專(zhuān)利名稱(chēng)：一種對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法及裝置。
目前，對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)普遍采用的方法是磁粉探傷法和超聲波探傷法。磁粉探傷存在好多問(wèn)題，如探傷工序多，工藝復(fù)雜，探傷人員的工作量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高；同時(shí)由于探傷周期長(zhǎng)，工作效率很低；另外，磁粉探傷法的能源消耗也很大。磁粉探傷不僅要求高靈敏度的探傷器及良好的顯示媒質(zhì)，而且在很大程度上還取決于操作方法和操作者的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心。由于各種主觀因素的影響，探傷的可靠性難以保證。探傷人員的工作條件和探傷室的工作環(huán)境也很惡劣。超聲波探傷對(duì)容器一類(lèi)內(nèi)部空間較大的產(chǎn)品是可以采取適當(dāng)措施進(jìn)行的，但對(duì)液壓支柱一類(lèi)內(nèi)徑小而深的產(chǎn)品則是行不通的。
本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的新方法及其裝置。而且該新方法及其裝置工藝簡(jiǎn)單、能減低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并能精確、快速地實(shí)現(xiàn)軸、孔表面缺陷的檢測(cè)。
本發(fā)明是利用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。渦流檢測(cè)技術(shù)是利用渦流傳感器對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行檢測(cè)，使渦流傳感器與被測(cè)工件表面保持一定間隙，當(dāng)間隙發(fā)生變化時(shí)利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)，阻抗發(fā)生變化，而變化程度與間隙大小、金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率有關(guān)，當(dāng)滾子表面有缺陷時(shí)，如損傷、劃痕和可見(jiàn)裂紋等會(huì)造成上述因素的變化，就可以通過(guò)渦流傳感器拾取信號(hào)，檢測(cè)分析出來(lái)。另外，當(dāng)導(dǎo)磁金屬的組織均勻性、碳化物分布狀況出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，就會(huì)造成電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，這樣也可以通過(guò)渦流傳感器信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。
本發(fā)明利用誤差分離理論，在消除了工件圓度誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了用渦流檢測(cè)軸、孔類(lèi)工件表面的缺陷。其方法包括如下步驟(1)按照二點(diǎn)法誤差分離的方法在被測(cè)工件表面安裝二個(gè)用以檢測(cè)工件形狀誤差和回轉(zhuǎn)誤差的渦流傳感器A和C，先安裝傳感器A，并在與A中心軸線呈逆時(shí)針?lè)较?85.625度上安裝傳感器C；再在與A中心軸線呈逆時(shí)針?lè)较?0度上安裝另一個(gè)用以檢測(cè)綜合缺陷信號(hào)的渦流傳感器S，其檢測(cè)信號(hào)中除了包含工件的圓度誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差外，還包含了包括工件表面粗糙度在內(nèi)的裂紋、淬火(硬度、結(jié)晶結(jié)構(gòu))不均勻等各種表面缺陷的信息；(2)將工件回轉(zhuǎn)一圈，三個(gè)傳感器對(duì)2的整數(shù)次冪個(gè)等分相位點(diǎn)N(本發(fā)明為64)分別進(jìn)行采樣，獲取該截面的數(shù)據(jù)；(3)三個(gè)傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)中間變換器的轉(zhuǎn)換、再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)的分析與處理，從傳感器A和C的采樣數(shù)據(jù)中分離出工件的形狀誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差，再?gòu)臏u流傳感器S的檢測(cè)信號(hào)中分離掉上述兩種誤差信號(hào)，即得到工件表面缺陷信息。測(cè)量時(shí)可根據(jù)被測(cè)工件的長(zhǎng)度和精度的要求，取測(cè)量的截面數(shù)可以不同。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量截面數(shù)取得越多，測(cè)量精度越高。
本發(fā)明提供一種對(duì)軸類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的裝置，特征在于它由底座支撐非磁金屬筒狀傳感器探頭支架，三個(gè)渦流傳感器中的A、C按照二點(diǎn)法誤差分離原理安裝在傳感器探頭支架上，并使其二傳感器探頭與被測(cè)工件之間各通過(guò)一導(dǎo)磁金屬塊的傳遞同被測(cè)工件相接觸，由探頭支架將磁場(chǎng)干擾信號(hào)屏蔽掉，同時(shí)在與A中心軸線呈逆時(shí)針?lè)较?0度上的傳感器探頭支架上安裝S傳感器；A、C、S三個(gè)傳感器通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D板)與計(jì)算機(jī)相連接；旋轉(zhuǎn)主軸與分度盤(pán)同軸安裝在由導(dǎo)向支架支撐的與被測(cè)工件在同一軸線上的水平導(dǎo)桿上，通過(guò)連接支架與在同一水平線上的定位軸相連，在旋轉(zhuǎn)主軸和定位軸的共同作用下，將被測(cè)工件夾緊并旋轉(zhuǎn)；并可在水平導(dǎo)桿的作用下，沿水平方向前后移動(dòng)。
所述的分度盤(pán)是一金屬圓盤(pán)，其邊緣一周用分度頭按2的整數(shù)次冪個(gè)等分相位點(diǎn)等間隔精密分度后，在鉆床上鉆孔而成。其相位點(diǎn)越高，檢測(cè)結(jié)果越精密。當(dāng)它和工件一起同軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電傳感器發(fā)射端發(fā)出的紅外線被間隔地導(dǎo)通和阻斷，使接收端相應(yīng)地處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，從而形成一串方波脈沖。該方波脈沖可以被微機(jī)監(jiān)測(cè)到，并用以控制傳感器完成對(duì)被測(cè)工件原始數(shù)據(jù)的采樣工作。
在旋轉(zhuǎn)主軸與被測(cè)工件之間可以裝一磨擦墊，以增大旋轉(zhuǎn)主軸與被測(cè)工件之間的摩擦力，防止工件在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滑脫。
本發(fā)明提供一種對(duì)孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的裝置，其特征是在對(duì)軸類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的裝置中，三個(gè)傳感器的探頭面向內(nèi)孔表面安裝。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有如下特點(diǎn)，1、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)周期短、效率高。如在現(xiàn)有磁粉探傷技術(shù)中，對(duì)被測(cè)工件的檢測(cè)大致需經(jīng)過(guò)除銹、充磁和褪磁過(guò)程，并需反復(fù)多次，才能作出，而本發(fā)明直接可對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行檢測(cè)，并只需一分鐘左右，即可得出結(jié)果；2、結(jié)果精確可靠。在磁粉探傷技術(shù)中，是采用人工目測(cè)的方法去觀察磁粉的聚集情況，來(lái)判斷缺陷的存在，所以精確度相對(duì)較低，而本發(fā)明是利用渦流檢測(cè)技術(shù)來(lái)獲取缺陷信息，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果精確可靠。3、不損壞試件、成本低廉。由于本發(fā)明不需經(jīng)過(guò)除銹、充磁和褪磁等過(guò)程，所以不易損壞試件、成本低廉。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
附

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是本發(fā)明對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法示意圖。
附圖3是本發(fā)明的一種對(duì)軸類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4是附圖3的A-A剖面示意圖。
對(duì)方法的詳細(xì)說(shuō)明如下
如圖1、圖2所示，設(shè)置于同一水平面的三個(gè)非接觸式渦流傳感器A、S、C的中心線交于理想的旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)，被測(cè)工件最小二乘圓的圓心為O＇點(diǎn)。令γ0為最小二乘圓半徑。γ(θ)是以O(shè)＇為極坐標(biāo)，圓心角θ所對(duì)應(yīng)的工件半徑。RA、RS、RC分別是傳感器A、S、C距O點(diǎn)的距離。XOY是通過(guò)傳感器A的中心線和點(diǎn)O的直角坐標(biāo)系。Rx(θ)和Ry(θ)分別是θ角之處軸徑向回轉(zhuǎn)誤差(O-O’矢量)在X軸和Y軸方向的投影，S(θ)為θ角處工件的形狀誤差(γ(θ)與γ0之差)。α和β分別是A與S、S與C之間的夾角。這樣就可以得到下述方程Sa(θ)=S(θ)+Rx(θ)①Ss(θ)=S(θ+α)+Rx(θ)cosα+Ry(θ)sinα+F(θ)②Sc(θ)=S(θ+α+β)＋Rx(θ)cos(α+β)+Ry(θ)sin(α+β)③其中Sa(θ)、Ss(θ)、Sc(θ)分別為三個(gè)傳感器的輸入信號(hào)(已除去直流分量，即平均分量)，F(xiàn)(θ)為工件表面缺陷。這樣就可以解得被測(cè)工件的形狀誤差、檢測(cè)裝置的回轉(zhuǎn)誤差和被測(cè)工件的表面缺陷。
具體檢測(cè)過(guò)程如下(1)工件回轉(zhuǎn)一圈，三個(gè)傳感器對(duì)2的整數(shù)次冪個(gè)等分相位點(diǎn)N(本研究為64)分別進(jìn)行采樣，并求得其各傳感器的直流分量，然后對(duì)采樣值去除直流分量，即得三傳感器的輸入信號(hào)Sa(θ)、Ss(θ)和Sc(θ)。
(2)從傳感器A和C的采樣數(shù)據(jù)中分離出工件的形狀誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差。兩點(diǎn)法誤差分離的原始方程為Sa(θ)=S(θ)+Rx(θ) ①Sc(θ)=S(θ+α+β)+Rx(θ)cos(α+β)+Ry(θ)sin(α+β)②設(shè)組合信號(hào)為C(θ)=C1Sa(θ)+C2Sc(θ)其中C1,C2是由安裝角度所確定的定度系數(shù)。
將①②代入上式并簡(jiǎn)化，可得C(θ)=C1S(θ)+C2S(θ+α+β)+Rx(θ)(C1+C2cos(α+β))+Ry(θ)C2sin(α+β))③消除③式中主軸回轉(zhuǎn)誤差分量使C(θ)只與工件形狀誤差S(θ)有關(guān)，便可求得一特解C1=1,C2=sinα/sinβ將C1,C2代入③式，可得到只包含工件形狀誤差的方程C(θ)=S(θ)+C2S(θ+α+β)④以下我們記C(θ)、S(θ)在一周N等分下某等分點(diǎn)θI=2πi/N(i=0,1,2,...,N-1)處的采樣值為C(i)、S(i)并以腳標(biāo)t表示時(shí)域，以腳標(biāo)f表示頻域，那么對(duì)④式的采樣值進(jìn)行離散快速傅立葉變換并由其時(shí)延-相移特性可得Sf(k)[1+c2ej(α+β)k]=Cf(k)(k=0,1,2,...,N-1)其中Sf(k)、Cf(k)分別為時(shí)域上工件形狀誤差和組合信號(hào)的采樣值S(i)、C(i)經(jīng)快速傅立葉變換后在頻域上的第K階諧波的幅值，而權(quán)函數(shù)
ω(k)=1+c2ej(α+β)k(k=0,1,2,...,N-1)若ω(k)≠0，則Sf(k)=Cf(k)/ω(k)(k=0,1,2,...,N-1)再作離散快速傅立葉逆變換即可求得時(shí)域上工件形狀誤差St(i),(i=0,1,2,...,N-1)。若存在整數(shù)m=N(α+β)/2π，則利用式②或③即可得到主軸回轉(zhuǎn)誤差在X軸和Y軸上的分量Rx(i)=Sa(i)-S(i)Ry(i)=[Sc(i)-S(i+m)-Rx(i)cos(α+β)]/sin(α+β)(3)從綜合傳感S的輸出信號(hào)Ss(θ)中分離掉工件形狀誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差即可得到被測(cè)工件的表面缺陷信息F(θ)F(θ)=Ss(θ)-S(θ+α)-Rx(θ)cosα-Ry(θ)sinα。
F(θ)信號(hào)可以定量地確定表面缺陷的大小，對(duì)表面缺陷信息的時(shí)域信號(hào)F(θ)的頻域分析，可以進(jìn)一步分析出表面缺陷信號(hào)的頻譜和生成原因。
對(duì)裝置的詳細(xì)說(shuō)明如下如圖1、圖3、圖4所示，三個(gè)傳感器A、S、C按要求安裝在傳感器探頭支架4上，其中傳感器A、C的傳感器頭各通過(guò)一導(dǎo)磁金屬塊3的傳遞同被測(cè)工件2相接觸；4是由底座1支撐的傳感器探頭支架，它由非磁金屬制成，它能屏蔽掉磁場(chǎng)干擾信號(hào)，使傳感器A、C的檢測(cè)信號(hào)中只包含工件的形狀誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差；5是旋轉(zhuǎn)主軸，旋轉(zhuǎn)主軸5與分度盤(pán)6同軸安裝在由導(dǎo)向支架8支撐的與被測(cè)工件2在同一軸線上的水平導(dǎo)桿7上，通過(guò)連接支架9與在同一水平線上的定位軸10相連，在旋轉(zhuǎn)主軸5和定位軸10的共同作用下，可將被測(cè)工件2夾緊并旋轉(zhuǎn)，并可在水平導(dǎo)桿7的作用下，沿水平方向前后移動(dòng)；6是分度盤(pán)，它是由一片金屬圓盤(pán)邊緣一周經(jīng)分度頭等間隔2的整數(shù)次冪等分精密分度后，在鉆床上鉆孔而成，采樣時(shí)和工件2一起同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；11是一磨擦片，以增大旋轉(zhuǎn)主軸5與工件2之間的磨擦力，防止工件2在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滑脫；12是軸承，以利于旋轉(zhuǎn)主軸5和定位軸10的轉(zhuǎn)動(dòng)。
當(dāng)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)分度盤(pán)6，使光電傳感器13發(fā)射端發(fā)出的紅外線被間隔地導(dǎo)通和阻斷，接收端則相應(yīng)地處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，從而發(fā)出一串脈沖信號(hào)，用于采樣控制，控制三個(gè)電渦流傳感器在規(guī)定相位上對(duì)被測(cè)工件原始數(shù)據(jù)的采樣的分度。傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)中間變換器14、15、16的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器17轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)18進(jìn)行信號(hào)的分析與處理，從傳感器A和C的采樣數(shù)據(jù)中分離出工件的形狀誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差，再?gòu)臏u流傳感器S的檢測(cè)信號(hào)中分離掉上述兩種誤差信號(hào)，即得到工件表面缺陷信息。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法，其特征在于包括如下步驟(1)、按照二點(diǎn)法誤差分離原理在被測(cè)工件表面安裝二個(gè)用以檢測(cè)形狀誤差和回轉(zhuǎn)誤差的渦流傳感器A和C，先安裝傳感器A，并在與傳感器A中心軸線呈逆時(shí)針?lè)较?85.625度上安裝傳感器C，再在與A中心軸線呈逆時(shí)針?lè)较?0度上安裝另一個(gè)用以檢測(cè)綜合缺陷信號(hào)的渦流傳感器S；(2)、將工件回轉(zhuǎn)一圈，三個(gè)傳感器對(duì)2的整數(shù)次冪個(gè)等分相位點(diǎn)分別進(jìn)行采樣；(3)、三個(gè)傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)中間變換器(14、15、16)的轉(zhuǎn)換、再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(17)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)(18)進(jìn)行信號(hào)的分析與處理，從傳感器A和C的采樣數(shù)據(jù)中分離出工件的形狀誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差，再?gòu)臏u流傳感器S檢測(cè)到的信號(hào)中分離掉上述兩種誤差信號(hào)，即得到工件表面缺陷信息。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法的裝置，特征在于①、對(duì)軸類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)的裝置，它由底座(1)支撐一個(gè)非導(dǎo)磁材料的探頭支架(4)，三個(gè)渦流傳感器中的A、C按照二點(diǎn)法誤差分離原理安裝在傳感器探頭支架(4)上，并使A、C傳感器與被測(cè)工件之間各通過(guò)一導(dǎo)磁金屬塊(3)的傳遞與被測(cè)工件相接觸，由探頭支架(4)將磁場(chǎng)干擾信號(hào)屏蔽掉，在與傳感器A中心軸線呈逆時(shí)針?lè)较?0度上非接觸式地安裝傳感器S；旋轉(zhuǎn)主軸(5)與分度盤(pán)(6)同軸安裝在由導(dǎo)向支架(8)支撐的與被測(cè)工件(2)在同一軸線上的水平導(dǎo)桿(7)上，通過(guò)連接支架(9)與在同一水平線上的定位軸(10)相連，在旋轉(zhuǎn)主軸(5)和定位軸(10)的共同作用下，將被測(cè)工件(2)夾緊并旋轉(zhuǎn)，并可沿水平方向前后移動(dòng)；②、對(duì)孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)的裝置，它是在對(duì)軸類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)的裝置中，其三個(gè)傳感器的探頭面向孔表面安裝。
3.按照權(quán)利要求2所述的一種對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的裝置，其特征在于所述的分度盤(pán)(6)的圓周上等相位地加工出2的整數(shù)次冪個(gè)小孔用以相位分度。
4.按照權(quán)利要求2所述的一種對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)主軸(5)和被測(cè)工件(2)之間可設(shè)一磨擦片(11)。
全文摘要
一種對(duì)軸、孔類(lèi)工件表面缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法和裝置,其方法是用渦流檢測(cè)技術(shù)和誤差分離原理分離出工件的圓度誤差和主軸回轉(zhuǎn)誤差,進(jìn)而求得工件表面的缺陷。其裝置是由傳感器及其探頭支架、工件旋轉(zhuǎn)裝置、分度裝置、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)組裝連接而成。本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)結(jié)果精確可靠、不損壞被測(cè)工件、成本低廉等特點(diǎn)。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于軸、孔類(lèi)工件表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)如鐵路系統(tǒng)車(chē)輛軸表面缺陷的檢測(cè)等。
文檔編號(hào)B61K9/00GK1305107SQ00135618
公開(kāi)日2001年7月25日 申請(qǐng)日期2000年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者賈蓮鳳, 龐川賓, 高美容, 趙俊忠, 李富勇 申請(qǐng)人:山西大學(xué)