摘要：研制出一種球銷自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，利用表面波對(duì)球銷表面質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并按其質(zhì)量好壞進(jìn)行分類。初步實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)對(duì)球銷表面垂直于軸線的裂紋和傾斜的裂紋都能收到比較好的檢測(cè)效果。
關(guān)鍵詞：球銷；無(wú)損檢測(cè)；自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)
球銷，在汽車及其他重要設(shè)備的聯(lián)接、固定和定位中得到了廣泛的應(yīng)用，它的可靠性對(duì)整個(gè)設(shè)備的工作可靠性和安全性有重大影響。由于制造上的原因，球銷表面容易產(chǎn)生微小裂紋，對(duì)球銷工作性能將產(chǎn)生很大影響，降低了球銷抗疲勞斷裂的能力，縮短了工作壽命。因此嚴(yán)格控制球銷的質(zhì)量十分重要。通常對(duì)球銷檢測(cè)是進(jìn)行表面較大缺陷的肉眼識(shí)別和體內(nèi)缺陷的破壞性檢查，但由于球銷的批量很大，這種檢測(cè)方法不但工作效率低，而且識(shí)別率也不高，嚴(yán)重影響了球銷的生產(chǎn)和檢測(cè)。為此，開發(fā)了球銷類零件的自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。
1.檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)對(duì)汽車球銷表面進(jìn)行表面波檢測(cè)，完成自動(dòng)上料、檢測(cè)、判廢和分選等工作。當(dāng)同類產(chǎn)品的外形尺寸發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)地做出相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)新的檢測(cè)任務(wù)。 球銷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由外部信號(hào)發(fā)生源、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行部分和系統(tǒng)軟件五大部分組成。如圖1所示。

表面波檢測(cè)球銷表面裂紋原理：表面波是超聲波的一種，僅在物體表面淺層進(jìn)行傳播，其能量主要集中在深度小于兩倍聲波波長(zhǎng)的表面淺層。當(dāng)表面波沿球銷表面?zhèn)鞑サ搅鸭y處時(shí)形成散射，一方面以表面波形式反射返回探頭，另一方面沿裂紋表面繼續(xù)傳播到裂紋底部；然后在底部又發(fā)生散射，除了以表面波形式反射和向前繼續(xù)傳播外，還將產(chǎn)生變形橫波和縱波，在球銷體內(nèi)經(jīng)過球銷表面的多次反射Z終返回探頭。因此，在檢測(cè)中只要記錄反射回來的聲波，從中抽取缺陷回波，即可對(duì)缺陷進(jìn)行判別。

機(jī)構(gòu)動(dòng)作產(chǎn)生的各種開關(guān)信號(hào)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，由MCS-51單片機(jī)進(jìn)行處理，以直接控制機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作，或通過對(duì)電磁閥的控制，用氣缸來驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)。由采樣卡對(duì)輸入探傷儀的表面波探頭接收到的反射回波進(jìn)行采樣，采樣信號(hào)被輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過檢查是否有缺陷回波來判別球銷合格與否，再由MCS-51單片機(jī)依據(jù)該結(jié)果來控制機(jī)械機(jī)構(gòu)的篩選器，對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行剔除。
2.系統(tǒng)機(jī)械執(zhí)行部分
檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行部分由供料機(jī)構(gòu)、探頭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、球銷轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和探頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。它們的運(yùn)動(dòng)分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來控制它們運(yùn)動(dòng)時(shí)間配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)間的同時(shí)和分時(shí)工作功能，提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性。
在超聲波探傷中，探頭是關(guān)鍵部件。除它自身性能外，它與球銷表面的接觸狀況對(duì)探測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性影響較大。所以設(shè)計(jì)的探頭機(jī)構(gòu)檢測(cè)時(shí)必須保證探頭與球銷間的良好接觸 。我們采取了如下措施：探頭機(jī)構(gòu)在沿軸向移動(dòng)時(shí)可以繞自己的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以適應(yīng)具有不同錐角的各種球銷，另外當(dāng)探頭沿平行于球銷軸線方向在球銷表面移動(dòng)時(shí)，設(shè)置的緩沖彈簧可以使機(jī)構(gòu)隨球銷徑向尺寸的變化而自動(dòng)地推進(jìn)和后撤。
探頭的左右擺動(dòng)，主要是為了檢測(cè)縱向裂紋缺陷的需要，因?yàn)楫?dāng)缺陷走向與超聲波傳播方向一致時(shí)，缺陷就很難產(chǎn)生反射回波。
設(shè)計(jì)的V型塊裝置主要有兩個(gè)功能:是定位球銷位置，以便球銷轉(zhuǎn)動(dòng)前被準(zhǔn)確夾緊；第二是球銷質(zhì)量判斷完畢V型塊張開滿足落料的需要。其中V型塊的張開與閉合采用雙氣缸控制，氣缸處于浮動(dòng)狀態(tài)分別連接到V型塊的兩端，氣缸的活塞桿端用螺母連接到右V型塊的貼板上，另一端用銷子連接到左V型塊的貼板上。這種設(shè)計(jì)可以保證V型塊在氣缸通氣時(shí)自由的張開與閉合，同時(shí)我們?cè)跉饴饭艿涝O(shè)計(jì)上要保證兩個(gè)氣缸動(dòng)作的同時(shí)性，否則V型塊容易卡死。
3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
硬件控制系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的中樞部分，它根據(jù)工作要求，分析處理各種信號(hào)，控制機(jī)械機(jī)構(gòu)正確地、符合要求地、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。它包括：（1）上位機(jī)；（2）CTS-22型超聲波探傷儀；（3）高速A/D采樣卡；（4）MCS-51單片機(jī)控制系統(tǒng)。
其控制系統(tǒng)的各計(jì)算機(jī)之間的控制關(guān)系，如圖3所示。

中央控制系統(tǒng)是檢測(cè)系統(tǒng)的控制中心，它由5個(gè)MCS-51單片機(jī)組成，分別是協(xié)調(diào)機(jī)（機(jī)0），軸轉(zhuǎn)電機(jī)控制機(jī)（機(jī)1），軸向移動(dòng)電機(jī)控制機(jī)（機(jī)2），探頭擺動(dòng)控制機(jī)（機(jī)3），傳送帶電機(jī)控制機(jī)（機(jī)4）。系統(tǒng)控制用了5只MCS-51單片機(jī)（下位機(jī)）來完成4個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和4個(gè)氣缸的動(dòng)作，協(xié)調(diào)機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各分機(jī)及上位機(jī)之間的工作，4臺(tái)分機(jī)在工作中通過相互通訊來協(xié)同。另外，用一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，對(duì)采樣卡采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判別球銷的合格與否。上下位機(jī)之間的通訊通過RS232C串行通訊進(jìn)行，各下位機(jī)之間的信息和命令傳遞通過串行口多機(jī)異步通訊方式進(jìn)行。主從機(jī)之間的相互通訊是通過數(shù)據(jù)發(fā)送方向數(shù)據(jù)接收方申請(qǐng)中斷來進(jìn)行的。各分機(jī)各自連到通訊線上，通訊的主從機(jī)是的，用中斷的方法來確認(rèn)通訊機(jī)。
主CPU與鍵盤、顯示器之間的信息傳遞是通過8279芯片來實(shí)現(xiàn)的，在系統(tǒng)中用發(fā)光二極管代替LED直觀的表示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有暫停狀態(tài)、連續(xù)檢測(cè)或單個(gè)檢測(cè)狀態(tài)、檢測(cè)開始和檢測(cè)結(jié)束狀態(tài)。系統(tǒng)中需要的功能鍵主要有檢測(cè)控制鍵和檢測(cè)參數(shù)設(shè)置鍵。
4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1控制軟件設(shè)計(jì)
控制軟件主要使每個(gè)單片機(jī)完成檢測(cè)中的控制任務(wù)，使系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按檢測(cè)要求進(jìn)行工作；同時(shí)還規(guī)劃系統(tǒng)各個(gè)部分之間的工作，使各部分工作相互配合，協(xié)同完成檢測(cè)任務(wù)。
4.1.1協(xié)調(diào)機(jī)控制程序
該機(jī)的控制程序主要完成向上位機(jī)和4臺(tái)分機(jī)發(fā)布命令，使它們?cè)诓煌臋z測(cè)階段完成各項(xiàng)檢測(cè)工作。其初始化包括：CPU初始化、8259初始化、8279初始化等。系統(tǒng)經(jīng)初始化后，其檢測(cè)狀態(tài)處于連續(xù)檢測(cè)模式、顯示器顯示停止檢測(cè)狀態(tài)。參數(shù)設(shè)置、連續(xù)單個(gè)檢測(cè)模式選擇只有在停機(jī)時(shí)才能設(shè)置。暫停鍵只能在檢測(cè)過程中才起作用。
4.1.2分機(jī)控制程序
上電后，機(jī)1、機(jī)2、機(jī)3、機(jī)4進(jìn)行初始化，初始化的內(nèi)容包括CPU初始化、8259初始化、狀態(tài)標(biāo)志初始化、I/O口初始化。初始化完畢，各機(jī)就在等待機(jī)0發(fā)出的命令和參數(shù)，對(duì)自身工作模式和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
機(jī)1接收到檢測(cè)開始命令，并檢測(cè)到球銷到位，啟動(dòng)球銷壓緊氣缸和V型塊進(jìn)退氣缸，壓緊球銷，撤離V型塊，然后啟動(dòng)電機(jī)，程序通過定時(shí)器T0定時(shí)向P1.1口不斷發(fā)送脈沖給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此間接收到其它的命令，機(jī)1通過中斷方式及時(shí)處理。
機(jī)2接收到機(jī)0啟動(dòng)電機(jī)的命令，則執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，通過定時(shí)器T0定時(shí)，不斷置位和清零P1.1口，向驅(qū)動(dòng)電源發(fā)送脈沖，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)探頭沿球銷軸向移動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測(cè)始點(diǎn)時(shí)，機(jī)3控制探頭進(jìn)給氣缸，進(jìn)給探頭，當(dāng)探頭到位時(shí)，啟動(dòng)探頭擺動(dòng)電機(jī)，并發(fā)出采樣開始命令。當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測(cè)終點(diǎn)時(shí)，向機(jī)0回送結(jié)束命令，并停止采樣。
機(jī)4接收到檢測(cè)開始命令后，送入球銷，球銷到位則馬上停止，檢測(cè)完畢后，控制篩選器，篩選球銷。
4.2數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理軟件主要是由計(jì)算機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判別工件是否合格。數(shù)據(jù)處理程序主要有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、檢測(cè)模塊、邊緣波位置定位模塊、聲速測(cè)試模塊、報(bào)表生成模塊、報(bào)表輸出模塊和系統(tǒng)幫助模塊。
在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)應(yīng)該考慮到以下問題：
（1）探傷儀和采樣卡所采集到的回波信號(hào)包括始波、缺陷波和邊緣波的多次回波在內(nèi)的超聲波信號(hào)，這些回波在它們一次回波之外。查找缺陷波只需要在一次回波內(nèi)進(jìn)行即可，因此需要排除這些對(duì)檢測(cè)沒用的波。所以就需要確定采樣數(shù)據(jù)區(qū)間的始點(diǎn)和終點(diǎn)，來排除表面波的始波、缺陷波和邊緣波的多次回波等信號(hào)。
（2）編制軟件時(shí)應(yīng)該設(shè)定檢測(cè)閾值除去雜波和進(jìn)行邊緣波標(biāo)定。由于軸銷表面不平度和附著微粒、污垢等，表面波也可能被反射，而形成雜波，因此必須設(shè)定檢測(cè)閾值除去雜波。由于軸銷表面幾何形狀的突變而產(chǎn)生的邊緣波，其回波的位置相對(duì)固定，可以預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定，在檢測(cè)中加以消除。
4.3程控連續(xù)檢測(cè)過程
檢測(cè)開始，輸送球銷；球銷到位后，球銷壓緊氣缸推進(jìn)，送料電機(jī)停轉(zhuǎn)；壓緊后，V型塊進(jìn)退氣缸退開；脫開后，球銷轉(zhuǎn)動(dòng)，探頭沿球銷表面移動(dòng)；到檢測(cè)始點(diǎn)，探頭進(jìn)給；進(jìn)給后，探頭開始擺動(dòng)，上位機(jī)開始采樣；到檢測(cè)終點(diǎn)，上位機(jī)停止采樣，球銷停轉(zhuǎn)，探頭停止擺動(dòng)，探頭進(jìn)給氣缸退回，探頭機(jī)構(gòu)返回；上位機(jī)判斷球銷質(zhì)量，決定是否啟動(dòng)篩選器，球銷壓緊氣缸退回；篩選完畢，V型塊氣缸使V型塊合攏 ；篩選器復(fù)位，進(jìn)行下一個(gè)球銷的檢測(cè)。
5.結(jié)論
該球銷自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)球銷表面裂紋選用表面波探傷，可以使球銷表層缺陷的反射波具有較高的能量，便于缺陷的識(shí)別。初步實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)對(duì)球銷表面垂直于軸線的裂紋和傾斜的裂紋都能收到比較好的檢測(cè)效果。
作者簡(jiǎn)介：
車錄鋒，男，1971年5月生。1996年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所機(jī)電控制與自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為浙江大學(xué)機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)博士研究生。主要從事的研究方向有微電子機(jī)械系統(tǒng)，自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)，多傳感器信息融合等。
參考文獻(xiàn)
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