一種應用于模具行業的超聲波無損檢測設備

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備存在著檢測效率低的不足，提高檢測的效率，本文設計一種應用于模具行業的超聲波無損檢測設備，以“PLC+步進電動機+同步帶/滾珠絲杠”的形式設計了自動超聲檢測設備，實現快速檢測模具的功能，傳動機構按程序規定的路線帶動探頭檢測材料，融合多個微型接近開關的感應數據，判斷材料的邊緣進而自動調整檢測的路線。

【關鍵詞】超聲波；無損檢測；自動；設備

中圖分類號： TP274.53 文獻標識碼： 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

在現代化智能制造[1]過程中，無損檢測作為最重要的檢測環節，已成為控制產品質量、保證設備安全運行的重要技術手段[2]。超聲波無損檢測利用超聲波在介質中的傳播對材料內部情況進行檢測的技術，具有靈敏度高、成本較低、操作方便靈活等優點，因此成為應用最廣泛的無損檢測技術[3]。

國內外應用的超聲檢測技術幾乎都為手持式超聲波單點掃描形式，但由于依靠手工移動探頭對材料逐點檢測，易受到人為差異或操作失誤而影響到檢測結果[4]，并且也由于被檢測對象的結構較大、耗費時間長、操作人員易疲勞，導致產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、圖像化等方向發展。在傳統的模具制造、鋼材生產等行業，幾乎都要用到無損檢測技術，而無損檢測屬于關鍵且低效率的環節。而手持式超聲波無損檢測設備占據了大部分無損檢測市場，但是檢測效率、效益方面低是痛點。隨著工業化的程度加深，人工智能化的時代的到來，對生產的產品質量要求越來越高，無損檢測這一環節也越來越關鍵。

為提高檢測的效率，減少漏檢的概率，增加效益，本文提出了一種應用于模具行業的超聲波無損檢測設備的設計方案，下文將具體從機構設計方面與軟件系統搭建方面進行闡述。

1 硬件平臺設計

本文的設計思路是以工作臺代替手工，自動檢測，傳動機構按程序規定的路線帶動探頭檢測材料，最大限度地降低漏檢的概率，融合多個傳感器的數據，能自動根據材料的大小調整檢測的路線或范圍，不會造成多余的移動路線。

本文所設計的超聲波無損檢測設備的硬件結構包括兩軸工作臺、探頭機械臂和傳感器。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、步進電機、電機固定板、聯軸器、同步輪、同步帶、同步帶壓緊件、限位輔助件、12mm接近開關固定件。其中鋁型材支架大小為940mm×600mm×310mm，X軸固定板設置在鋁型材左右兩端，X軸固定板的上表面設置了光軸座。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，電機固定板分別設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。步進電機通過螺栓連接在電機固定板，傳動X軸的步進電機通過聯軸器聯接光軸，進一步聯接同步輪，同步帶分別在X軸、Y軸方向上聯接兩端的同步輪，進一步的，通過同步帶壓緊件壓緊同步帶。限位輔助件分別設置在X軸左承載件的右下角、Y軸承載件的左上角。所述的12mm接近開關固定件設置在鋁型材支架的左下角，并且滿足當12mm接近開關安裝固定好時，兩個12mm接近開關的軸線相交，并且交點恰好位于探頭機械臂在X軸、Y軸方向回到原點、在Z軸方向達到最大行程時探頭表面的中心。

探頭機械臂包括Z軸連接件、Z軸電機固定板、Z軸限位開關固定件、Z軸帶絲杠的步進電機、Z軸導軌連接板、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軸限位開關固定件設置在Z軸電機固定板的前表面的中心。Z軸帶絲杠的步進電機設置在Z軸電機固定板的中心。Z軸光軸固定板通過Z軸導軌連接板與Z軸電機固定板進行螺栓連接。Z軸光軸設置在Z軸光軸固定板與Z軸電機固定板之間，并且安裝在相對應的光軸孔中。Z軸光軸擋板設置在Z軸光軸的兩端，并且分別與Z軸光軸固定板、Z軸電機固定板進行螺栓連接。Z軸光軸滑塊與Z軸光軸配合，Z軸絲杠滑塊與步進電機的絲杠配合。Z軸光軸滑塊、Z軸絲杠滑塊分別與Z軸載板進行螺栓連接。兩塊探頭鎖緊件通過螺栓鎖緊探頭，進一步的，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置了四根彈簧，進一步的，彈簧固定板通過連桿與螺栓連接在Z軸載板的下表面，彈簧起緩沖保護作用。

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

2 軟件系統搭建

以PLC為運算及控制中心，能實現以最可靠且穩定的速度檢測材料。以PLC為運算及控制中心的控制系統包括手動/自動切換系統、電機控制系統、原點識別系統、材料檢測系統、探頭XY坐標實時記錄系統。手動/自動切換系統是指以一個轉換開關為外部輸入，PLC為信號采集中心，實現手動操作模式或自動模式控制。電機控制系統是指以PLC為控制中心，步進電機為執行元件，PLC輸出三組脈沖，控制XYZ三個軸的運動，帶動探頭以合適的速度按規定的路線在材料表面覆蓋式的連續檢測。原點識別系統是指以三個限位開關為外部輸入，PLC為信號采集、轉換與輸出中心，當其中的一個限位開關被按下，則所在軸的電機停止運動，當三個限位開關均被按下，即為探頭機械臂在三個軸向均回到原點。材料檢測系統包括有無材料檢測系統與材料邊緣檢測系統；有無材料檢測系統是指以兩個12mm接近開關為感應器，PLC為信號采集、轉換與輸出中心，當材料放置到位時，兩個12mm接近開關均導通，PLC相應的輸入點導通，結合自動模式被啟動時，該設備將被自動啟動。材料邊緣檢測系統是檢測智能化的關鍵，是指以四個4mm接近開關為感應器，PLC為信號采集、轉換與輸出中心，在材料表面的非邊緣區域檢測時，四個4mm接近開關都處于導通狀態，當到達材料方向一的邊緣，相對應方向一的4mm接近開關處于斷路狀態，PLC采集該信號，將輸出脈沖信號控制電機，實現帶動探頭在與方向一垂直的方向的正方向（方向二）移動一個探頭直徑大小的距離，進一步的，探頭往方向一的反方向繼續檢測，保證了探頭一直在材料表面的范圍內自動檢測，而且是全覆蓋式檢測，保證了不漏檢。探頭XY坐標實時記錄系統是指以PLC為數據處理中心，步進電機為執行元件帶動同步輪發生位移，在原點被識別的前提下，探頭相對原點的絕對坐標（XY坐標）實時記錄在PLC的兩個數據區。計算機可通過與PLC之間的通信讀取這兩個數據區，得到探頭的實時位置，結合超聲波探頭檢測材料得到的Z方向的超聲波圖像，可構造材料內部的三維可視化圖像。

控制系統的運行方式是設備通電，Z軸回原點，Z軸原點到位，XY軸同時回原點，三軸原點均到位；三軸原點均到位+材料已經擺放到位+手動開關打開+按下啟動按鈕（或三軸原點均到位+材料已經擺放到位+自動開關打開），Z軸運動，探頭下移，當任意一個4mm接近開關變為導通狀態，Z軸停止運動，若滿足除位于X軸反方向、Y軸反方向的4mm接近開關，其它兩個4mm接近開關均導通，X軸運動，探頭往X軸正方向移動，當位于X軸正方向的4mm接近開關斷開，X軸停止運動，探頭往Y軸正方向移動一個探頭直徑大小的距離，然后探頭往X軸反方向移動，當位于X軸反方向的4mm接近開關斷開，X軸停止運動，探頭往Y軸正方向移動一個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，直到X軸方向上的兩個4mm接近開關、Y軸正方向的4mm接近開關都處于斷開狀態，檢測完畢（及時取走材料），然后Z軸回原點，Z軸原點到位，XY軸同時回原點，三軸原點均到位。

3 結語

本文所做的工作總結如下：第一，根據設備的功能要求進行了結構設計；第二，根據設備的功能要求搭建了軟件系統。該設備適用于金屬模具、鋼材等產品的自動探傷，可通過軟件編程控制探頭機械臂帶動傳感器以及結合平臺的移動，實現探傷設備在三維方向的移動，從而可以通過成像軟件呈現出檢測到的3D圖形，定位到裂縫、傷口的精準位置。其用于檢測出模具、鋼材等在生產中出現的縱向裂紋、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。

【參考文獻】

[1]黃筱調，夏長久，孫守利.智能制造與先進數控技術[J]. 機械制造與自動化，2018，47（01）：1-6+29.

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[4]宋黎明.數字超聲波探傷掃描技術在鍋爐檢測中的應用[J].金屬材料與冶金工程，2011，39（02）：40-43.