CN104062353A - 曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，该装置主要由上位机、涡流磁记忆检测仪及配套的检测传感器、曲轴旋转变位机构、工业机器人及安装在其第六轴法兰上的检测传感器夹具组件组成；对于复杂结构的曲轴，将其安装固定在曲轴旋转变位机构上，使其绕主轴线进行旋转变位，同时工业机器人通过检测传感器夹具组件来夹持检测传感器，并对曲轴进行检测，涡流磁记忆检测仪器则对检测传感器信号进行采集并保存为检测数据，然后传输到上位机中进行处理。该装置采用涡流、磁记忆复合检测方法，克服了单一检测方法的局限性，对多种型号曲轴均有较好的通用性，具有检测速度快、工作效率高、提取的缺陷特征数据精度更高等优点。

Description

曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置

技术领域

本发明涉及曲轴无损检测领域，特别是涉及一种曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置。

背景技术

曲轴是发动机中的核心部件，由于其长期在复杂载荷工况下工作，容易在轴颈圆角(包括主轴颈圆角和连杆轴颈圆角)处产生应力集中，甚至萌生疲劳裂纹而导致曲轴疲劳失效。发动机作为动力部件，在汽车、舰船及工程机械等装备上得到了广泛应用，因此，退役发动机曲轴拥有巨大的再制造工程价值。针对退役曲轴的再制造需求，应先对其进行无损检测，再根据获取的检测结果进行退役曲轴可造制造性的评估和再制造加工工艺方案的设计。目前，再制造企业对退役曲轴进行无损检测时一般采取常规超声、磁粉等检测方法，这些方法多被用于曲轴缺陷的定性判别，很少能够实现对缺陷特征作定量化描述，以致不能为退役曲轴可再制造性评估提供有力的数据支持。而且上述方法多有赖于人工检测来实现，检测效率低下，难以满足再制造工程应用中的自动化、批量化生产需求。

经现有技术文件的检索发现，针对退役曲轴再制造工程需求的无损检测检测装置方面，主要有以下三个中国发明专利。专利1申请号200410067573.2，名称“汽车曲轴剩余疲劳寿命的检测装置”；专利2申请号200910312535.1，名称“汽车退役曲轴剩余疲劳寿命与尺寸精度的检测装置”；专利3申请号201210340273.1，名称“一种再制造前曲轴早期疲劳损伤自动化检测评估***”。其中，专利1检测主轴颈和连杆颈时，必须通过调整调心卡盘分别使主轴中心和连杆轴中心与卡盘中心在同一直线上，操作过程繁琐。专利2通过摇块机构，解决了连杆轴颈检测时的偏心距调整问题，但是对每个检测位置进行检测时均需重新安装探头夹具，且摇块机构工作过程中容易引入检测误差。专利3中的探头底部弧度半径与连杆轴颈半径吻合，宽度与连杆轴颈档宽相等，会导致探头并不适用于主轴颈及主轴颈圆角处的检测，不能获得完整的曲轴轴颈及轴颈圆角检测结果，而且该专利仅采用了磁记忆法进行无损检测，只能得到曲轴应力集中状况的检测结果，对退役曲轴早期疲劳损伤进行检测，难以检出已经产生的宏观疲劳裂纹并获取其定量化的特征数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，以解决现行无损检测技术在应用于复杂结构的曲轴时存在的问题和不足，并为退役曲轴的可再制造性评判提供可靠的数据支持。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其包括上位机、涡流磁记忆检测仪、检测传感器、曲轴旋转变位机构、检测传感器夹具组件和工业机器人，其中：上位机通过通讯线分别与曲轴旋转变位机构的控制器和工业机器人控制器相连；工业机器人控制器和曲轴旋转变位机构控制器之间由I/O通讯线相连；涡流磁记忆检测仪通过网线与上位机相连，与曲轴旋转变位机构之间由编码器信号线连接；检测传感器安装在检测传感器夹头上，其与涡流磁记忆检测仪配套使用，它们通过检测传感器信号线相连；工业机器人末端法兰上安装检测传感器夹具组件。

所述工业机器人可以由工业机器人本体和工业机器人控制器两部分组成，工业机器人本体是由六个转轴组成的空间串联六杆开链机构，六个转轴均由交流伺服电机驱动，可达工作半径空间内的任意点；工业机器人本体与工业机器人控制器之间通过动力电缆和控制信号电缆相连接。

所述涡流磁记忆检测仪可以采用能够接收曲轴旋转变位机构上编码器输出的位置信号，以实现对曲轴缺陷特征信号的精确定位的涡流、磁记忆一体化检测仪。

所述检测传感器可以采用能够满足曲轴检测部位特殊结构要求的放置式线圈传感器，所述特殊结构是指曲轴的轴颈或轴颈圆角处。

所述曲轴旋转变位机构可以由曲轴旋转变位机构控制器、底座、伺服电机、减速机、编码器、滚轮、导轨、手轮、丝杠组成，其中：曲轴旋转变位机构控制器与伺服电机之间由动力线和控制线相连，伺服电机的输出轴与减速机连接并一起安装在减速机座上；减速机的输出轴通过万向联轴器与被测曲轴相连，同时还经同步齿形带与编码器相连；曲轴置于曲轴固定支撑架和曲轴活动支撑架上，两支撑架上的滚轮均与曲轴两端轴颈接触，两支撑架均安装在导轨上；曲轴活动支撑架下端装有丝杠，丝杠左端连接手轮，导轨水平安装于底座上。

所述曲轴旋转变位机构控制器，主要由PLC、定位模块、伺服驱动器组成；该控制器可以通过PLC的梯形图指令编程，来设置曲轴旋转变位机构的包括转速、位移参数，定位模块输出正、反转位置指令脉冲到伺服驱动器，对曲轴旋转变位机构的位移和转速进行控制。

所述曲轴旋转变位机构，可以由伺服电机提供驱动力，经减速机降速增扭之后，通过万向联轴器驱动曲轴以其主轴线为中心作回转运动；减速机输出轴的旋转带动编码器旋转，将编码器信号输出到涡流磁记忆检测仪，为其提供精确的检测位置信号；依靠手轮的转动，可使曲轴活动支撑架沿导轨直线方向水平移动，从而调节与曲轴固定支撑架之间的距离，可以满足不同型号曲轴安装固定的要求。

所述检测传感器夹具组件，可以由检测传感器夹头、连接杆、弹簧、支撑杆、法兰组成，其中：检测传感器夹头在检测过程中用来固定检测传感器，检测传感器夹头与连接杆之间通过螺栓紧固连接；连接杆和支撑杆之间用销钉连接并装有弹簧，支撑杆通过法兰与工业机器人本体第六轴法兰相连，整个检测传感器夹具组件安装在工业机器人的第六轴末端；弹簧的作用力可为检测传感器提供一定的耦合压紧力，并且能够防止检测过程中的刚性碰撞而损坏检测传感器；检测传感器夹头及连接杆采用非铁磁性材料制成，能有效避免铁磁性材料夹具对磁记忆传感器的检测信号产生干扰。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1.设计的曲轴旋转变位机构，通过调节曲轴活动支撑架与曲轴固定支撑架之间的距离，可以满足多种型号曲轴的旋转变位需求，具有较好的通用性。

2.通过设计制造曲轴旋转变位机构，并将其与工业机器人结合起来进行联动控制，实现了对退役曲轴的自动化无损检测，改变了目前主要依靠人工检测的现状，通过对工业机器人各轴位姿调整，自动调节检测传感器的方向，从而满足检测轴颈和轴颈圆角时检测传感器不同的放置要求。

3.该曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置既能利用涡流传感器对曲轴进行检测，获取宏观疲劳裂纹的定量化特征数据，又可以通过磁记忆传感器得到曲轴应力集中状况的检测结果，克服了以往单一检测方法的局限性。

4.该曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置能够有效排除人工检测随机误差对检测信号的干扰，获取缺陷的涡流、磁记忆定量化检测数据，为退役曲轴可再制造性评估和再制造加工工艺方案设计提供数据支持。

附图说明

图1是本发明曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置***示意图。

图2是本发明曲轴变位机构结构示意图。

图3是本发明检测传感器夹具组件结构示意图。

图4是本发明检测运动学模型分析示意图。

图5是本发明所获取的某退役曲轴的第二连杆颈圆角处的涡流检测结果。

图6是本发明所获取的某退役曲轴的第二连杆颈圆角处的磁记忆检测结果(磁场强度曲线)。

图7是本发明所获取的某退役曲轴的第二连杆颈圆角处的磁记忆检测结果(磁场强度梯度曲线)。

图中：1.上位机；2.涡流磁记忆检测仪；3.检测传感器信号线；4.检测传感器；5.待测曲轴；6.曲轴旋转变位机构；7.工业机器人本体；8.工业机器人控制器；9检测传感器夹具组件；10.曲轴旋转变位机构控制器；11.底座；12.减速机座；13.伺服电机；14.减速机；15.编码器；16.万向联轴器；17.曲轴固定支撑架；18.滚轮；19.圆导轨；20.手轮；21.丝杠；22.曲轴活动支撑架；23.检测传感器夹头；24.连接杆；25.弹簧；26.支撑杆；27.法兰；28.主轴颈；29.连杆轴颈。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体的实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。在本实施例中，选用一根济柴190系列发动机的12VB.02.01曲轴进行检测实验。

本实施例供的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，如图1-图3所示，该装置主要由上位机1、涡流磁记忆检测仪2、检测传感器4、曲轴旋转变位机构6、工业机器人本体7、工业机器人控制器8和检测传感器夹具组件9组成，其中：曲轴5安装固定在曲轴转变位机构6上，工业机器人本体7的六轴末端法兰上安装检测传感器夹具组件9，检测传感器4则被安装在检测传感器夹头23上。上位机1通过通讯线分别与涡流磁记忆检测仪2的检测启动接口、曲轴旋转变位机构6的控制器以及工业机器人控制器8相连。涡流磁记忆检测仪2通过网线与上位机1相连，与曲轴旋转变位机构6之间由编码器信号线连接。检测传感器4与涡流磁记忆检测仪2配套使用，它们通过检测传感器信号线3相连。

所述的上位机1控制工业机器人和曲轴旋转变位机构6的启动，并对涡流磁记忆检测仪获得的检测数据进行保存和管理，供后续的分析计算调用。

所述涡流磁记忆检测仪2是采用通用的涡流、磁记忆一体化检测仪(例如：爱德森EEC-86C智能涡流磁记忆检测仪)，该仪器不仅可用于常规的平面直线型零件的检测，还可用于检测曲轴类零件曲率弧面。该涡流磁记忆检测仪接收曲轴旋转变位机构6上编码器15输出的位置信号，能够实现对缺陷特征信号的精确定位。

所述检测传感器4采用放置式线圈传感器(例如：爱德森BPB2型涡流传感器和EPEMS型磁记忆传感器)，具有较高的检测灵敏度，能够满足曲轴检测部位(轴颈和轴颈圆角处)的特殊结构要求。

所述曲轴旋转变位机构6，其结构如图2所示，由曲轴5、曲轴旋转变位机构控制器10、底座11、减速机座12、伺服电机13、减速机14、编码器15、万向联轴器16、曲轴固定支撑架17、滚轮18、导轨19、手轮20、丝杠21、曲轴活动支撑架22组成。其中：曲轴旋转变位机构控制器10与伺服电机13之间由动力线和控制线相连。伺服电机12的输出轴与减速机14连接并安装在减速机座12上。减速机14的输出轴则通过万向联轴器16与曲轴5相连，同时还经同步齿形带等与编码器15进行连接。曲轴5置于曲轴固定支撑架17和曲轴活动支撑架22上，支撑架上的滚轮18与曲轴5两端轴颈接触。曲轴固定支撑架17和曲轴活动支撑架22均安装在导轨19上，曲轴活动支撑架22下端装有丝杠21，丝杠左端连接手轮20，导轨19水平安装于底座1之上。

所述曲轴旋转变位机构6，由伺服电机13提供驱动力，经减速机14降速增扭之后，通过万向联轴器16驱动曲轴5以其主轴线为中心作回转运动。减速机14输出轴的旋转带动编码器15旋转，将编码器信号输出到涡流磁记忆检测仪2，为其提供精确的检测位置信号。依靠手轮20的转动，可使曲轴活动支撑架22沿导轨直线方向水平移动，从而调节与曲轴固定支撑架17之间的距离，可以满足不同型号曲轴安装固定的要求。

所述曲轴旋转变位机构控制器10，主要由PLC、定位模块、伺服驱动器等组成。通过PLC的梯形图指令编程，来设置曲轴旋转变位机构6的转速、位移等参数，定位模块输出正反转位置指令脉冲到伺服驱动器，对曲轴旋转变位机构的位移和转速进行精确控制。

所述工业机器人(例如：ABB2600机器人、ABB4400机器人、库卡KR30-3机器人等)由工业机器人本体7和工业机器人控制器8两部分组成。工业机器人本体7是由六个转轴组成的空间串联六杆开链机构，六个转轴均由交流伺服电机驱动，可达工作半径空间内的任意点。工业机器人本体7与工业机器人控制器8之间通过动力电缆和控制信号电缆相连接。所述工业机器人控制器8与曲轴旋转变位机构控制器10之间可进行I/O通讯。

所述检测传感器夹具组件9，结构如图3所示，由检测传感器夹头23、连接杆24、弹簧25、支撑杆26、法兰27组成，其中：检测传感器夹头23在检测过程中用来固定检测传感器4，检测传感器夹头23与连接杆24之间通过螺栓紧固连接。连接杆24和支撑杆26之间用销钉连接并装有弹簧25，支撑杆26通过法兰与工业机器人本体7第六轴法兰相连，整个检测传感器夹具组件9安装在工业机器人的第六轴末端。弹簧25的作用力可为涡流检测传感器提供一定的耦合压紧力，并且能够防止检测过程中的刚性碰撞而损坏检测传感器4。检测传感器夹头23及连接杆24采用非铁磁性材料制成，能有效避免铁磁性材料夹具对磁记忆传感器的检测信号产生干扰。不同的检测方式(涡流检测和磁记忆检测)需要更换检测传感器夹头23上的检测传感器4。

根据曲轴5的几何特征，设主轴半径为R，连杆轴半径为r，连杆轴心相对于主轴心的偏心距为e。检测其主轴颈28及主轴颈28的圆角时，曲轴5以主轴线为回转中心，角速度为ω₁进行旋转，可使检测传感器4保持静止，曲轴5旋转一周即可完成检测。检测连杆轴颈29和连杆轴颈29的圆角时，如图4所示，可从几何运动关系来分析检测传感器4和连杆轴颈29的运动规律。以曲轴5的主轴轴心为坐标原点，建立直角坐标系Oxy。设传感器相对于连杆轴颈29上的初始检测点坐标为M(-r,e)，当曲轴转过α角时，M点移动至M'处，此时，连杆轴颈29的即时检测点的坐标为N(esinα-r,ecosα)，由N点坐标表达式可知，其运动轨迹是以定点P(-r,0)为圆心，e为半径的圆。相应地，检测传感器4初始位置为点M，保持检测传感器4运动与曲轴5同步(即检测传感器4圆周运动角速度ω₂与曲轴5旋转角速度ω₁相等)，当曲轴转动α角时，保证传感器运动至点N，则连杆轴颈29上弧线即为检测传感器4与该检测连杆轴颈29间的相对运动曲线，当α＝2π时，即曲轴旋转一周，检测传感器4恰好能将连杆轴颈29上被测部位一周检测完毕。

本发明提供的上述曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其工作过程如下：

a.当检测曲轴5的主轴颈时，调整工业机器人各轴位姿，使检测传感器4前端与主轴颈28表面垂直，工业机器人运动至相应的检测位置，待检测传感器4就位后，上位机1发送指令到工业机器人控制器8和曲轴旋转变位机构控制器10，控制曲轴旋转变位机构6启动，曲轴旋转变位机构6开始驱动曲轴5旋转，该过程中工业机器人夹持检测传感器4保持静止，与此同时，涡流磁记忆检测仪2实时采集检测传感器4的检测信号以及曲轴旋转变位机构6的编码器信号(检测位置信息)，待曲轴旋转一周，该位置检测完毕；

b.当检测曲轴5的主轴颈28圆角时，调整工业机器人各轴位姿，使检测传感器4水平偏转45°(相对于)且其前端与主轴颈28圆角处垂直，工业机器人运动至相应的主轴颈28圆角检测位置，后续工作工程与步骤a中类似；

c.当检测曲轴的连杆轴颈29时，调整工业机器人各轴位姿，使检测传感器4前端与连杆轴颈29表面垂直，工业机器人运动至相应的检测位置，待检测传感器4就位后，上位机1发送指令到工业机器人控制器8和曲轴旋转变位机构控制器10，控制工业机器人和曲轴旋转变位机构6同时启动，曲轴旋转变位机构6开始驱动曲轴5旋转，同时工业机器人按照程序中规划的运动路径保证检测传感器4做圆周运动，且圆周运动角速度与曲轴5的旋转角速度一致，从而实现检测传感器4与曲轴连杆轴颈29的同步运动。与此同时，涡流磁记忆检测仪2实时采集检测传感器4的检测信号以及曲轴旋转变位机构6的编码器信号(检测位置信息)，待曲轴旋转一周，该位置检测完毕；

d.当检测曲轴5的连杆轴颈颈圆角时，调整工业机器人各轴位姿，使检测传感器4水平偏转45°且其前端与连杆轴颈29圆角处垂直，工业机器人运动至相应的连杆轴颈29圆角检测位置，后续工作工程与步骤c中类似。

e.用涡流笔式传感器把曲轴5检测完成后，将检测传感器夹头23上的涡流传感器更换为磁记忆传感器，重复以上步骤。上位机对涡流磁记忆检测仪所获取的检测数据进行保存、管理和分析计算。

以第二连杆轴颈左侧圆角为例，其具体的涡流检测结果如图5所示，为该圆角处周向的涡流幅值曲线；磁记忆检测结果如图6和图7所示，为该圆角处周向的磁场强度Hp(A/m)曲线和磁场强度梯度dHp/dx((A/m)/mm)曲线。由图5中涡流检测结果可知，190°附近和240°附近有明显波峰，预示该圆角处周向190°-240°之间存在疲劳裂纹。由图6和图7中磁记忆检测结果，可以看出，该位置在周向152°-172°间和270°-277°间存在应力集中。结合传统的磁粉探伤发现，本发明所得到的检测结果，与磁粉探伤结果一致，且对疲劳裂纹定位精确。

Claims (8)

1.一种曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其特征是该装置包括上位机(1)、涡流磁记忆检测仪(2)、检测传感器(4)、曲轴旋转变位机构(6)、检测传感器夹具组件(9)和工业机器人，其中：上位机(1)通过通讯线分别与曲轴旋转变位机构(6)的控制器和工业机器人控制器(8)相连；工业机器人控制器(8)和曲轴旋转变位机构控制器(10)之间由I/O通讯线相连；涡流磁记忆检测仪(2)通过网线与上位机(1)相连，与曲轴旋转变位机构(6)之间由编码器信号线连接；检测传感器(4)安装在检测传感器夹头(23)上，其与涡流磁记忆检测仪(2)配套使用，它们通过检测传感器信号线(3)相连；工业机器人末端法兰上安装检测传感器夹具组件(9)。

2.根据权利要求1所述的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其特征是所述工业机器人由工业机器人本体(7)和工业机器人控制器(8)两部分组成，工业机器人本体(7)是由六个转轴组成的空间串联六杆开链机构，六个转轴均由交流伺服电机驱动，可达工作半径空间内的任意点；工业机器人本体(7)与工业机器人控制器(8)之间通过动力电缆和控制信号电缆相连接。

3.根据权利要求1所述的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其特征是所述涡流磁记忆检测仪(2)采用能够接收曲轴旋转变位机构(6)上编码器(15)输出的位置信号，以实现对曲轴缺陷特征信号的精确定位的涡流、磁记忆一体化检测仪。

4.根据权利要求1所述的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其特征是所述检测传感器(4)采用能够满足曲轴检测部位特殊结构要求的放置式线圈传感器，所述特殊结构是指曲轴的轴颈或轴颈圆角处。

5.根据权利要求1所述的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其特征是所述曲轴旋转变位机构(6)由曲轴旋转变位机构控制器(10)、底座(11)、伺服电机(13)、减速机(14)、编码器(15)、滚轮(18)、导轨(19)、手轮(20)、丝杠(21)组成，其中：曲轴旋转变位机构控制器(10)与伺服电机(13)之间由动力线和控制线相连，伺服电机(13)的输出轴与减速机(14)连接并一起安装在减速机座(12)上；减速机(14)的输出轴通过万向联轴器(16)与被测曲轴(5)相连，同时还经同步齿形带与编码器(15)相连；曲轴(5)置于曲轴固定支撑架(17)和曲轴活动支撑架(22)上，两支撑架上的滚轮(18)均与曲轴(5)两端轴颈接触，两支撑架均安装在导轨(19)上；曲轴活动支撑架(22)下端装有丝杠(21)，丝杠(21)左端连接手轮(20)，导轨(19)水平安装于底座(11)上。

6.根据权利要求1所述的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其特征是所述曲轴旋转变位机构控制器(10)，主要由PLC、定位模块、伺服驱动器组成；该控制器通过PLC的梯形图指令编程，来设置曲轴旋转变位机构(6)的包括转速、位移参数，定位模块输出正、反转位置指令脉冲到伺服驱动器，对曲轴旋转变位机构(6)的位移和转速进行控制。

7.根据权利要求1所述的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其特征是所述曲轴旋转变位机构(6)，由伺服电机(13)提供驱动力，经减速机(14)降速增扭之后，通过万向联轴器(16)驱动曲轴(5)以其主轴线为中心作回转运动；减速机(14)输出轴的旋转带动编码器(15)旋转，将编码器信号输出到涡流磁记忆检测仪(2)，为其提供精确的检测位置信号；依靠手轮(20)的转动，可使曲轴活动支撑架(22)沿导轨直线方向水平移动，从而调节与曲轴固定支撑架(17)之间的距离，可以满足不同型号曲轴安装固定的要求。

8.根据权利要求1所述的曲轴自动化涡流、磁记忆复合无损检测装置，其特征是所述检测传感器夹具组件(9)，由检测传感器夹头(23)、连接杆(24)、弹簧(25)、支撑杆(26)、法兰(27)组成，其中：检测传感器夹头(23)在检测过程中用来固定检测传感器(4)，检测传感器夹头(23)与连接杆(24)之间通过螺栓紧固连接；连接杆(24)和支撑杆(26)之间用销钉连接并装有弹簧(25)，支撑杆(26)通过法兰与工业机器人本体(7)第六轴法兰相连，整个检测传感器夹具组件(9)安装在工业机器人的第六轴末端；。弹簧(25)的作用力可为检测传感器(4)提供一定的耦合压紧力，并且能够防止检测过程中的刚性碰撞而损坏检测传感器(4)；检测传感器夹头(23)及连接杆(24)采用非铁磁性材料制成，能有效避免铁磁性材料夹具对磁记忆传感器的检测信号产生干扰。