环形工件自动化超声C扫描设备的机械结构设计.pdf

602023,61(10)总第7 1 0 期机械制造试验检测环形工件自动化超声C扫描设备的机械结构设计*季建华达刚1.江苏城市职业学院南通点江苏南通2260062.南通银河测控技术开发有限公司江苏南通226006摘要：针对环形工件，设计了一种自动化超声C扫描设备。介绍了这一设备的结构，对设备中升降机构、定位及夹紧机构、旋转机构的具体设计进行了分析。应用这一设备，可以完成环形工件内部缺陷的无损检测关键词：环形工件超声扫描机械结构设计中图分类号：TH878*.2文献标志码：A文章编号：1 0 0 0 4 9 9 8（2 0 2 3)1 0-0 0 6 0-0 3Abstract:The automated ultrasonic constrant depth scanning equipment was designed for the ring-shapedworkpiece.The structure of this equipment was introduced,and the specific design of the lifting mechanism,positioning and clamping mechanism and rotating mechanism in the equipment was analyzed.By applying thisequipment,thenon-destructive detection of internal defect in the ring-shaped workpieceecanbeaccomplished.Keywords:Ring-shaped WorkpieceUltrasonicScanningMechanical StructureDesign1设计背景大中型轴承的内外圈等环形工件的无损检测方法主要有便携机手动检测和自动化检测两种。手动检测方便灵活，但对于批量生产来说，效率低，劳动强度大，还容易因人为因素产生误判。超声C扫描来源于英文ConstantDepthScanning，系统工作原理是使用计算机控制超声换能器在工件上纵横交替扫描，将特定探测范围内的反射波强度以辉度的形式连续显示出来，通过显示器显示出工件内部缺陷横截面图形。环形工件如图1 所示，笔者对此设计了一套自动化无损检测设备，结合自动化技术与超声C扫描的原理，完成对此类环形工件内部缺陷的无损检测。设备主要功能是检测平台能自动上升至吊装区，将环形工件吊装完成后，能实现工件的定位与装夹。检测平台下降至工作表面处，工件围绕轴线旋转，观察定位安装是否正常。检测探头开始动作，运动到设定位置，工件开始旋转两三圈。检测完成后，系统根据检测数据给出信号，生成检测结果。探头上升回到初始位置，检测平台上升至吊装高度，夹紧装置松开，根据检测结果将工件吊装至对应的码垛区域。设备工作流程如图2 所示。00S0S$3001200金图1环形工件装置回零检测平台上升环形工件吊装检测平台下降超声C扫描检测装置回零图2设备工作流程*江苏城市职业学院南通点（南通开放大学）横向课题（编号：KTKD-HX2021-0003）。612023,61(10)总第7 1 0 期机械制造试验检测2水浸法超声检测设备结构完成大中型环形工件探伤，一般可选择水磨法或水浸法。采用水磨法探伤，由于工件直径较大，检测过程中探头与工件接触时间较长，在力的作用下，探头易产生磨损。探头属于检测装置的核心零件，磨损后会直接影响探伤精度和准确性。并且环形工件存水包的设计较为复杂，探头部分结构臃肿，运动稳定性差，对探伤精度影响较大。采用水浸法探伤，探头结构轻巧，动作灵敏准确，在探测过程中探头与工件不接触，没有摩擦运动，不会造成探头磨损，探头使用寿命长。采用水浸法的缺陷是工件需浸泡在水下，回转和夹紧机构也在水下工作。权衡利弊并经过测算，两种方法相较而言，水浸法超声自动检测环形工件，在设备检测精度及经济性、稳定性等方面都要比水磨法好。根据环形工件设计的水浸法超声检测设备结构如图3所示。水箱设计留有维护窗口，可以观察水下运动情况，打开后还能为后期设备维护留有足够空间。探头运动可实现三坐标联动，探头结构轻巧，定位准确迅速。升降机构采用双动力系统，确保升降动力均衡稳定。定位机构采用三爪自定心设计，定位准确，夹紧牢靠。回转机构设置有周向支撑导轮，能确保检测平台运转稳定，噪声低。设备机械调节结构的调节轴数总计达7轴,X轴移动模组、Y轴移动模组、Z轴移动模组结合，可以实现对探测探头三轴方向的调节。通过探头架周向旋转机构和角度旋转机构的结合，可以实现对探测探头探测角度的调节。通过平台升降模组，可以实现图3水浸法超声检测设备结构对平台高度的调节。通过平台旋转模组，可以实现对平台转动的调节。3升降机构设备正常检测时，环形工件表面及探头需浸没在水下。为方便受检产品的安装，设计了一套升降机构。工作中，由升降机构带动检测平台上升到水箱以上。吊装环形工件，定位夹紧后，升降机构带动检测平台下降没入水下设定好的距离，然后停止。工作台升降导向机构采用四根对称布置的圆柱光轴，升降传动为两套对称布置的滚珠丝杠机构。升降机构如图4 所示。口电机光轴滚珠丝杠检测平台图4升降机构本套升降机构的优点是结构简单，安装及维护方便快捷。升降系统的构件标准化程度高，经济性好。滚珠丝杠螺母副传动精度高，配合伺服电机，容易实现高度方向的高精度定位。对称布置结构及直线轴承的应用，使系统升降传动平稳，结构刚性稳固。由于采用双电机驱动，带来的技术难点是如何保证双电机驱动622023,61(10)总第7 1 0 期机械制造标积极目领拥抱为引以绿色双碳”转型里创新展科技推动高质日月（编辑收稿时间：2 0 2 3-0 5检测试验的同步性。通过在电气系统中运用可编程序控制器控制联调，解决了双电机的同步性问题。通过采用自锁机构，实现了检测平台在高度方向上任意位置的停机锁定功能。4定位及夹紧机构环形工件以空心套筒为主，此类工件外圆均进行了精加工或半精加工，外形为规则圆柱面，表面精度较高。这种类型的工件最适合采用三爪自定心机构。本次设计利用三爪自定心机构的定位夹紧原理，设计了针对环形工件的专用夹爪，在定位、夹紧工件的同时保护工件表面不因夹紧而受损。夹爪的驱动方式巧妙地应用齿轮传动配合丝杠导轨的结构，定位夹紧操作简单，并支持手动夹紧和自动夹紧两种模式，降低了用户操作难度。定位及夹紧机构如图5 所示。丝杠螺母副定位盘夹爪A图5定位及夹紧机构5旋转机构工件检测过程是在水下完成的，当检测探头定位后，工件需要绕轴线旋转。整套旋转机构均浸没于水下，防水防锈问题是旋转机构要解决的主要问题。另外是降速问题，如何将电机速度调整到符合工件检测的旋转速度，也是设计的关键。设计中通过计算、模拟、试验，最终确定采用不锈钢材料制备水下传动部件来解决防锈问题。采用水下电机驱动，解决电机防水问题。采用蜗轮蜗杆传动配合齿轮传动，实现传动比的调节，获得合适的转速。6结束语笔者对环形工作自动化超声C扫描设备进行了机械结构设计。设计中探头的动作实现三坐标联动控制，探头支持周向调节及水平角度调节，工件装夹部分支持垂直方向任意位置精确停止及周向回转运动。设备整体运动轴数达到7 轴，自动化程度及检测效率高。参考文献1西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械设计M.10版.北京：高等教育出版社，2 0 1 9.2储燕青.机械传动与装调M.北京：中国劳动社会保障出版社,2 0 2 1.3郝建豹，林子其.自动控制系统M.北京：机械工业出版社,2 0 1 9.4武培雄.检测技术在自动化机械制造系统中的应用J.电子技术与软件工程，2 0 1 8（3）：1 4 3.5陈孝文.无损检测M.北京：石油工业出版社，2 0 2 0.6王卫华，金博，邓宝刚，等.超声相控阵检测技术与常规超声波检测技术J.设备管理与维修,2 0 2 2（1 8）：8 0-9 0.7刘赣华，汪散，唐乃夫.塑料斜齿轮与金属蜗杆传动机构疲劳寿命分析J.机械传动，2 0 2 3,4 7（1）：1 2 6-1 31.8张阿中，刘建新，蔡久凤.考虑轴承故障高速列车齿轮传动系统振动响应分析J.噪声与振动控制,2 0 2 2,4 2(5)：165-170.9左林.一种新型直线电机的结构设计J.微电机，2 0 2 3，56(1):91-94.10杨宁宁.水下永磁推进电机振动噪声研究D.宁波：宁波大学，2 0 2 1.11赵敏.水下电机电缆的橡胶双密封结构J.橡胶工业，2018,65(12):1401.作者简介：季建华（1 9 7 8 一），男，工程师，讲师，主要研究方向为机械制造及自动化设计、数控技术应用。