□ 季建華 □ 達 剛

1.江蘇城市職業(yè)學院南通點 江蘇南通 226006 2.南通銀河測控技術開發(fā)有限公司 江蘇南通 226006

1 設計背景

大中型軸承的內外圈等環(huán)形工件的無損檢測方法主要有便攜機手動檢測和自動化檢測兩種。手動檢測方便靈活,但對于批量生產來說,效率低,勞動強度大,還容易因人為因素產生誤判。超聲C掃描來源于英文Constant Depth Scanning,系統(tǒng)工作原理是使用計算機控制超聲換能器在工件上縱橫交替掃描,將特定探測范圍內的反射波強度以輝度的形式連續(xù)顯示出來,通過顯示器顯示出工件內部缺陷橫截面圖形。

環(huán)形工件如圖1所示,筆者對此設計了一套自動化無損檢測設備,結合自動化技術與超聲C掃描的原理,完成對此類環(huán)形工件內部缺陷的無損檢測。

▲圖1 環(huán)形工件▲圖2 設備工作流程

設備主要功能是檢測平臺能自動上升至吊裝區(qū),將環(huán)形工件吊裝完成后,能實現(xiàn)工件的定位與裝夾。檢測平臺下降至工作表面處,工件圍繞軸線旋轉,觀察定位安裝是否正常。檢測探頭開始動作,運動到設定位置,工件開始旋轉兩三圈。檢測完成后,系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)給出信號,生成檢測結果。探頭上升回到初始位置,檢測平臺上升至吊裝高度,夾緊裝置松開,根據(jù)檢測結果將工件吊裝至對應的碼垛區(qū)域。設備工作流程如圖2所示。

2 水浸法超聲檢測設備結構

完成大中型環(huán)形工件探傷,一般可選擇水磨法或水浸法。采用水磨法探傷,由于工件直徑較大,檢測過程中探頭與工件接觸時間較長,在力的作用下,探頭易產生磨損。探頭屬于檢測裝置的核心零件,磨損后會直接影響探傷精度和準確性。并且環(huán)形工件存水包的設計較為復雜,探頭部分結構臃腫,運動穩(wěn)定性差,對探傷精度影響較大。采用水浸法探傷,探頭結構輕巧,動作靈敏準確,在探測過程中探頭與工件不接觸,沒有摩擦運動,不會造成探頭磨損,探頭使用壽命長。采用水浸法的缺陷是工件需浸泡在水下,回轉和夾緊機構也在水下工作。權衡利弊并經過測算,兩種方法相較而言,水浸法超聲自動檢測環(huán)形工件,在設備檢測精度及經濟性、穩(wěn)定性等方面都要比水磨法好。根據(jù)環(huán)形工件設計的水浸法超聲檢測設備結構如圖3所示。

▲圖3 水浸法超聲檢測設備結構

水箱設計留有維護窗口,可以觀察水下運動情況,打開后還能為后期設備維護留有足夠空間。探頭運動可實現(xiàn)三坐標聯(lián)動,探頭結構輕巧,定位準確迅速。升降機構采用雙動力系統(tǒng),確保升降動力均衡穩(wěn)定。定位機構采用三爪自定心設計,定位準確,夾緊牢靠?；剞D機構設置有周向支撐導輪,能確保檢測平臺運轉穩(wěn)定,噪聲低。設備機械調節(jié)結構的調節(jié)軸數(shù)總計達7軸,X軸移動模組、Y軸移動模組、Z軸移動模組結合,可以實現(xiàn)對探測探頭三軸方向的調節(jié)。通過探頭架周向旋轉機構和角度旋轉機構的結合,可以實現(xiàn)對探測探頭探測角度的調節(jié)。通過平臺升降模組,可以實現(xiàn)對平臺高度的調節(jié)。通過平臺旋轉模組,可以實現(xiàn)對平臺轉動的調節(jié)。

3 升降機構

設備正常檢測時,環(huán)形工件表面及探頭需浸沒在水下。為方便受檢產品的安裝,設計了一套升降機構。工作中,由升降機構帶動檢測平臺上升到水箱以上。吊裝環(huán)形工件,定位夾緊后,升降機構帶動檢測平臺下降沒入水下設定好的距離,然后停止。工作臺升降導向機構采用四根對稱布置的圓柱光軸,升降傳動為兩套對稱布置的滾珠絲杠機構。升降機構如圖4所示。

▲圖4 升降機構

本套升降機構的優(yōu)點是結構簡單,安裝及維護方便快捷。升降系統(tǒng)的構件標準化程度高,經濟性好。滾珠絲杠螺母副傳動精度高,配合伺服電機,容易實現(xiàn)高度方向的高精度定位。對稱布置結構及直線軸承的應用,使系統(tǒng)升降傳動平穩(wěn),結構剛性穩(wěn)固。由于采用雙電機驅動,帶來的技術難點是如何保證雙電機驅動的同步性。通過在電氣系統(tǒng)中運用可編程序控制器控制聯(lián)調,解決了雙電機的同步性問題。通過采用自鎖機構,實現(xiàn)了檢測平臺在高度方向上任意位置的停機鎖定功能。

4 定位及夾緊機構

環(huán)形工件以空心套筒為主,此類工件外圓均進行了精加工或半精加工,外形為規(guī)則圓柱面,表面精度較高。這種類型的工件最適合采用三爪自定心機構。本次設計利用三爪自定心機構的定位夾緊原理,設計了針對環(huán)形工件的專用夾爪,在定位、夾緊工件的同時保護工件表面不因夾緊而受損。夾爪的驅動方式巧妙地應用齒輪傳動配合絲杠導軌的結構,定位夾緊操作簡單,并支持手動夾緊和自動夾緊兩種模式,降低了用戶操作難度。定位及夾緊機構如圖5所示。

▲圖5 定位及夾緊機構

5 旋轉機構

工件檢測過程是在水下完成的,當檢測探頭定位后,工件需要繞軸線旋轉。整套旋轉機構均浸沒于水下,防水防銹問題是旋轉機構要解決的主要問題。另外是降速問題,如何將電機速度調整到符合工件檢測的旋轉速度,也是設計的關鍵。設計中通過計算、模擬、試驗,最終確定采用不銹鋼材料制備水下傳動部件來解決防銹問題。采用水下電機驅動,解決電機防水問題。采用蝸輪蝸桿傳動配合齒輪傳動,實現(xiàn)傳動比的調節(jié),獲得合適的轉速。

6 結束語

筆者對環(huán)形工作自動化超聲C掃描設備進行了機械結構設計。設計中探頭的動作實現(xiàn)三坐標聯(lián)動控制,探頭支持周向調節(jié)及水平角度調節(jié),工件裝夾部分支持垂直方向任意位置精確停止及周向回轉運動。設備整體運動軸數(shù)達到7軸,自動化程度及檢測效率高。