一种应用于模具行业的超声波无损检测设备

劳振鹏　黄市生　黎梓恒　曾志彬 吴国洪

【摘 要】手持式超声波无损检测设备存在着检测效率低的不足，提高检测的效率，本文设计一种应用于模具行业的超声波无损检测设备，以“PLC+步进电动机+同步带/滚珠丝杠”的形式设计了自动超声检测设备，实现快速检测模具的功能，传动机构按程序规定的路线带动探头检测材料，融合多个微型接近开关的感应数据，判断材料的边缘进而自动调整检测的路线。

【关键词】超声波；无损检测；自动；设备

中图分类号： TP274.53 文献标识码： A 文章编号： 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]过程中，无损检测作为最重要的检测环节，已成为控制产品质量、保证设备安全运行的重要技术手段[2]。超声波无损检测利用超声波在介质中的传播对材料内部情况进行检测的技术，具有灵敏度高、成本较低、操作方便灵活等优点，因此成为应用最广泛的无损检测技术[3]。

国内外应用的超声检测技术几乎都为手持式超声波单点扫描形式，但由于依靠手工移动探头对材料逐点检测，易受到人为差异或操作失误而影响到检测结果[4]，并且也由于被检测对象的结构较大、耗费时间长、操作人员易疲劳，导致产品误检和漏检的概率较大。因此手持式对于无损检测人员的专业操作技能要求较高，极大阻碍了超声检测向自动化、智能化、图像化等方向发展。在传统的模具制造、钢材生产等行业，几乎都要用到无损检测技术，而无损检测属于关键且低效率的环节。而手持式超声波无损检测设备占据了大部分无损检测市场，但是检测效率、效益方面低是痛点。随着工业化的程度加深，人工智能化的时代的到来，对生产的产品质量要求越来越高，无损检测这一环节也越来越关键。

为提高检测的效率，减少漏检的概率，增加效益，本文提出了一种应用于模具行业的超声波无损检测设备的设计方案，下文将具体从机构设计方面与软件系统搭建方面进行阐述。

1 硬件平台设计

本文的设计思路是以工作台代替手工，自动检测，传动机构按程序规定的路线带动探头检测材料，最大限度地降低漏检的概率，融合多个传感器的数据，能自动根据材料的大小调整检测的路线或范围，不会造成多余的移动路线。

本文所设计的超声波无损检测设备的硬件结构包括两轴工作台、探头机械臂和传感器。所述两轴工作台包括铝型材支架、X轴固定板、光轴座、光轴、光轴滑块、承载件、步进电机、电机固定板、联轴器、同步轮、同步带、同步带压紧件、限位辅助件、12mm接近开关固定件。其中铝型材支架大小为940mm×600mm×310mm，X轴固定板设置在铝型材左右两端，X轴固定板的上表面设置了光轴座。光轴座在X轴方向上分别固定了两根光轴，光轴在X轴方向上左右对称布置，在Y轴方向上倾斜45°对称布置，光轴配合光轴滑块，进一步的，光轴滑块通过螺栓连接着承载件。承载件包括X轴承载件和Y轴承载件，X轴承载件在Y轴方向上固定了两根光轴，电机固定板分别设置在铝型材支架后横梁的中间、右方的X轴承载件的上表面。步进电机通过螺栓连接在电机固定板，传动X轴的步进电机通过联轴器联接光轴，进一步联接同步轮，同步带分别在X轴、Y轴方向上联接两端的同步轮，进一步的，通过同步带压紧件压紧同步带。限位辅助件分别设置在X轴左承载件的右下角、Y轴承载件的左上角。所述的12mm接近开关固定件设置在铝型材支架的左下角，并且满足当12mm接近开关安装固定好时，两个12mm接近开关的轴线相交，并且交点恰好位于探头机械臂在X轴、Y轴方向回到原点、在Z轴方向达到最大行程时探头表面的中心。

探头机械臂包括Z轴连接件、Z轴电机固定板、Z轴限位开关固定件、Z轴带丝杠的步进电机、Z轴导轨连接板、Z轴光轴固定板、Z轴光轴、Z轴光轴挡板、Z轴光轴滑块、Z轴丝杠滑块、Z轴载板、探头锁紧件、探头夹板、弹簧固定板、弹簧、连杆、探头。Z轴电机固定板通过Z轴连接件与螺旋连接在Y轴承载件的下表面。Z轴限位开关固定件设置在Z轴电机固定板的前表面的中心。Z轴带丝杠的步进电机设置在Z轴电机固定板的中心。Z轴光轴固定板通过Z轴导轨连接板与Z轴电机固定板进行螺栓连接。Z轴光轴设置在Z轴光轴固定板与Z轴电机固定板之间，并且安装在相对应的光轴孔中。Z轴光轴挡板设置在Z轴光轴的两端，并且分别与Z轴光轴固定板、Z轴电机固定板进行螺栓连接。Z轴光轴滑块与Z轴光轴配合，Z轴丝杠滑块与步进电机的丝杠配合。Z轴光轴滑块、Z轴丝杠滑块分别与Z轴载板进行螺栓连接。两块探头锁紧件通过螺栓锁紧探头，进一步的，上下两块探头夹板通过螺栓连接夹紧探头。弹簧固定板与探头夹板之间设置了四根弹簧，进一步的，弹簧固定板通过连杆与螺栓连接在Z轴载板的下表面，弹簧起缓冲保护作用。

传感器包括限位开关、12mm接近开关和4mm接近开关。限位开关分别设置在左方的X轴固定板的上表面、X轴承载件后表面的右上角、Z轴限位开关固定件的表面。12mm接近开关设置在铝型材支架的左下角的12mm接近开关固定件位置处。4mm接近开关设置在探头夹板的前后左右四个通孔处，该接近开关的下表面在上，探头的下表面在下，两者相隔1mm。

2 软件系统搭建

以PLC为运算及控制中心，能实现以最可靠且稳定的速度检测材料。以PLC为运算及控制中心的控制系统包括手动/自动切换系统、电机控制系统、原点识别系统、材料检测系统、探头XY坐标实时记录系统。手动/自动切换系统是指以一个转换开关为外部输入，PLC为信号采集中心，实现手动操作模式或自动模式控制。电机控制系统是指以PLC为控制中心，步进电机为执行元件，PLC输出三组脉冲，控制XYZ三个轴的运动，带动探头以合适的速度按规定的路线在材料表面覆盖式的连续检测。原点识别系统是指以三个限位开关为外部输入，PLC为信号采集、转换与输出中心，当其中的一个限位开关被按下，则所在轴的电机停止运动，当三个限位开关均被按下，即为探头机械臂在三个轴向均回到原点。材料检测系统包括有无材料检测系统与材料边缘检测系统；有无材料检测系统是指以两个12mm接近开关为感应器，PLC为信号采集、转换与输出中心，当材料放置到位时，两个12mm接近开关均导通，PLC相应的输入点导通，结合自动模式被启动时，该设备将被自动启动。材料边缘检测系统是检测智能化的关键，是指以四个4mm接近开关为感应器，PLC为信号采集、转换与输出中心，在材料表面的非边缘区域检测时，四个4mm接近开关都处于导通状态，当到达材料方向一的边缘，相对应方向一的4mm接近开关处于断路状态，PLC采集该信号，将输出脉冲信号控制电机，实现带动探头在与方向一垂直的方向的正方向（方向二）移动一个探头直径大小的距离，进一步的，探头往方向一的反方向继续检测，保证了探头一直在材料表面的范围内自动检测，而且是全覆盖式检测，保证了不漏检。探头XY坐标实时记录系统是指以PLC为数据处理中心，步进电机为执行元件带动同步轮发生位移，在原点被识别的前提下，探头相对原点的绝对坐标（XY坐标）实时记录在PLC的两个数据区。计算机可通过与PLC之间的通信读取这两个数据区，得到探头的实时位置，结合超声波探头检测材料得到的Z方向的超声波图像，可构造材料内部的三维可视化图像。

控制系统的运行方式是设备通电，Z轴回原点，Z轴原点到位，XY轴同时回原点，三轴原点均到位；三轴原点均到位+材料已经摆放到位+手动开关打开+按下启动按钮（或三轴原点均到位+材料已经摆放到位+自动开关打开），Z轴运动，探头下移，当任意一个4mm接近开关变为导通状态，Z轴停止运动，若滿足除位于X轴反方向、Y轴反方向的4mm接近开关，其它两个4mm接近开关均导通，X轴运动，探头往X轴正方向移动，当位于X轴正方向的4mm接近开关断开，X轴停止运动，探头往Y轴正方向移动一个探头直径大小的距离，然后探头往X轴反方向移动，当位于X轴反方向的4mm接近开关断开，X轴停止运动，探头往Y轴正方向移动一个探头直径大小的距离，然后探头往X轴正方向移动，如此循环，直到X轴方向上的两个4mm接近开关、Y轴正方向的4mm接近开关都处于断开状态，检测完毕（及时取走材料），然后Z轴回原点，Z轴原点到位，XY轴同时回原点，三轴原点均到位。

3 结语

本文所做的工作总结如下：第一，根据设备的功能要求进行了结构设计；第二，根据设备的功能要求搭建了软件系统。该设备适用于金属模具、钢材等产品的自动探伤，可通过软件编程控制探头机械臂带动传感器以及结合平台的移动，实现探伤设备在三维方向的移动，从而可以通过成像软件呈现出检测到的3D图形，定位到裂缝、伤口的精准位置。其用于检测出模具、钢材等在生产中出现的纵向裂纹、横向缺陷、疏松、气孔、夹渣等缺陷，该探伤方式具有很好的效益。

【参考文献】

[1]黄筱调，夏长久，孙守利.智能制造与先进数控技术[J]. 机械制造与自动化，2018，47（01）：1-6+29.

[2]杨斌.谈无损检测技术的运用[J].山西建筑，2017，43（22）：38-39.

[3]赵明.超声波无损检测技术应用[J].山东工业技术，2017（08）：50.

[4]宋黎明.数字超声波探伤扫描技术在锅炉检测中的应用[J].金属材料与冶金工程，2011，39（02）：40-43.