全自动非接触轮毂焊缝相控阵超声检测系统的研制

汽车轮毂是汽车轮胎内廓支撑轮胎的一个金属部件，是车辆承载的重要部件，其质量直接关系到人的生命安全。轮毂一般由轮辋和轮辐组成，可以是整体式的、永久连接式的或可拆卸式的，大型汽车轮毂一般由轮辋与轮辐通过激光焊接在一起构成，如图1所示。图1大型载重汽车轮毂剖面示意轮毂通常由铝合金或者钢材制成，而钢材轮毂强度高，常用于大型载重汽车，因此人们对其各方面的要求都很高。钢材轮毂采用激光焊接机进行精密焊接，而焊缝熔深是激光深熔焊的重要质量检测参数，因此研究有效检测手段对其质量控制具有重要意义。目前国内主要采用传统的单探头脉冲反射法对焊缝进行检测，检测效率低，重复性差，对人员的知识经验要求较高，接触式扫查方式也会导致探头磨损，检测耗材大。因此需要研究全自动探伤设备来提高轮毂的检测效率和降低检测耗材成本。基于此，广东汕头超声电子股份有限公司超声仪器分公司的研究人员研发了一套采用轮毂卧式自转、检测区域全水浸，相控阵探头不动、非接触式的全自动相控阵超声检测系统，其可直接安装在生产线上，提高了检测效率且节约了生产成本，可以满足不同规格型号钢材汽车轮毂的检测，实现对汽车轮毂激光焊缝的快速扫查评估检测，检测结果可通过A/B/C扫描成像直观显示。1检测原理相控阵超声检测技术通过软件可以单独控制每个相控阵探头晶片的激发时间，从而控制超声波束的形状和方向，实现超声波束的扫描、偏转和聚焦。轮毂相控阵检测时，使用一个多晶片的相控阵探头，在不移动探头的情况下就可以实现轮毂断面的扫描检测，其电子扫描的声场模拟如图2所示。图2轮毂的电子扫描声场模拟示意2检测方法轮辋与轮辐之间的焊缝熔深会直接影响声学特性，故通过相控阵探头识别其界面特征，再根据回波位置和幅值的变化来判定是否存在缺陷。把汽车轮毂圆周焊缝完全浸泡在液面以下，以水作为耦合剂，然后将相控阵探头对准轮毂内外圈激光焊焊缝不动，无需接触，轮毂旋转一周，就可以覆盖需要检测的区域，完成整个扫查，如图3所示。图3轮毂的相控阵扫查方式示意3检测系统的研制01方案确定系统主要功能是实现对轮毂的连续全自动上下料和全自动检测。全自动轮毂焊缝检测的扫查方式主要有两种，一种是轮毂立式滚动放置，探头固定，检测区域半水浸，由电动夹送辊自转带动轮毂滚动；另一种是轮毂卧式自转放置，探头固定，检测区域全水浸，由旋转夹爪自转带动轮毂转动。无论哪种扫查方式，相控阵探头均浸泡在耦合液中（不与轮毂接触）以确保轮毂轮辋与轮辐之间的焊缝区域被全部扫查到。由于所检测轮毂的最大质量超过34kg，而且轮毂的形状、大小和质量等规格繁多，若采用轮毂立式滚动的扫查方式，电动夹送辊将长期承受较大的重复冲击力，而影响结构可靠性和重复检测精度，成本较高。因此，系统采用轮毂卧式自转、相控阵电子扫描的非接触扫查方式。02系统构成系统主要由全自动机械平台、相控阵检测系统和成像软件三部分构成。1.全自动机械平台机械平台核心部件有工作通道、定中心抱臂、水浸池、旋转夹爪、编码装置、升降机构、接送机构、扫查装置、合格品通道、不合格品分流器、不合格通道以及电控模组等，如图4所示。图4机械平台总体结构示意工作通道主要由进料架、支架、链轮惰轮组件、动力滚筒、挡轮装置、齿轮减速电机和光电传感器等组成。齿轮减速电机经由链条带动工作通道上所有的动力滚筒同步滚动，实现轮毂的自动输送。工作通道上预设3个挡轮装置，可根据需要选择控制某个挡轮装置上升，阻挡轮毂往前继续输送。定中心抱臂如图5所示，可细分为左右两套对称的定中心抱臂，安装在工作通道上，主要由端架、轴承座、转轴、轴承盖、正齿轮、免键衬套、轴承、杠杆、关节轴承、销轴、气缸、脚座、抱臂、拉紧轮等组成。控制定中心抱臂的两个气缸推杆同时伸出，4条抱臂同时收拢而抱住轮毂，就可使偏心的轮毂定位在设定的中心上。图5定中心抱臂的动作示意水浸池主要由水槽、挡水筒、自动进液水路、溢流水路、排泄水路和循环过滤水路等组成。水槽和挡水筒构成水浸池的中空结构，挡水筒内部的中空部分是旋转夹爪的工作空间，旋转夹爪不用浸泡水中，可靠性好，维护成本低。挡水筒为可拆卸结构，配上O型密封圈可以有效防止漏水。自动进液水路由电磁水阀、非接触式液位传感器、进水管及配附件等组成，具备水位自动监控功能。旋转夹爪穿过水浸池并紧固在基座的座板上，其结构如图6所示。旋转夹爪具有自动卡紧轮毂并带动轮毂旋转及自动松脱轮毂的功能。图6旋转夹爪结构示意编码装置安装在旋转夹爪的机壳上，主要由支座、轴承座、转轴、同步带轮、同步带、六角支柱、座板、编码器、耦合器等组成，其随主轴同步旋转。当主轴转动时，编码器实时记录轮毂转动的检测位置信息，并发送给CTS-PA22X型相控阵检测系统进行处理，实现轮毂缺陷位置标定。升降机构安装在基座上，主要由升降架、六角形支柱、座板、驱动电机、同步带轮、螺母旋转式丝杆、同步带、直线导向轴等组成。直线导向轴和直线轴承等活动部件为不浸水设计，升降架与直线导向轴之间预留足够的空间，可以安放水浸池。接送机构安装在升降机构的升降架上，用于轮毂的输送，采用驱动电机高挂安装，不浸水的设计方式。所有同步带都配备张力调整器，防止同步带松脱。接送机构在工作过程中，其两条输送同步带不会碰到旋转夹爪。扫查装置安装在基座的座板上，可以实现探头夹具上下和伸缩两个动作。其采用滚珠花键实现限位转动和顺畅滑动，与压簧结合后，可组成自适应可伸缩的防碰撞结构，当误操作时，能防止探头磕碰损坏。不合格品分流器安装在合格品通道上，如图7所示，可仰升和俯降，用于从合格品通道上分拣不合格轮毂到不合格品通道。不合格通道为不带动力的坡度设计，轮毂能利用自身重量下滑。通道上预设两个挡轮装置，可根据需要控制某个挡轮装置上升，阻挡轮毂往前输送。图7不合格品分流器结构示意电控模组主要功能为控制协调现场机械设备，包含触摸屏、PLC、变频器、伺服电机、驱动器、齿轮电机、减速机、水泵、各类光电传感器、各种低压元器件及所有控制程序。电控柜面板主要包含常用的控制按钮以及触摸屏界面。其具备手动（包括连续和点动）控制和自动控制功能，具有异常报警与紧急保护措施。2.相控阵检测系统相控阵超声检测系统是一个模块化、支持二次开发的相控阵超声C扫描快速成像检测平台，由监控主机、CTS-PA22X型相控阵检测模块、相控阵探头及扫查装置组成。根据检测需求可以由一台监控主机通过网线直接连接一台CTS-PA22X检测设备，或是通过路由器连接多台设备，同时控制所有设备进行扫查、图像处理和结果评定，实现多部位同步联动快速检测。系统配置16∶64通道（并行发射接收通道可达16通道，通道分时复用最大可达64通道），最大重复频率为10kHz；相控阵探头频率为7.5MHz，阵元数为64，每次激励的阵元数为4，阵元间距为0.5mm；编码器扫查最高精度为0.2mm/步。由电子扫描原理可得到超声波束总数为61，声束有效覆盖宽度为30.5mm。3.成像软件成像软件基于计算机平台，具备完善的操作功能。通过成像软件可对检测数据参数进行校准、保存、调用、回放以及输出。检测时，可对应形成缺陷与焊缝熔深的C扫描图像，通过图像自动判别未熔合和气孔等缺陷及焊缝宽度，有缺陷或焊缝宽度小于设定阈值时报警。但由于工业现场情况复杂，可能存在各种各样的干扰，为避免出现误判的情况，可通过工件复检功能对初步认定有缺陷的轮毂进行复检，并将保存的检测记录按专用格式输出形成检测报告（包含检测时间、轮毂信息、人员信息、C扫图像等）。4试验及结果采用设计的检测系统对某样轮进行检测；穿透宽度及焊缝宽度的阈值分别设置为4.0mm和3.0mm。检测样轮外观如图8所示，试验抽查4个不同型号的轮毂，分别编号为1，2，3，4号，焊接位置直径分别为506.0，525.1，544.5，399.2mm，周长分别为1589.6，1649.6，1710.6，1254.1mm。计算得到的理论检测时间分别为48.48，50.31，52.17，38.25s。通过PLC控制全自动机械平台实施检测,最小采集1周（360°），最大采集1.25周（450°）的检测数据，实测检测时间与理论计算结果相吻合。图8检测样轮外观1号轮毂为检测校准样轮（根据用户企业标准预制穿透宽度为3.6mm，焊缝宽度为1.2mm），用于验证系统检测的准确性，在产品正式检测之前和检测之后均用样轮进行一次验证。样轮的系统检测结果界面如图9所示，可见检测结果与预制缺陷相符合。其余轮毂为合格产品，穿透宽度和焊缝宽度均分别大于4.0mm和3.0mm。图9样轮的相控阵超声系统检测结果界面结语研制的全自动轮毂焊缝相控阵超声检测系统是一个多功能、高效率、优化的检测平台，实现了汽车轮毂激光焊缝非接触式水浸耦合的全自动检测，克服了轮毂规格繁多、外形各异、质量大等带来的设计难点。该系统可对轮毂进行预定位，使轮毂与卡接旋转机构精