勞振鵬　黃市生　黎梓恒　曾志彬 吳國洪

【摘 要】手持式超聲波無損檢測設(shè)備存在著檢測效率低的不足，提高檢測的效率，本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于模具行業(yè)的超聲波無損檢測設(shè)備，以“PLC+步進(jìn)電動機(jī)+同步帶/滾珠絲杠”的形式設(shè)計(jì)了自動超聲檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速檢測模具的功能，傳動機(jī)構(gòu)按程序規(guī)定的路線帶動探頭檢測材料，融合多個(gè)微型接近開關(guān)的感應(yīng)數(shù)據(jù)，判斷材料的邊緣進(jìn)而自動調(diào)整檢測的路線。

【關(guān)鍵詞】超聲波；無損檢測；自動；設(shè)備

中圖分類號： TP274.53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0123-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.061

【Abstract】The hand-held ultrasonic non-destructive testing equipment has the disadvantages of low detection efficiency and improves the detection efficiency.This paper designs an ultrasonic non-destructive testing equipment applied to the mold industry with the "PLC+stepping motor +timing belt/ball screw" The design of the automatic ultrasonic testing equipment to achieve rapid detection of mold function，the drive mechanism to drive the probe according to the route specified by the program，fusion of multiple miniature proximity sensor sensing data，determine the edge of the material and then automatically adjust the detection route.

【Key words】Ultrasound；Non-destructive testing；Automatic；Equipment

0 前言

在現(xiàn)代化智能制造[1]過程中，無損檢測作為最重要的檢測環(huán)節(jié)，已成為控制產(chǎn)品質(zhì)量、保證設(shè)備安全運(yùn)行的重要技術(shù)手段[2]。超聲波無損檢測利用超聲波在介質(zhì)中的傳播對材料內(nèi)部情況進(jìn)行檢測的技術(shù)，具有靈敏度高、成本較低、操作方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此成為應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù)[3]。

國內(nèi)外應(yīng)用的超聲檢測技術(shù)幾乎都為手持式超聲波單點(diǎn)掃描形式，但由于依靠手工移動探頭對材料逐點(diǎn)檢測，易受到人為差異或操作失誤而影響到檢測結(jié)果[4]，并且也由于被檢測對象的結(jié)構(gòu)較大、耗費(fèi)時(shí)間長、操作人員易疲勞，導(dǎo)致產(chǎn)品誤檢和漏檢的概率較大。因此手持式對于無損檢測人員的專業(yè)操作技能要求較高，極大阻礙了超聲檢測向自動化、智能化、圖像化等方向發(fā)展。在傳統(tǒng)的模具制造、鋼材生產(chǎn)等行業(yè)，幾乎都要用到無損檢測技術(shù)，而無損檢測屬于關(guān)鍵且低效率的環(huán)節(jié)。而手持式超聲波無損檢測設(shè)備占據(jù)了大部分無損檢測市場，但是檢測效率、效益方面低是痛點(diǎn)。隨著工業(yè)化的程度加深，人工智能化的時(shí)代的到來，對生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，無損檢測這一環(huán)節(jié)也越來越關(guān)鍵。

為提高檢測的效率，減少漏檢的概率，增加效益，本文提出了一種應(yīng)用于模具行業(yè)的超聲波無損檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，下文將具體從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與軟件系統(tǒng)搭建方面進(jìn)行闡述。

1 硬件平臺設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)思路是以工作臺代替手工，自動檢測，傳動機(jī)構(gòu)按程序規(guī)定的路線帶動探頭檢測材料，最大限度地降低漏檢的概率，融合多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，能自動根據(jù)材料的大小調(diào)整檢測的路線或范圍，不會造成多余的移動路線。

本文所設(shè)計(jì)的超聲波無損檢測設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)包括兩軸工作臺、探頭機(jī)械臂和傳感器。所述兩軸工作臺包括鋁型材支架、X軸固定板、光軸座、光軸、光軸滑塊、承載件、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)固定板、聯(lián)軸器、同步輪、同步帶、同步帶壓緊件、限位輔助件、12mm接近開關(guān)固定件。其中鋁型材支架大小為940mm×600mm×310mm，X軸固定板設(shè)置在鋁型材左右兩端，X軸固定板的上表面設(shè)置了光軸座。光軸座在X軸方向上分別固定了兩根光軸，光軸在X軸方向上左右對稱布置，在Y軸方向上傾斜45°對稱布置，光軸配合光軸滑塊，進(jìn)一步的，光軸滑塊通過螺栓連接著承載件。承載件包括X軸承載件和Y軸承載件，X軸承載件在Y軸方向上固定了兩根光軸，電機(jī)固定板分別設(shè)置在鋁型材支架后橫梁的中間、右方的X軸承載件的上表面。步進(jìn)電機(jī)通過螺栓連接在電機(jī)固定板，傳動X軸的步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器聯(lián)接光軸，進(jìn)一步聯(lián)接同步輪，同步帶分別在X軸、Y軸方向上聯(lián)接兩端的同步輪，進(jìn)一步的，通過同步帶壓緊件壓緊同步帶。限位輔助件分別設(shè)置在X軸左承載件的右下角、Y軸承載件的左上角。所述的12mm接近開關(guān)固定件設(shè)置在鋁型材支架的左下角，并且滿足當(dāng)12mm接近開關(guān)安裝固定好時(shí)，兩個(gè)12mm接近開關(guān)的軸線相交，并且交點(diǎn)恰好位于探頭機(jī)械臂在X軸、Y軸方向回到原點(diǎn)、在Z軸方向達(dá)到最大行程時(shí)探頭表面的中心。

探頭機(jī)械臂包括Z軸連接件、Z軸電機(jī)固定板、Z軸限位開關(guān)固定件、Z軸帶絲杠的步進(jìn)電機(jī)、Z軸導(dǎo)軌連接板、Z軸光軸固定板、Z軸光軸、Z軸光軸擋板、Z軸光軸滑塊、Z軸絲杠滑塊、Z軸載板、探頭鎖緊件、探頭夾板、彈簧固定板、彈簧、連桿、探頭。Z軸電機(jī)固定板通過Z軸連接件與螺旋連接在Y軸承載件的下表面。Z軸限位開關(guān)固定件設(shè)置在Z軸電機(jī)固定板的前表面的中心。Z軸帶絲杠的步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在Z軸電機(jī)固定板的中心。Z軸光軸固定板通過Z軸導(dǎo)軌連接板與Z軸電機(jī)固定板進(jìn)行螺栓連接。Z軸光軸設(shè)置在Z軸光軸固定板與Z軸電機(jī)固定板之間，并且安裝在相對應(yīng)的光軸孔中。Z軸光軸擋板設(shè)置在Z軸光軸的兩端，并且分別與Z軸光軸固定板、Z軸電機(jī)固定板進(jìn)行螺栓連接。Z軸光軸滑塊與Z軸光軸配合，Z軸絲杠滑塊與步進(jìn)電機(jī)的絲杠配合。Z軸光軸滑塊、Z軸絲杠滑塊分別與Z軸載板進(jìn)行螺栓連接。兩塊探頭鎖緊件通過螺栓鎖緊探頭，進(jìn)一步的，上下兩塊探頭夾板通過螺栓連接夾緊探頭。彈簧固定板與探頭夾板之間設(shè)置了四根彈簧，進(jìn)一步的，彈簧固定板通過連桿與螺栓連接在Z軸載板的下表面，彈簧起緩沖保護(hù)作用。

傳感器包括限位開關(guān)、12mm接近開關(guān)和4mm接近開關(guān)。限位開關(guān)分別設(shè)置在左方的X軸固定板的上表面、X軸承載件后表面的右上角、Z軸限位開關(guān)固定件的表面。12mm接近開關(guān)設(shè)置在鋁型材支架的左下角的12mm接近開關(guān)固定件位置處。4mm接近開關(guān)設(shè)置在探頭夾板的前后左右四個(gè)通孔處，該接近開關(guān)的下表面在上，探頭的下表面在下，兩者相隔1mm。

2 軟件系統(tǒng)搭建

以PLC為運(yùn)算及控制中心，能實(shí)現(xiàn)以最可靠且穩(wěn)定的速度檢測材料。以PLC為運(yùn)算及控制中心的控制系統(tǒng)包括手動/自動切換系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、原點(diǎn)識別系統(tǒng)、材料檢測系統(tǒng)、探頭XY坐標(biāo)實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)。手動/自動切換系統(tǒng)是指以一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)為外部輸入，PLC為信號采集中心，實(shí)現(xiàn)手動操作模式或自動模式控制。電機(jī)控制系統(tǒng)是指以PLC為控制中心，步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件，PLC輸出三組脈沖，控制XYZ三個(gè)軸的運(yùn)動，帶動探頭以合適的速度按規(guī)定的路線在材料表面覆蓋式的連續(xù)檢測。原點(diǎn)識別系統(tǒng)是指以三個(gè)限位開關(guān)為外部輸入，PLC為信號采集、轉(zhuǎn)換與輸出中心，當(dāng)其中的一個(gè)限位開關(guān)被按下，則所在軸的電機(jī)停止運(yùn)動，當(dāng)三個(gè)限位開關(guān)均被按下，即為探頭機(jī)械臂在三個(gè)軸向均回到原點(diǎn)。材料檢測系統(tǒng)包括有無材料檢測系統(tǒng)與材料邊緣檢測系統(tǒng)；有無材料檢測系統(tǒng)是指以兩個(gè)12mm接近開關(guān)為感應(yīng)器，PLC為信號采集、轉(zhuǎn)換與輸出中心，當(dāng)材料放置到位時(shí)，兩個(gè)12mm接近開關(guān)均導(dǎo)通，PLC相應(yīng)的輸入點(diǎn)導(dǎo)通，結(jié)合自動模式被啟動時(shí)，該設(shè)備將被自動啟動。材料邊緣檢測系統(tǒng)是檢測智能化的關(guān)鍵，是指以四個(gè)4mm接近開關(guān)為感應(yīng)器，PLC為信號采集、轉(zhuǎn)換與輸出中心，在材料表面的非邊緣區(qū)域檢測時(shí)，四個(gè)4mm接近開關(guān)都處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)材料方向一的邊緣，相對應(yīng)方向一的4mm接近開關(guān)處于斷路狀態(tài)，PLC采集該信號，將輸出脈沖信號控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)帶動探頭在與方向一垂直的方向的正方向（方向二）移動一個(gè)探頭直徑大小的距離，進(jìn)一步的，探頭往方向一的反方向繼續(xù)檢測，保證了探頭一直在材料表面的范圍內(nèi)自動檢測，而且是全覆蓋式檢測，保證了不漏檢。探頭XY坐標(biāo)實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)是指以PLC為數(shù)據(jù)處理中心，步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件帶動同步輪發(fā)生位移，在原點(diǎn)被識別的前提下，探頭相對原點(diǎn)的絕對坐標(biāo)（XY坐標(biāo)）實(shí)時(shí)記錄在PLC的兩個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)。計(jì)算機(jī)可通過與PLC之間的通信讀取這兩個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，得到探頭的實(shí)時(shí)位置，結(jié)合超聲波探頭檢測材料得到的Z方向的超聲波圖像，可構(gòu)造材料內(nèi)部的三維可視化圖像。

控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式是設(shè)備通電，Z軸回原點(diǎn)，Z軸原點(diǎn)到位，XY軸同時(shí)回原點(diǎn)，三軸原點(diǎn)均到位；三軸原點(diǎn)均到位+材料已經(jīng)擺放到位+手動開關(guān)打開+按下啟動按鈕（或三軸原點(diǎn)均到位+材料已經(jīng)擺放到位+自動開關(guān)打開），Z軸運(yùn)動，探頭下移，當(dāng)任意一個(gè)4mm接近開關(guān)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，Z軸停止運(yùn)動，若滿足除位于X軸反方向、Y軸反方向的4mm接近開關(guān)，其它兩個(gè)4mm接近開關(guān)均導(dǎo)通，X軸運(yùn)動，探頭往X軸正方向移動，當(dāng)位于X軸正方向的4mm接近開關(guān)斷開，X軸停止運(yùn)動，探頭往Y軸正方向移動一個(gè)探頭直徑大小的距離，然后探頭往X軸反方向移動，當(dāng)位于X軸反方向的4mm接近開關(guān)斷開，X軸停止運(yùn)動，探頭往Y軸正方向移動一個(gè)探頭直徑大小的距離，然后探頭往X軸正方向移動，如此循環(huán)，直到X軸方向上的兩個(gè)4mm接近開關(guān)、Y軸正方向的4mm接近開關(guān)都處于斷開狀態(tài)，檢測完畢（及時(shí)取走材料），然后Z軸回原點(diǎn)，Z軸原點(diǎn)到位，XY軸同時(shí)回原點(diǎn)，三軸原點(diǎn)均到位。

3 結(jié)語

本文所做的工作總結(jié)如下：第一，根據(jù)設(shè)備的功能要求進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二，根據(jù)設(shè)備的功能要求搭建了軟件系統(tǒng)。該設(shè)備適用于金屬模具、鋼材等產(chǎn)品的自動探傷，可通過軟件編程控制探頭機(jī)械臂帶動傳感器以及結(jié)合平臺的移動，實(shí)現(xiàn)探傷設(shè)備在三維方向的移動，從而可以通過成像軟件呈現(xiàn)出檢測到的3D圖形，定位到裂縫、傷口的精準(zhǔn)位置。其用于檢測出模具、鋼材等在生產(chǎn)中出現(xiàn)的縱向裂紋、橫向缺陷、疏松、氣孔、夾渣等缺陷，該探傷方式具有很好的效益。

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