11与环件12外圆面之间、端面多频探头阵列10与环件12端面之间的提离距离均为xd，xd≥3n，n为近场区长度。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，步骤s2中，回转检测平台14的旋转角速度为0.2～1rad/s。

本发明中采用的探头均为常规超声直探头，采用不同频率的超声直探头对环件厚度方向和高度方向上同时进行分层检测可以大大提高检测精度。高频探头检测盲区小，且检测灵敏度高，但存在的问题是随着检测深度的增加，高频探头的声能衰减相较于低频探头呈指数倍增大，当检测位置较深的缺陷时，缺陷反射波的能量会急剧减小，可能会与杂波相混淆，不利于系统发现缺陷，尤其是检测大型环件时，因此选用一个低频探头来检测位置较深的缺陷；再者，如果选用单个频率的探头，随着检测深度的增大，缺陷反射波的幅值同样会有明显减小，当检测深度超过某一值(即环件厚度或高度超过某一值)时，缺陷反射波的幅值同样不能满足检测信噪比，因此多频探头的分层检测不仅能提高检测精度，还能适应各种尺寸的环件；而且，选用不同频率的探头对环件不同深度进行分层检测可以减小对应区域的增益(db数)调节，同样能减小盲区、误差以及检测软件的编写难度。对于大型环件，可能需要3～4组不同频率的探头。

本发明在安装时，如图1所示，该检测装置拥有五个自由度，回转检测平台位于收集槽上方，被检测的环件位于回转检测平台的上表面上，通过三爪卡盘15固定；各探头夹具夹持对应的探头利用线性模组(x、y、z轴)的移动单元在x、y、z轴三个方向上自由移动，同时探头又能通过旋转来调节探头角度实现对不同尺寸、不同形状环件的内部缺陷检测，线性模组安装在机架1上；噪声滤波器通过电缆与各伺服电机和控制柜连接。

本发明在检测环件时，包括以下步骤：

1、初始化装置：通过调节线性模组将装置与待测环件进行匹配定位，探头的初始位置均在外圆面边缘，然后通过探头夹具调整探头角度，保证检测环件端面的端面多频探头阵列的晶片平面与待测环件的端面平行，检测环件圆周面的外圆面多频探头阵列正对环件的中心，向收集槽中注水直至液面淹没整个探头后，停止注水；

2、设置检测参数：启动多通道超声检测仪，在设备中输入检测参数，如待测环件外径d、壁厚δ、高度h、材料声速c、回转检测平台的旋转角速度w等；

3、采集并记录检测信号：

3.1、通过r轴伺服电机驱动回转检测平台与环件以角速度w匀速转动，转动一周后，环件回到初始点的同时探头也完成了对环件一圈的扫查；

3.2、在检测过程中，多频阵列探头将检测到的超声波信号发送给多通道超声检测仪，多通道超声检测仪把接收到的超声波信号转换为超声a扫波形图，超声波a扫波形图主要显示界面波(超声波发射的始波在水与环件接触面反射回来的信号)与一次底波(超声波在环件底部反射回来的信号)以及环件内部缺陷反射的回波信号，横坐标代表缺陷深度，纵坐标代表回波信号幅值，当探头检测到内部缺陷时，界面波与一次底波中间会产生明显的缺陷回波信号，最后多通道超声检测仪通过网口将所有检测的超声a扫波形图传输给工控机，工控机利用编写好的软件处理超声a扫波形图；

3.3、通过径向伺服电机控制径向线性模组驱动端面多频探头阵列沿环件径向移动距离δy，移动方向指向环件内孔，δy＝(1-s％)·m·d，同时通过轴向伺服电机控制轴向线性模组驱动外圆面多频探头阵列沿环件高度方向移动距离δz，移动方向指向环件底部，δz＝(1-s％)·n·d，重复步骤3.1～步骤3.2，直到端面探头移动到环件内孔边缘且外圆面探头移动到环件底部为止；

3.4、工控机利用编写好的软件处理超声a扫波形图，得到环件的超声b扫、c扫图像，并确定环件内部的缺陷大小和位置信息，检测一个环件耗时t＝(2π/w)×([δ/δy]+1)；

3.5、将已检测的环件取出，进行下一个环件检测，重复步骤3.1～步骤3.4，若调整完探头位置后，探头仍然被完全浸没，则不需要重新注水，若下一个环件尺寸与已检测环件尺寸一致，则不需要重新设置检测参数；

4、保存检测结果：将环件多频阵列超声无损检测结果保存在工控机中，显示为超声超声b扫和c扫图像的形式，附带缺陷的位置和尺寸信息，并可获得每个缺陷的超声a扫波形图。

本发明在对外径d＝1000mm、壁厚δ＝300mm、高度h＝300mm的环件进行自动化多频阵列超声检测时，高频探头的频率f1＝5mhz，用于检测深度0～120mm的缺陷，低频探头的频率f2＝2.25mhz，用于检测深度120～300mm的缺陷，探头的晶片直径d＝20mm，探头的重复覆盖率s为15％，端面和外圆面高频探头和低频探头的数量均为4个，按图1的连接关系安装好该装置。

检测步骤包括：

1、初始化装置：通过调节线性模组将装置与待测环件进行匹配定位，探头的初始位置均在外圆面边缘，然后通过探头夹具调整探头角度，保证检测环件端面的多频阵列探头的晶片平面与待测环件的端面平行，检测环件圆周面的探头正对环件的中心，探头的提离高度xd＝100mm，向耦合水收集槽中注水直至液面淹没整个探头后，停止注水；

2、设置检测参数：启动多通道超声检测仪，在设备中输入检测参数，如待测环件外径d＝1000mm、壁厚δ＝300mm、高度h＝300mm、材料声速c＝5200m/s、回转检测平台的旋转角速度w＝0.6rad/s等；

3、采集并记录检测信号：

3.1、通过r轴伺服电机驱动回转检测平台与环件以角速度w＝0.6rad/s匀速转动，转动一周后，环件回到初始点的同时探头也完成了对环件一圈的扫查；

3.2、在检测过程中，多频阵列探头将检测到的超声波信号发送给多通道超声检测仪，多通道超声检测仪把接收到的超声波信号转换为超声a扫波形图，超声波a扫波形图主要显示界面波(超声波发射的始波在水与环件接触面反射回来的信号)与一次底波(超声波在环件底部反射回来的信号)以及环件内部缺陷反射的回波信号，横坐标代表缺陷深度，纵坐标代表回波信号幅值，当探头检测到内部缺陷时，界面波与一次底波中间会产生明显的缺陷回波信号，最后多通道超声检测仪通过网口将所有检测的超声a扫波形图传输给工控机，工控机将接收到的超声波反射波形图与标准dgs曲线对比，若缺陷回波幅值超过dgs曲线，则说明缺陷尺寸大小超过标准值，此时工控机利用编写好的软件处理图形得到缺陷的大小和位置信息并保存，最后，工控机对保存的超声a扫波形图进行处理；

3.3、通过径向伺服电机控制线性模组驱动端面探头沿环件径向移动距离δy，δy＝68mm，移动方向指向环件内孔，同时通过轴向伺服电机控制线性模组驱动外圆面探头沿环件高度方向移动距离δz，δz＝68mm，移动方向指向环件底部，重复步骤3.1～步骤3.2，直到端面探头移动到环件内孔边缘且外圆面探头移动到环件底部为止；

3.4、工控机利用编写好的软件处理超声a扫波形图，得到环件的超声b扫、c扫图像，并确定环件内部的缺陷大小和位置信息，检测一个环件耗时t＝53s，小于1分钟；

3.5、将已检测的环件取出，进行下一个环件检测，重复步骤3.1～步骤3.4，若调整完探头位置后，探头仍然被完全浸没，则不需要重新注水，若下一个环件尺寸与已检测环件尺寸一致，则不需要重新设置检测参数；

4、保存检测结果：将环件多频阵列超声无损检测结果保存在工控机中，显示为超声超声b扫和c扫图像的形式，附带缺陷的位置和尺寸信息，并可获得每个缺陷的超声a扫波形图。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。