全自動非接觸輪轂焊縫相控陣超聲檢測系統(tǒng)的研制

汽車輪轂是汽車輪胎內(nèi)廓支撐輪胎的一個金屬部件，是車輛承載的重要部件，其質(zhì)量直接關(guān)系到人的生命安全。輪轂一般由輪輞和輪輻組成，可以是整體式的、永久連接式的或可拆卸式的，大型汽車輪轂一般由輪輞與輪輻通過激光焊接在一起構(gòu)成，如圖1所示。圖1大型載重汽車輪轂剖面示意輪轂通常由鋁合金或者鋼材制成，而鋼材輪轂強(qiáng)度高，常用于大型載重汽車，因此人們對其各方面的要求都很高。鋼材輪轂采用激光焊接機(jī)進(jìn)行精密焊接，而焊縫熔深是激光深熔焊的重要質(zhì)量檢測參數(shù)，因此研究有效檢測手段對其質(zhì)量控制具有重要意義。目前國內(nèi)主要采用傳統(tǒng)的單探頭脈沖反射法對焊縫進(jìn)行檢測，檢測效率低，重復(fù)性差，對人員的知識經(jīng)驗要求較高，接觸式掃查方式也會導(dǎo)致探頭磨損，檢測耗材大。因此需要研究全自動探傷設(shè)備來提高輪轂的檢測效率和降低檢測耗材成本?；诖?，廣東汕頭超聲電子股份有限公司超聲儀器分公司的研究人員研發(fā)了一套采用輪轂臥式自轉(zhuǎn)、檢測區(qū)域全水浸，相控陣探頭不動、非接觸式的全自動相控陣超聲檢測系統(tǒng)，其可直接安裝在生產(chǎn)線上，提高了檢測效率且節(jié)約了生產(chǎn)成本，可以滿足不同規(guī)格型號鋼材汽車輪轂的檢測，實現(xiàn)對汽車輪轂激光焊縫的快速掃查評估檢測，檢測結(jié)果可通過A/B/C掃描成像直觀顯示。1檢測原理相控陣超聲檢測技術(shù)通過軟件可以單獨控制每個相控陣探頭晶片的激發(fā)時間，從而控制超聲波束的形狀和方向，實現(xiàn)超聲波束的掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。輪轂相控陣檢測時，使用一個多晶片的相控陣探頭，在不移動探頭的情況下就可以實現(xiàn)輪轂斷面的掃描檢測，其電子掃描的聲場模擬如圖2所示。圖2輪轂的電子掃描聲場模擬示意2檢測方法輪輞與輪輻之間的焊縫熔深會直接影響聲學(xué)特性，故通過相控陣探頭識別其界面特征，再根據(jù)回波位置和幅值的變化來判定是否存在缺陷。把汽車輪轂圓周焊縫完全浸泡在液面以下，以水作為耦合劑，然后將相控陣探頭對準(zhǔn)輪轂內(nèi)外圈激光焊焊縫不動，無需接觸，輪轂旋轉(zhuǎn)一周，就可以覆蓋需要檢測的區(qū)域，完成整個掃查，如圖3所示。圖3輪轂的相控陣掃查方式示意3檢測系統(tǒng)的研制01方案確定系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)對輪轂的連續(xù)全自動上下料和全自動檢測。全自動輪轂焊縫檢測的掃查方式主要有兩種，一種是輪轂立式滾動放置，探頭固定，檢測區(qū)域半水浸，由電動夾送輥自轉(zhuǎn)帶動輪轂滾動；另一種是輪轂臥式自轉(zhuǎn)放置，探頭固定，檢測區(qū)域全水浸，由旋轉(zhuǎn)夾爪自轉(zhuǎn)帶動輪轂轉(zhuǎn)動。無論哪種掃查方式，相控陣探頭均浸泡在耦合液中（不與輪轂接觸）以確保輪轂輪輞與輪輻之間的焊縫區(qū)域被全部掃查到。由于所檢測輪轂的最大質(zhì)量超過34kg，而且輪轂的形狀、大小和質(zhì)量等規(guī)格繁多，若采用輪轂立式滾動的掃查方式，電動夾送輥將長期承受較大的重復(fù)沖擊力，而影響結(jié)構(gòu)可靠性和重復(fù)檢測精度，成本較高。因此，系統(tǒng)采用輪轂臥式自轉(zhuǎn)、相控陣電子掃描的非接觸掃查方式。02系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)主要由全自動機(jī)械平臺、相控陣檢測系統(tǒng)和成像軟件三部分構(gòu)成。1.全自動機(jī)械平臺機(jī)械平臺核心部件有工作通道、定中心抱臂、水浸池、旋轉(zhuǎn)夾爪、編碼裝置、升降機(jī)構(gòu)、接送機(jī)構(gòu)、掃查裝置、合格品通道、不合格品分流器、不合格通道以及電控模組等，如圖4所示。圖4機(jī)械平臺總體結(jié)構(gòu)示意工作通道主要由進(jìn)料架、支架、鏈輪惰輪組件、動力滾筒、擋輪裝置、齒輪減速電機(jī)和光電傳感器等組成。齒輪減速電機(jī)經(jīng)由鏈條帶動工作通道上所有的動力滾筒同步滾動，實現(xiàn)輪轂的自動輸送。工作通道上預(yù)設(shè)3個擋輪裝置，可根據(jù)需要選擇控制某個擋輪裝置上升，阻擋輪轂往前繼續(xù)輸送。定中心抱臂如圖5所示，可細(xì)分為左右兩套對稱的定中心抱臂，安裝在工作通道上，主要由端架、軸承座、轉(zhuǎn)軸、軸承蓋、正齒輪、免鍵襯套、軸承、杠桿、關(guān)節(jié)軸承、銷軸、氣缸、腳座、抱臂、拉緊輪等組成?？刂贫ㄖ行谋П鄣膬蓚€氣缸推桿同時伸出，4條抱臂同時收攏而抱住輪轂，就可使偏心的輪轂定位在設(shè)定的中心上。圖5定中心抱臂的動作示意水浸池主要由水槽、擋水筒、自動進(jìn)液水路、溢流水路、排泄水路和循環(huán)過濾水路等組成。水槽和擋水筒構(gòu)成水浸池的中空結(jié)構(gòu)，擋水筒內(nèi)部的中空部分是旋轉(zhuǎn)夾爪的工作空間，旋轉(zhuǎn)夾爪不用浸泡水中，可靠性好，維護(hù)成本低。擋水筒為可拆卸結(jié)構(gòu)，配上O型密封圈可以有效防止漏水。自動進(jìn)液水路由電磁水閥、非接觸式液位傳感器、進(jìn)水管及配附件等組成，具備水位自動監(jiān)控功能。旋轉(zhuǎn)夾爪穿過水浸池并緊固在基座的座板上，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。旋轉(zhuǎn)夾爪具有自動卡緊輪轂并帶動輪轂旋轉(zhuǎn)及自動松脫輪轂的功能。圖6旋轉(zhuǎn)夾爪結(jié)構(gòu)示意編碼裝置安裝在旋轉(zhuǎn)夾爪的機(jī)殼上，主要由支座、軸承座、轉(zhuǎn)軸、同步帶輪、同步帶、六角支柱、座板、編碼器、耦合器等組成，其隨主軸同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動時，編碼器實時記錄輪轂轉(zhuǎn)動的檢測位置信息，并發(fā)送給CTS-PA22X型相控陣檢測系統(tǒng)進(jìn)行處理，實現(xiàn)輪轂缺陷位置標(biāo)定。升降機(jī)構(gòu)安裝在基座上，主要由升降架、六角形支柱、座板、驅(qū)動電機(jī)、同步帶輪、螺母旋轉(zhuǎn)式絲桿、同步帶、直線導(dǎo)向軸等組成。直線導(dǎo)向軸和直線軸承等活動部件為不浸水設(shè)計，升降架與直線導(dǎo)向軸之間預(yù)留足夠的空間，可以安放水浸池。接送機(jī)構(gòu)安裝在升降機(jī)構(gòu)的升降架上，用于輪轂的輸送，采用驅(qū)動電機(jī)高掛安裝，不浸水的設(shè)計方式。所有同步帶都配備張力調(diào)整器，防止同步帶松脫。接送機(jī)構(gòu)在工作過程中，其兩條輸送同步帶不會碰到旋轉(zhuǎn)夾爪。掃查裝置安裝在基座的座板上，可以實現(xiàn)探頭夾具上下和伸縮兩個動作。其采用滾珠花鍵實現(xiàn)限位轉(zhuǎn)動和順暢滑動，與壓簧結(jié)合后，可組成自適應(yīng)可伸縮的防碰撞結(jié)構(gòu)，當(dāng)誤操作時，能防止探頭磕碰損壞。不合格品分流器安裝在合格品通道上，如圖7所示，可仰升和俯降，用于從合格品通道上分揀不合格輪轂到不合格品通道。不合格通道為不帶動力的坡度設(shè)計，輪轂?zāi)芾米陨碇亓肯禄?。通道上預(yù)設(shè)兩個擋輪裝置，可根據(jù)需要控制某個擋輪裝置上升，阻擋輪轂往前輸送。圖7不合格品分流器結(jié)構(gòu)示意電控模組主要功能為控制協(xié)調(diào)現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備，包含觸摸屏、PLC、變頻器、伺服電機(jī)、驅(qū)動器、齒輪電機(jī)、減速機(jī)、水泵、各類光電傳感器、各種低壓元器件及所有控制程序。電控柜面板主要包含常用的控制按鈕以及觸摸屏界面。其具備手動（包括連續(xù)和點動）控制和自動控制功能，具有異常報警與緊急保護(hù)措施。2.相控陣檢測系統(tǒng)相控陣超聲檢測系統(tǒng)是一個模塊化、支持二次開發(fā)的相控陣超聲C掃描快速成像檢測平臺，由監(jiān)控主機(jī)、CTS-PA22X型相控陣檢測模塊、相控陣探頭及掃查裝置組成。根據(jù)檢測需求可以由一臺監(jiān)控主機(jī)通過網(wǎng)線直接連接一臺CTS-PA22X檢測設(shè)備，或是通過路由器連接多臺設(shè)備，同時控制所有設(shè)備進(jìn)行掃查、圖像處理和結(jié)果評定，實現(xiàn)多部位同步聯(lián)動快速檢測。系統(tǒng)配置16∶64通道（并行發(fā)射接收通道可達(dá)16通道，通道分時復(fù)用最大可達(dá)64通道），最大重復(fù)頻率為10kHz；相控陣探頭頻率為7.5MHz，陣元數(shù)為64，每次激勵的陣元數(shù)為4，陣元間距為0.5mm；編碼器掃查最高精度為0.2mm/步。由電子掃描原理可得到超聲波束總數(shù)為61，聲束有效覆蓋寬度為30.5mm。3.成像軟件成像軟件基于計算機(jī)平臺，具備完善的操作功能。通過成像軟件可對檢測數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)、保存、調(diào)用、回放以及輸出。檢測時，可對應(yīng)形成缺陷與焊縫熔深的C掃描圖像，通過圖像自動判別未熔合和氣孔等缺陷及焊縫寬度，有缺陷或焊縫寬度小于設(shè)定閾值時報警。但由于工業(yè)現(xiàn)場情況復(fù)雜，可能存在各種各樣的干擾，為避免出現(xiàn)誤判的情況，可通過工件復(fù)檢功能對初步認(rèn)定有缺陷的輪轂進(jìn)行復(fù)檢，并將保存的檢測記錄按專用格式輸出形成檢測報告（包含檢測時間、輪轂信息、人員信息、C掃圖像等）。4試驗及結(jié)果采用設(shè)計的檢測系統(tǒng)對某樣輪進(jìn)行檢測；穿透寬度及焊縫寬度的閾值分別設(shè)置為4.0mm和3.0mm。檢測樣輪外觀如圖8所示，試驗抽查4個不同型號的輪轂，分別編號為1，2，3，4號，焊接位置直徑分別為506.0，525.1，544.5，399.2mm，周長分別為1589.6，1649.6，1710.6，1254.1mm。計算得到的理論檢測時間分別為48.48，50.31，52.17，38.25s。通過PLC控制全自動機(jī)械平臺實施檢測,最小采集1周（360°），最大采集1.25周（450°）的檢測數(shù)據(jù)，實測檢測時間與理論計算結(jié)果相吻合。圖8檢測樣輪外觀1號輪轂為檢測校準(zhǔn)樣輪（根據(jù)用戶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制穿透寬度為3.6mm，焊縫寬度為1.2mm），用于驗證系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性，在產(chǎn)品正式檢測之前和檢測之后均用樣輪進(jìn)行一次驗證。樣輪的系統(tǒng)檢測結(jié)果界面如圖9所示，可見檢測結(jié)果與預(yù)制缺陷相符合。其余輪轂為合格產(chǎn)品，穿透寬度和焊縫寬度均分別大于4.0mm和3.0mm。圖9樣輪的相控陣超聲系統(tǒng)檢測結(jié)果界面結(jié)語研制的全自動輪轂焊縫相控陣超聲檢測系統(tǒng)是一個多功能、高效率、優(yōu)化的檢測平臺，實現(xiàn)了汽車輪轂激光焊縫非接觸式水浸耦合的全自動檢測，克服了輪轂規(guī)格繁多、外形各異、質(zhì)量大等帶來的設(shè)計難點。該系統(tǒng)可對輪轂進(jìn)行預(yù)定位，使輪轂與卡接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)精