專利名稱：一種對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對工件表面缺陷進行無損檢測的方法及裝置。
目前，對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測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題，如探傷工序多，工藝復(fù)雜，探傷人員的工作量大，勞動強度高；同時由于探傷周期長，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。超聲波探傷對容器一類內(nèi)部空間較大的產(chǎn)品是可以采取適當(dāng)措施進行的，但對液壓支柱一類內(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軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測的新方法及其裝置。而且該新方法及其裝置工藝簡單、能減低工人勞動強度，并能精確、快速地實現(xiàn)軸、孔表面缺陷的檢測。
本發(fā)明是利用渦流檢測技術(shù)對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測。渦流檢測技術(shù)是利用渦流傳感器對被測表面進行檢測，使渦流傳感器與被測工件表面保持一定間隙，當(dāng)間隙發(fā)生變化時利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦電流效應(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，如損傷、劃痕和可見裂紋等會造成上述因素的變化，就可以通過渦流傳感器拾取信號，檢測分析出來。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)問題時，就會造成電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，這樣也可以通過渦流傳感器信號檢測出來。
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，實現(xiàn)了用渦流檢測軸、孔類工件表面的缺陷。其方法包括如下步驟(1)按照二點法誤差分離的方法在被測工件表面安裝二個用以檢測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中心軸線呈逆時針方向185.625度上安裝傳感器C；再在與A中心軸線呈逆時針方向90度上安裝另一個用以檢測綜合缺陷信號的渦流傳感器S，其檢測信號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，三個傳感器對2的整數(shù)次冪個等分相位點N(本發(fā)明為64)分別進行采樣，獲取該截面的數(shù)據(jù)；(3)三個傳感器所檢測到的信號通過中間變換器的轉(zhuǎn)換、再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由計算機進行信號的分析與處理，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，再從渦流傳感器S的檢測信號中分離掉上述兩種誤差信號，即得到工件表面缺陷信息。測量時可根據(jù)被測工件的長度和精度的要求，取測量的截面數(shù)可以不同。一般來說，測量截面數(shù)取得越多，測量精度越高。
本發(fā)明提供一種對軸類工件表面缺陷進行無損檢測的裝置，特征在于它由底座支撐非磁金屬筒狀傳感器探頭支架，三個渦流傳感器中的A、C按照二點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工件之間各通過一導(dǎo)磁金屬塊的傳遞同被測工件相接觸，由探頭支架將磁場干擾信號屏蔽掉，同時在與A中心軸線呈逆時針方向90度上的傳感器探頭支架上安裝S傳感器；A、C、S三個傳感器通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D板)與計算機相連接；旋轉(zhuǎn)主軸與分度盤同軸安裝在由導(dǎo)向支架支撐的與被測工件在同一軸線上的水平導(dǎo)桿上，通過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。
所述的分度盤是一金屬圓盤，其邊緣一周用分度頭按2的整數(shù)次冪個等分相位點等間隔精密分度后，在鉆床上鉆孔而成。其相位點越高，檢測結(jié)果越精密。當(dāng)它和工件一起同軸轉(zhuǎn)動時，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)通和截止狀態(tài)，從而形成一串方波脈沖。該方波脈沖可以被微機監(jiān)測到，并用以控制傳感器完成對被測工件原始數(shù)據(jù)的采樣工作。
在旋轉(zhuǎn)主軸與被測工件之間可以裝一磨擦墊，以增大旋轉(zhuǎn)主軸與被測工件之間的摩擦力，防止工件在轉(zhuǎn)動時滑脫。
本發(fā)明提供一種對孔類工件表面缺陷進行無損檢測的裝置，其特征是在對軸類工件表面缺陷進行無損檢測的裝置中，三個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，1、操作簡單、檢測周期短、效率高。如在現(xiàn)有磁粉探傷技術(shù)中，對被測工件的檢測大致需經(jīng)過除銹、充磁和褪磁過程，并需反復(fù)多次，才能作出，而本發(fā)明直接可對被測工件進行檢測，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，是采用人工目測的方法去觀察磁粉的聚集情況，來判斷缺陷的存在，所以精確度相對較低，而本發(fā)明是利用渦流檢測技術(shù)來獲取缺陷信息，并運用計算機對數(shù)據(jù)進行處理，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)過除銹、充磁和褪磁等過程，所以不易損壞試件、成本低廉。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
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)明對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測的方法示意圖。
附圖3是本發(fā)明的一種對軸類工件表面缺陷進行無損檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4是附圖3的A-A剖面示意圖。
對方法的詳細說明如下
如圖1、圖2所示，設(shè)置于同一水平面的三個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，被測工件最小二乘圓的圓心為O＇點。令γ0為最小二乘圓半徑。γ(θ)是以O(shè)＇為極坐標，圓心角θ所對應(yīng)的工件半徑。RA、RS、RC分別是傳感器A、S、C距O點的距離。XOY是通過傳感器A的中心線和點O的直角坐標系。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)分別為三個傳感器的輸入信號(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工件的形狀誤差、檢測裝置的回轉(zhuǎn)誤差和被測工件的表面缺陷。
具體檢測過程如下(1)工件回轉(zhuǎn)一圈，三個傳感器對2的整數(shù)次冪個等分相位點N(本研究為64)分別進行采樣，并求得其各傳感器的直流分量，然后對采樣值去除直流分量，即得三傳感器的輸入信號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θI=2πi/N(i=0,1,2,...,N-1)處的采樣值為C(i)、S(i)并以腳標t表示時域，以腳標f表示頻域，那么對④式的采樣值進行離散快速傅立葉變換并由其時延-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)分別為時域上工件形狀誤差和組合信號的采樣值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)信號可以定量地確定表面缺陷的大小，對表面缺陷信息的時域信號F(θ)的頻域分析，可以進一步分析出表面缺陷信號的頻譜和生成原因。
對裝置的詳細說明如下如圖1、圖3、圖4所示，三個傳感器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的傳感器頭各通過一導(dǎo)磁金屬塊3的傳遞同被測工件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，它能屏蔽掉磁場干擾信號，使傳感器A、C的檢測信號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6同軸安裝在由導(dǎo)向支架8支撐的與被測工件2在同一軸線上的水平導(dǎo)桿7上，通過連接支架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；6是分度盤，它是由一片金屬圓盤邊緣一周經(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，采樣時和工件2一起同軸轉(zhuǎn)動；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)動時滑脫；12是軸承，以利于旋轉(zhuǎn)主軸5和定位軸10的轉(zhuǎn)動。
當(dāng)進行原始數(shù)據(jù)采集時，轉(zhuǎn)動分度盤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)通和截止狀態(tài)，從而發(fā)出一串脈沖信號，用于采樣控制，控制三個電渦流傳感器在規(guī)定相位上對被測工件原始數(shù)據(jù)的采樣的分度。傳感器所檢測到的信號通過中間變換器14、15、16的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器17轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由計算機18進行信號的分析與處理，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，再從渦流傳感器S的檢測信號中分離掉上述兩種誤差信號，即得到工件表面缺陷信息。
權(quán)利要求
1.一種對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測的方法，其特征在于包括如下步驟(1)、按照二點法誤差分離原理在被測工件表面安裝二個用以檢測形狀誤差和回轉(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中心軸線呈逆時針方向185.625度上安裝傳感器C，再在與A中心軸線呈逆時針方向90度上安裝另一個用以檢測綜合缺陷信號的渦流傳感器S；(2)、將工件回轉(zhuǎn)一圈，三個傳感器對2的整數(shù)次冪個等分相位點分別進行采樣；(3)、三個傳感器所檢測到的信號通過中間變換器(14、15、16)的轉(zhuǎn)換、再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(17)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由計算機(18)進行信號的分析與處理，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，再從渦流傳感器S檢測到的信號中分離掉上述兩種誤差信號，即得到工件表面缺陷信息。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測的方法的裝置，特征在于①、對軸類工件表面缺陷進行檢測的裝置，它由底座(1)支撐一個非導(dǎo)磁材料的探頭支架(4)，三個渦流傳感器中的A、C按照二點法誤差分離原理安裝在傳感器探頭支架(4)上，并使A、C傳感器與被測工件之間各通過一導(dǎo)磁金屬塊(3)的傳遞與被測工件相接觸，由探頭支架(4)將磁場干擾信號屏蔽掉，在與傳感器A中心軸線呈逆時針方向90度上非接觸式地安裝傳感器S；旋轉(zhuǎn)主軸(5)與分度盤(6)同軸安裝在由導(dǎo)向支架(8)支撐的與被測工件(2)在同一軸線上的水平導(dǎo)桿(7)上，通過連接支架(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，將被測工件(2)夾緊并旋轉(zhuǎn)，并可沿水平方向前后移動；②、對孔類工件表面缺陷進行檢測的裝置，它是在對軸類工件表面缺陷進行檢測的裝置中，其三個傳感器的探頭面向孔表面安裝。
3.按照權(quán)利要求2所述的一種對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測的裝置，其特征在于所述的分度盤(6)的圓周上等相位地加工出2的整數(shù)次冪個小孔用以相位分度。
4.按照權(quán)利要求2所述的一種對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測的裝置，其特征在于旋轉(zhuǎn)主軸(5)和被測工件(2)之間可設(shè)一磨擦片(11)。
全文摘要
一種對軸、孔類工件表面缺陷進行無損檢測的方法和裝置,其方法是用渦流檢測技術(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)換器和計算機組裝連接而成。本發(fā)明具有操作簡單、檢測結(jié)果精確可靠、不損壞被測工件、成本低廉等特點。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于軸、孔類工件表面缺陷的無損檢測如鐵路系統(tǒng)車輛軸表面缺陷的檢測等。
文檔編號B61K9/00GK1305107SQ00135618
公開日2001年7月25日 申請日期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 申請人:山西大學(xué)