一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置及检测方法与流程

1.本发明涉及一种水浸超声波检测技术。


背景技术：

2.齿轮套圈是将齿加工在内表面上，形成的内齿轮，是一种被广泛应用于现代产业中的工程零部件，小到吸尘器内部的固定齿轮，大到航空发动机上的高速齿轮传动系统，齿轮的应用方向极其广泛，我们对于齿轮精度要求也日益严格，因此建立一套完整的关于齿轮套圈内部缺陷的检测系统是尤为重要的。
3.齿轮套圈从加工生产到投入使用所经历的加工环节主要有：原材切料、加热升温、锻造、冲孔、辗环、回火、粗车、调质、精车、插齿、氮化这几个环节，在这些环节中容易出现的内部缺陷问题齿轮套圈上容易有孔洞、裂纹、氮化组织物夹杂、网裂、沿晶氧化等问题；对齿轮套圈进行质量检测是必不可少的重要环节，在实际工业生产领域中常用的检测方式包括金相检测、低倍检验、超声检测、射线检测以及涡流检测，其中金相和低倍检验均属于破坏性检测，常用于齿轮套圈理化分析中；射线检测会产生影响人体健康的辐射信号；涡流检测仅适用于导电体工件的局限性；而超声检测是一种较为常用的锻造内部缺陷的检测方式，通过超声换能器发射并接收超声波，根据其波形信号判断齿轮套圈内部是否存在缺陷并确定其当量尺寸，但是超声检测仍大量依靠人工，自动化程度低，导致缺陷检测的误差大以及检测效率低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有对齿轮套圈进行超声检测大量依靠人工，导致缺陷检测的误差大以及检测效率低的问题，提出了一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置及检测方法。
5.本发明所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置，该检测装置包括水池、可升降式旋转台、单轴升降装置、进水管、出水管、水浸超声探头、工控机和超声信号发生器；
6.所述可升降式旋转台设置在水池内的底面中心处；可升降式旋转台用于固定待检测的齿轮套圈；
7.所述单轴升降装置固定在水池上；
8.所述水浸超声探头安装在单轴升降装置上；用于调整水浸超声探头(7)在待检测的齿轮套圈(11)的外侧面的高度位置，水浸超声探头发射的超声波沿齿轮套圈的径向从外表面垂直入射；
9.所述进水管由水池的侧壁引入，出水管由水池的底面引出；
10.所述可升降式旋转台的旋转方向、旋转速度以及可升降式旋转台的台面所处的高度通过工控机发出的旋转控制信号进行控制；
11.所述工控机的指令信号输入端与计算机的指令信号输出端相连，工控机的声波控制信号输出端与超声信号发生器的声波控制信号输入端相连；超声信号发生器的超声信号
输出端与水浸超声探头的超声信号输入端相连；水浸超声探头的采集信号输出端与工控机的采集信号输入端相连；工控机的回波信号输出端与计算机的回波信号输入端相连；计算机根据接收到的回波信号后生成缺陷图像。
12.进一步的，该检测装置还包括法兰；
13.所述水浸超声探头通过法兰安装在单轴升降装置上。
14.进一步的，所述单轴升降装置包括底座、立柱和起落架；
15.底座固定在水池的侧壁顶端，立柱竖直固定在底座的侧壁上，并且立柱位于水池的正上方；起落架设置在立柱的侧壁上，并且起落架沿着立柱上下滑动；
16.所述法兰固定在起落架的底端；
17.所述水浸超声探头固定在法兰的侧壁上。
18.一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测方法，该检测方法包括以下步骤：
19.步骤一、对待检测的齿轮套圈进行粗扫描，获取缺陷的初步区域；
20.步骤二、对步骤一中获取缺陷的初步区域进行精扫描，得到细化后的齿轮套圈内部缺陷图像；
21.所述步骤二中精扫描的具体过程为：
22.步骤二一、将缺陷的初步区域等距离划分为n个发射点，n个发射点所在位置分别记为发射点s1，发射点s2，发射点s3，发射点s4，
……
，发射点sn；
23.步骤二二、调节可升降式旋转台，将水浸超声探头对准s1发射点，激励水浸超声探头7采集一组回波信号，并根据声场的分布情况，模拟出s2，s3，s4，
……
，sn的回波信号；
24.步骤二三、再次调节可升降式旋转台，将水浸超声探头对准s2发射点，激励水浸超声探头再采集一组回波信号，并根据声场的分布情况，模拟出s1，s3，s4，
……
，sn的回波信号；以此类推，得到n*n的回波全矩阵数据；
25.步骤二四、在成像区域建立x-z坐标系，x方向为齿轮周向，z方向为齿轮径向；
26.步骤二五、将成像区域分为m
×
n个单元格，每个单元格均被看作一个虚拟聚焦点，虚拟聚焦点为p(x，z)；其中，m为正整数；
27.步骤二六、通过虚拟聚焦方式，将步骤二三的得到的n*n的回波全矩阵数据中的每一组时域信号均聚焦在步骤二五的聚焦点上，并对所有的聚焦点完成聚焦计算，即得到细化后的齿轮套圈内部缺陷图像。
28.进一步的，步骤一中粗扫描的具体过程为：
29.首先，控制可升降式旋转台高度不变，只调整可升降式旋转台的旋转角，旋转角的大小应使其对应弧长为水浸超声探头的入射区域的两倍，以此实现水浸超声探头在某一高度上对待检测的齿轮套圈周向扫描，工控机将回波信号传入计算机中，由计算机完成该高度截面上的齿圈b型扫描成像；
30.其次，调整可升降式旋转台高度，使水浸超声探头在待检测的齿轮套圈表面完成上述周向扫描的多层检测，每层高度间隔均为水浸超声探头的入射区域的两个身位，每层截面均由计算机完成b型扫描成像；
31.最后，将多层b型扫描成像相结合，完成该齿轮套圈的径向全周c型扫描三维成像，并确定出缺陷在齿轮套圈内部的位置信息。
32.进一步的，步骤二六中聚焦计算的具体公式为：
[0033][0034]
其中，i(x,z)为聚焦点p(x，z)的成像强度；t为探头在位置i处发射，经过成像区域的某一聚焦点p(x，z)，被位置j处接收的传播时间；h
ij
[
·
]为该信号时域表达式，n为发射点的总个数。
[0035]
本发明的有益效果为：以水浸超声检测为手段对齿轮套圈内部缺陷进行检测，较于金相、低倍等有损方法，超声检测不损害齿轮套圈的使用性能，相比于x射线等射线检测无损方式，超声检测不产生影响人体的辐射信号，更适用于锻件检测，且突破了涡流检测仅适用于导电体工件的局限性，在测量齿轮套圈内部缺陷时效果极佳；本发明提供的检测装置，实现了对齿轮套圈缺陷的自动化检测，降低对人工的依靠，提高缺陷检出效率以及精度，并且减少人力成本增加了经济效益；本发明所述的检测方法增设了虚拟阵元，以单个虚拟阵元探头的方式实现了相控阵全聚焦成像；通过一发多收的方式，在缺陷位置实现了更为细致的精扫，将缺陷的大致位置以及轮廓信息进行了细化；这种将粗扫描和精扫描相结合的c型扫描方式去除了大量不必要的超声检测区域，节约了能源并提高了缺陷检测效率。
附图说明
[0036]
图1为具体实施方式一所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置的立体结构示意图；
[0037]
图2为具体实施方式一中水浸超声探头与待检测的齿轮套圈的位置关系示意图；
[0038]
图3为具体实施方式一中所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置的原理框图；
[0039]
图4为具体实施方式二中精扫描的具体流程图。
具体实施方式
[0040]
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置包括水池1、可升降式旋转台2、单轴升降装置3、进水管5、出水管6、水浸超声探头7、工控机8和超声信号发生器10；
[0041]
所述可升降式旋转台2设置在水池1内的底面中心处；可升降式旋转台2用于固定待检测的齿轮套圈11；
[0042]
所述单轴升降装置3固定在水池1上；
[0043]
所述水浸超声探头7安装在单轴升降装置3上；通过单轴升降装置3带动水浸超声探头7在待检测的齿轮套圈11的外侧面做升降运动，使水浸超声探头7发射的超声波沿齿轮套圈11的径向从外表面垂直入射；单轴升降装置3用于将水浸超声探头7固定在水池1底部，使得水浸超声探头7对准齿轮套圈11；
[0044]
所述进水管5由水池1的侧壁引入，出水管6由水池1的底面引出；通过进水管5向水池1内注水以及通过出水管6向水池1外排水，进水管5和出水管6的端部分别设有水阀；当出水管6的水阀关闭后，通过打开进水管5的水阀向水池1内注水，通过控制注水的时间来控制水池1中水位的高度；当检测完成后通过打开出水管6的水阀，将水池1内的水排出，使得可升降式旋转台2脱离水寝环境，增加可升降式旋转台2的使用寿命；
[0045]
所述可升降式旋转台2的旋转方向、旋转速度以及可升降式旋转台2的台面所处的高度通过工控机8发出的旋转控制信号进行控制；
[0046]
所述工控机8的指令信号输入端与计算机9的指令信号输出端相连，工控机8的声波控制信号输出端与超声信号发生器10的声波控制信号输入端相连；超声信号发生器10的超声信号输出端与水浸超声探头7的超声信号输入端相连；水浸超声探头7的采集信号输出端与工控机8的采集信号输入端相连；工控机8的回波信号输出端与计算机9的回波信号输入端相连；计算机9根据接收到的回波信号后生成缺陷图像。
[0047]
在本实施方式中，将水浸超声探头7固定在水池1中，并且水浸超声探头7发射的超声波沿齿轮套圈11的径向从外表面垂直入射；由可升降式旋转台2控制旋转角以及升降高度实现齿轮套圈11的全周扫描，可升降式旋转台2的旋转角度以及升降高度由工控机8发出的旋转控制信号进行控制，工控机8与计算机9相连，由计算机9发出指令信号控制工控机8生成声波控制信号，声波控制信号输出至超声信号发生器10，超声信号发生器10产生超声波信号传入至水浸超声探头7中，水浸超声探头7发射超声波沿齿轮套圈11的径向从外表面垂直入射；水浸超声探头7同时作为接收端将回波信号传入工控机8的采集卡中，工控机8实时将回波信号传输至计算机9中，完成齿轮套圈11内部缺陷成像。
[0048]
优选实施例中，该检测装置还包括法兰4；
[0049]
所述水浸超声探头7通过法兰4安装在单轴升降装置3上。
[0050]
在本实施方式中，法兰4作为连接件，起到连接作用，法兰4使得固定水浸超声探头7更方便，使用法兰4将水浸超声探头7固定在单轴升降装置3上并调节合适的高度后保持静止状态。
[0051]
优选实施例中，所述单轴升降装置3包括底座3-1、立柱3-2和起落架3-3；
[0052]
底座3-1固定在水池1的侧壁顶端，立柱3-2竖直固定在底座3-1的侧壁上，并且立柱3-2位于水池1的正上方；起落架3-3设置在立柱3-2的侧壁上，并且起落架3-3沿着立柱3-2上下滑动；
[0053]
所述法兰4固定在起落架3-3的底端；
[0054]
所述水浸超声探头7固定在法兰4的侧壁上。
[0055]
在本实施方式中，单轴升降装置3用于将水浸超声探头7固定于水池1内部。
[0056]
具体实施方式二、结合图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测方法，该检测方法包括以下步骤：
[0057]
步骤一、对待检测的齿轮套圈11进行粗扫描，获取缺陷的初步区域；
[0058]
步骤二、对步骤一中获取缺陷的初步区域进行精扫描，得到细化后的齿轮套圈内部缺陷图像；
[0059]
所述步骤二中精扫描的具体过程为：
[0060]
步骤二一、将缺陷的初步区域等距离划分为n个发射点，n个发射点所在位置分别记为发射点s1，发射点s2，发射点s3，发射点s4，
……
，发射点sn；
[0061]
步骤二二、调节可升降式旋转台2，将水浸超声探头7对准s1发射点，激励水浸超声探头7采集一组回波信号，并根据声场的分布情况，模拟出s2，s3，s4，
……
，sn的回波信号；
[0062]
步骤二三、再次调节可升降式旋转台2，将水浸超声探头7对准s2发射点，激励水浸超声探头7再采集一组回波信号，并根据声场的分布情况，模拟出s1，s3，s4，
……
，sn的回波
信号；以此类推，得到n*n的回波全矩阵数据；
[0063]
步骤二四、在成像区域建立x-z坐标系，x方向为齿轮周向，z方向为齿轮径向；
[0064]
步骤二五、将成像区域分为m
×
n个单元格，每个单元格均被看作一个虚拟聚焦点，虚拟聚焦点为p(x，z)；其中，m为正整数；
[0065]
步骤二六、通过虚拟聚焦方式，将步骤二三的得到的n*n的回波全矩阵数据中的每一组时域信号均聚焦在步骤二五的聚焦点上，并对所有的聚焦点完成聚焦计算，即得到细化后的齿轮套圈内部缺陷图像。
[0066]
优选实施例中，步骤一中粗扫描的具体过程为：
[0067]
首先，控制可升降式旋转台2高度不变，只调整可升降式旋转台2的旋转角，旋转角的大小应使其对应弧长为水浸超声探头7的入射区域的两倍，以此实现水浸超声探头7在某一高度上对待检测的齿轮套圈11周向扫描，工控机8将回波信号传入计算机9中，由计算机9完成该高度截面上的齿圈b型扫描成像；
[0068]
其次，调整可升降式旋转台2高度，使水浸超声探头7在待检测的齿轮套圈11表面完成上述周向扫描的多层检测，每层高度间隔均为水浸超声探头7的入射区域的两个身位，每层截面均由计算机9完成b型扫描成像；
[0069]
最后，将多层b型扫描成像相结合，完成该齿轮套圈11的径向全周c型扫描三维成像，并确定出缺陷在齿轮套圈11内部的位置信息。
[0070]
在本实施方式中，将水浸超声探头7固定于水池1内部，将齿轮套圈11置于可升降式旋转台2上，以可升降式旋转台2调节齿轮套圈11方位的方式实现水浸超声探头7的周向扫描，在粗扫中水浸超声探头7每次进行超声波的发射位置间隔以其超声入射区域的两倍为准，由工控机8控制可升降式旋转台2的旋转角以及升降高度，实现水浸超声探头7全方位的扫查；水浸超声探头7接收的回波信号传入工控机8的信号采集卡中并实时传输入计算机9中，可实现齿圈11内部缺陷成像.
[0071]
优选实施例中，步骤二六中聚焦计算的具体公式为：
[0072][0073]
其中，i(x,z)为聚焦点p(x，z)的成像强度；t为探头在位置i处发射，经过成像区域的某一聚焦点p(x，z)，被位置j处接收的传播时间；h
ij
[
·
]为该信号时域表达式，n为发射点的总个数。
[0074]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置，其特征在于，该检测装置包括水池(1)、可升降式旋转台(2)、单轴升降装置(3)、进水管(5)、出水管(6)、水浸超声探头(7)、工控机(8)和超声信号发生器(10)；所述可升降式旋转台(2)设置在水池(1)内的底面中心处；可升降式旋转台(2)用于固定待检测的齿轮套圈(11)；所述单轴升降装置(3)固定在水池(1)上；所述水浸超声探头(7)安装在单轴升降装置(3)上；用于调整水浸超声探头(7)在待检测的齿轮套圈(11)的外侧面的高度位置，水浸超声探头(7)发射的超声波沿齿轮套圈(11)的径向从外表面垂直入射；所述进水管(5)由水池(1)的侧壁引入，出水管(6)由水池(1)的底面引出；所述可升降式旋转台(2)的旋转方向、旋转速度以及可升降式旋转台(2)的台面所处的高度通过工控机(8)发出的旋转控制信号进行控制；所述工控机(8)的指令信号输入端与计算机(9)的指令信号输出端相连，工控机(8)的声波控制信号输出端与超声信号发生器(10)的声波控制信号输入端相连；超声信号发生器(10)的超声信号输出端与水浸超声探头(7)的超声信号输入端相连；水浸超声探头(7)的采集信号输出端与工控机(8)的采集信号输入端相连；工控机(8)的回波信号输出端与计算机(9)的回波信号输入端相连；计算机(9)根据接收到的回波信号后生成缺陷图像。2.根据权利要求1所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置，其特征在于，该检测装置还包括法兰(4)；所述水浸超声探头(7)通过法兰(4)安装在单轴升降装置(3)上。3.根据权利要求2所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置，其特征在于，所述单轴升降装置(3)包括底座(3-1)、立柱(3-2)和起落架(3-3)；底座(3-1)固定在水池(1)的侧壁顶端，立柱(3-2)竖直固定在底座(3-1)的侧壁上，并且立柱(3-2)位于水池(1)的正上方；起落架(3-3)设置在立柱(3-2)的侧壁上，并且起落架(3-3)沿着立柱(3-2)上下滑动；所述法兰(4)固定在起落架(3-3)的底端；所述水浸超声探头(7)固定在法兰(4)的侧壁上。4.一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：步骤一、对待检测的齿轮套圈(11)进行粗扫描，获取缺陷的初步区域；步骤二、对步骤一中获取缺陷的初步区域进行精扫描，得到细化后的齿轮套圈内部缺陷图像；所述步骤二中精扫描的具体过程为：步骤二一、将缺陷的初步区域等距离划分为n个发射点，n个发射点所在位置分别记为发射点s1，发射点s2，发射点s3，发射点s4，
……
，发射点sn；步骤二二、调节可升降式旋转台(2)，将水浸超声探头(7)对准s1发射点，激励水浸超声探头(7)采集一组回波信号，并根据声场的分布情况，模拟出s2，s3，s4，
……
，sn的回波信号；步骤二三、再次调节可升降式旋转台(2)，将水浸超声探头(7)对准s2发射点，激励水浸超声探头(7)再采集一组回波信号，并根据声场的分布情况，模拟出s1，s3，s4，
……
，sn的回
波信号；以此类推，得到n*n的回波全矩阵数据；步骤二四、在成像区域建立x-z坐标系，x方向为齿轮周向，z方向为齿轮径向；步骤二五、将成像区域分为m
×
n个单元格，每个单元格均被看作一个虚拟聚焦点，虚拟聚焦点的为p(x，z)；其中，m为正整数；步骤二六、通过虚拟聚焦方式，将步骤二三的得到的n*n的回波全矩阵数据中的每一组时域信号均聚焦在步骤二五的聚焦点上，并对所有的聚焦点完成聚焦计算，即得到细化后的齿轮套圈内部缺陷图像。5.根据权利要求4所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测方法，其特征在于，步骤一中粗扫描的具体过程为：首先，控制可升降式旋转台(2)高度不变，只调整可升降式旋转台(2)的旋转角，旋转角的大小应使其对应弧长为水浸超声探头(7)的入射区域的两倍，以此实现水浸超声探头(7)在某一高度上对待检测的齿轮套圈(11)周向扫描，工控机(8)将回波信号传入计算机(9)中，由计算机(9)完成该高度截面上的齿圈b型扫描成像；其次，调整可升降式旋转台(2)高度，使水浸超声探头(7)在待检测的齿轮套圈(11)表面完成上述周向扫描的多层检测，每层高度间隔均为水浸超声探头(7)的入射区域的两个身位，每层截面均由计算机(9)完成b型扫描成像；最后，将多层b型扫描成像相结合，完成该齿轮套圈(11)的径向全周c型扫描三维成像，并确定出缺陷在齿轮套圈(11)内部的位置信息。6.根据权利要求4所述的一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测方法，其特征在于，步骤二六中聚焦计算的具体公式为：其中，i(x,z)为聚焦点p(x，z)的成像强度；t为探头在位置i处发射，经过成像区域的某一聚焦点p(x，z)，被位置j处接收的传播时间；h
ij
[
·
]为该信号时域表达式，n为发射点的总个数。

技术总结
一种齿轮套圈水浸超声缺陷检测装置及检测方法，涉及一种水浸超声波检测技术，为了解决现有对齿轮套圈进行超声检测大量依靠人工，导致缺陷检测的误差大以及检测效率低的问题。本发明的可升降式旋转台设置在水池内以固定齿轮套圈；单轴升降装置固定在水池上，水浸超声探头安装在单轴升降装置上；进水管由水池的侧壁引入，出水管由水池的底面引出；可升降式旋转台的旋转方向、旋转速度以及可升降式旋转台的台面所处的高度通过工控机发出的旋转控制信号进行控制；工控机与计算机相连，工控机与超声信号发生器相连；超声信号发生器与水浸超声探头相连；水浸超声探头与工控机相连；计算机根据回波信号后生成缺陷图像。有益效果为提高了缺陷检测效率。提高了缺陷检测效率。提高了缺陷检测效率。


技术研发人员：丛晨日 张凯胜 孙慧霖 史慧楠 郑慧峰 童辉 吴强 王欢 宫凤然 李锦雯 张津玮 陶阳
受保护的技术使用者：中国航发哈尔滨轴承有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/7