環形工件自動化超聲C掃描設備的機械結構設計*

□ 季建華 □ 達 剛

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1 設計背景

大中型軸承的內外圈等環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顯示出來,通過顯示器顯示出工件內部缺陷橫截面圖形。

環形工件如圖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,完成對此類環形工件內部缺陷的無損檢測。

▲圖1 環形工件▲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,將環形工件吊裝完成后,能實現工件的定位與裝夾。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,系統根據檢測數據給出信號,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,根據檢測結果將工件吊裝至對應的碼垛區域。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。并且環形工件存水包的設計較為復雜,探頭部分結構臃腫,運動穩定性差,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形工件,在設備檢測精度及經濟性、穩定性等方面都要比水磨法好。根據環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。探頭運動可實現三坐標聯動,探頭結構輕巧,定位準確迅速。升降機構采用雙動力系統,確保升降動力均衡穩定。定位機構采用三爪自定心設計,定位準確,夾緊牢靠。回轉機構設置有周向支撐導輪,能確保檢測平臺運轉穩定,噪聲低。設備機械調節結構的調節軸數總計達7軸,X軸移動模組、Y軸移動模組、Z軸移動模組結合,可以實現對探測探頭三軸方向的調節。通過探頭架周向旋轉機構和角度旋轉機構的結合,可以實現對探測探頭探測角度的調節。通過平臺升降模組,可以實現對平臺高度的調節。通過平臺旋轉模組,可以實現對平臺轉動的調節。

3 升降機構

設備正常檢測時,環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

本套升降機構的優點是結構簡單,安裝及維護方便快捷。升降系統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,使系統升降傳動平穩,結構剛性穩固。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。通過在電氣系統中運用可編程序控制器控制聯調,解決了雙電機的同步性問題。通過采用自鎖機構,實現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,實現傳動比的調節,獲得合適的轉速。

6 結束語

筆者對環形工作自動化超聲C掃描設備進行了機械結構設計。設計中探頭的動作實現三坐標聯動控制,探頭支持周向調節及水平角度調節,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。設備整體運動軸數達到7軸,自動化程度及檢測效率高。